二类水体遥感数据常见大气校正方法

1、二类水体遥感数据常见大气校正方法陈克海标准方法是在近红外波段的离水辐射率为零的假设下，基于两个近红外波的 大气顶层反射率之比估算气溶胶类型和光学厚度，并且外推到可见光部分完成大 气校正。该算法的校正精度主要取决于实际海面近红外波段的离水辐射是否可忽 略。对于一类水体，由于其气溶胶一般属于非吸收性或者弱吸收性气溶胶，而且 其在近红外波段的离水辐射甚微，因而标准校正方法在大部分一类水体处理精度 可以达到业务化需求，其校正后得到的离水辐射率误差在5%以内（McClain, 1998）。然而，如果一类水体中存在较高浓度的叶绿素，或者近岸海水中存在较高浓 度的泥沙，而高浓度的泥沙和叶绿素即使在近红外波段也具有较高的反射率，从 而其在近红外波段的离水辐射率不能忽略。对于二类水体，假设在近红外波段后 向散射系数b （九）不随波长而变化（Zhang et al, 1999），而吸收系数a（九）主要取 b决于水的吸收系数a （九），离水辐射对大气表观反射率Ap （九）的增量近似与 wab /a成正比，因为a （九） a （九），所以Ap （九）Ap （九），从而标准方法会过 b ww s w la sa

2、 l高估算 （九，九），当 （九，九）高过预设阀值，标准方法会报错。 （九，九）的过高估s ls ls l算，会过高估算气溶胶在可见光部分的反射率，波长越短，估算越偏高，所以在 蓝光波段（412 nm）校正得到的离水辐射率会出现负值。所以在二类水体中，大 气校正标准方法会失效。另外，大气标准方法的校正精度还取决于实际气溶胶是否在备选气溶胶模型 以内。备选气溶胶类型为对流层型气溶胶、海洋型气溶胶和沿岸带气溶胶，都属 于非吸收或者弱吸收气溶胶类型。在一类水体，备选气溶胶类型一般能模拟绝大 部分气溶胶状态，但对于城市气溶胶类型或者沙尘等吸收性气溶胶，标准方法校 正效果较差。近岸水体一般较混浊，而且受到城市气溶胶等吸收性气溶胶的影响， 必须对标准方法进行修正或者采用其它思路才能进行大气校正。到目前为止，科学家提出了多种解决方案，常见的主要有最佳邻近法校正 方法、迭代校正方法、光谱匹配校正方法和光谱优化方法、两个短波红外波段组 合的校正方法。这些方法在二类水体区域大气校正方面都具有一定的优点和缺 点，以下分别介绍。1 最佳邻近法校正方法Hu et al（2000）针对SeaWiFS,提出了一种利

3、用邻近清洁水体上空气溶胶 类型对混浊水体进行大气校正的实用方法，能够较好得分离气溶胶和水体对卫星 接收信号的影响。该方法基于气溶胶类型中尺度空间范围内（1001000km）不 变的假设（Gordon and Morel, 1983）,这样，混浊水体的气溶胶类型可以用邻近 相对清洁海域的气溶胶类型代替。至于气溶胶浓度可以随像元而发生变化。为计 算近红外波段的气溶胶光学厚度，作者进一步假设近红外波段下水体后向散射系 数不随波长而变化，则近红外波段离水辐射对大气总反射率的贡献可近似表示为 （Carder et al，1999）：卩订（九）/a（九）其中九为765nm或865nm； P为未知常数，相同像元的P不随波长而变，但不 同像元的P值可不同；a）为水体吸收系数，可近似为水的吸收系数；t（X）是大 气漫散射透过率，通过最佳邻近法从相邻像元获取。所以，对每个混浊像元的近 红外波段，有如下关系 p*(X)=p (九)P -1(X)/a(九)as as其中p (X)为在p (X)=0假设下卫星测量得到的气溶胶 单次散射反射率as w(Gordon and Wang，1994)； p*(X)为去除

4、离水辐射影响下的气溶胶单次散射反as 射率。如果该混浊水体气溶胶类型可以从邻近像元获取，则在相同几何观测条件 下，气溶胶类型能唯一确定 0，所以有p *(765)/p *(865) = as as 0根据以上两个式子，可以得到未知常数P的估算值R_p (765) p (865)P as0 ast(765)/ a(765) -1(865)/ a(865)0有了气溶胶类型和B ,就可以计算p865)和相应的光学厚度。asHu是在集成标准大气校正方法的SeaWiFS软件的基础上整合实现上面方法, 首先让标准方法运行一遍，然而根据标准方法计算结果中的标签选定混浊像元。 对每一混浊像元，采用最佳邻近法从邻近清洁水体中获取气溶胶类型，并通过上 面的计算获取气溶胶光学厚度。最后，利用混浊像元的气溶胶优化参数，接着运 行标准方法。 Hu 方法在墨西哥湾测试并证明它能减小离水辐射率和叶绿素浓度 估算误差，并且对于标准方法运行失败的区域，它能较成功的运行。最佳邻近法利用邻近清洁水体上空气溶胶类别校正混浊水体的大气效应， 算法成功运行要求影像中存在清洁像元个数不能太少，否则会影响到校正效果。 2 迭代校正方

5、法Land and Haigh 1996)对二类水体遥感数据提出一种迭代校正方法，该方 法在大气校正的同时能够反演水下物质浓度。该算法需要一定的气溶胶模型和水下光学模型。其中，气溶胶模型为大陆气溶胶、海洋气溶胶和城市气溶胶按照不 同比例混合而成。每种气溶胶成分都具特定的单次散射反照率、衰减系数、散射 相函数和光学厚度等光学属性。由于这三种气溶胶类型的体积百分比之和为1， 所以只要确定大陆气溶胶和城市气溶胶的体积百分比，就可以确定海洋气溶胶的 体积百分比。在各个体积百分比已知的情况下，就可计算最终气溶胶的光学属性， 接着根据单次散射理论计算气溶胶程辐射反射率和透过率等变量，最后用多次散 射理论修正单次散射计算结果。只要知道海面反射率，就可以确定大气顶层表观 反射率。海面反射率为叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质的浓度的函数，一般用经验 公式表示。水体综合衰减系数k (九)和后向散射系数b(x)可近似表示为b(Gordon，1988)：k (九)=k(X) + k(C,X) + O S + k (九)w c s gb(X)二b (X) + b(C,X) + b*(X) Sbbwbcbs其中k (X

6、)和b (X)分别为清洁水体的衰减系数和后向散射系数，S为悬浮泥沙wbw浓度，kX)和b*(X )为泥沙归一化衰减系数和归一化后向散射系数(Tassan，sbs1994)，C为叶绿素浓度，k (C,X )和k (C,X )分别为叶绿素的衰减系数和后向cbc散射系数，可表示为(Gordon, 1988)：k(C,X)二k (X) Cexp-k (X)log (2C)2 + 0.001C2c0 c1c10b (C,X)二 A(X)Cb(X)bc其中叶绿素系数k (X)、k (X)、A(X)和B(X)从SeaWiFS文献中获取(Gregg,0 c1c1993)。k (X)为黄色物质的衰减系数，可表示为(Prieur and Sathyendranath，1981)gk(X)二 k (X )expk (X -X )gg 0g 10其中 X 为0.38卩m， k 为0.014rm-i。0g 1有了水体综合衰减系数k （九）和后向散射系数b （九）,就可以根据下式计算 b离水辐射率Rw兀1 P （九川1 P主九）t（巴,九）Rs（九）Q（卩，啊,九）n2（九）P（九）Q（卩，啊,兀）R （九）00

7、ssR（九）ssQ（H ,卩,申,九）0=0.11 连 k （九）b （九） 沁 9k （九）其中p（九）为水面上表面的漫反射率；p（九）为水面下表面的漫反射率；+ P （H,九）入射角度余弦值为L的水面下表面反射率；t（H ,九）为在太阳入射光方 0向上的漫透过率；Q（H ,H,P,九）为水面下表面处的上行辐照度与辐亮度之比，是 0描述水体二向反射特征的重要参数，对于朗伯体而言，Q值取“，对于垂直入射 观测条件下，水体的Q值一般取4一5，Land andHaigh参照Gordon（1988）取值为4.55。以上大气一海洋光学模型含有叶绿素浓度C，泥沙浓度S，悬浮物质浓度k （九），大陆气溶胶类型体积百分比Percentl，城市气溶胶类型体积百分比 g0Percent2。而SeaWiFS在可见光/近红外波段具有8个波段，利用这8个波段就可以估算这5个自由参数。Land and Haigh通过得Powell迭代方法（Powell， 1964 ）计 算最终获取这五个参数，从而完成大气校正。迭代计算采用的评价函数为模型曲 线与测量曲线的欧拉几何距离，若该距离大于预设阀值或者未达到最大迭代次

8、数，则修改五个参数的取值，然后进入下一次迭代。迭代计算的收敛速度或者能否找到最优解取决于对这5个自由参数的初始 化。因为由5个自由参数确定的评估系统可能存在多个极小值，从而存在多解的 可能。而迭代方法一般寻找的是极小值而非极大值，所以初始化点必须位于极大 值附近，这样才能搜索到极大值。Land and Haigh假设在Percent 1和Percent2分别取值为4%和1%的情况下确定大气气溶胶模型，然后经过计算确定 R 和 R ，通 w ss过NASA叶绿素通用算法确定叶绿素浓度C （Gordon, 1983）,然后利用SeaWiFS 6波段和8波段求解泥沙浓度S,最后通过任一非零波段计算得到k （九）,从而完 g0 成迭代计算的初始化。迭代法基于特定的水体经验光学模型，而经验光学模型是在特定时空条件下 建立的，只适合实验区域实验时间的水体光学模式，不能随意在其它地方运用该 方法；要在其它区域运用该算法，需要对该区域首先建立该地区特有的水体光学 模式。3 光谱匹配和光谱优化校正方法Gordon（1997）在处理气溶胶吸收问题时第一次采用光谱匹配算法，利用叶绿素浓度C和散射参数b0来描

9、述一类水体的光学性质（Gordon，1988），在一定气溶胶模型i和光学厚度t下就可以得到大气顶层表观反射率，从而 ai,t ，C,b ） 就可以唯一确定大气表观反射率。定义如下残差和： a08 （i,T，C,b ）二 100% ： 1a0Lt *（i ）（0 ,九）t *（i）（e ,九）（九）t *（i）（e 卜）P （i）（九）t“（0 ,九）t*（i）（0 ,兀）lp （九）J2n -1j=iv j0 j w j N在理论上，如果某个（i,T ,C,b）使得上述残差和达到最小，则为最佳解。然而 a0实际上，真实解并非总是最佳解，对此， Gordon 首先选取前 10 个最大8 对应的参数（ i,T ,C,b ），分别计算其离水辐射率，最后平均处理。在模拟数据的支持 a0下，通过在备选气溶胶类型中增加城市气溶胶类型，该方法能够有效处理吸收性 气溶胶问题（Gordon，1997）。另外，该方法被广泛应用于去除撒哈拉沙尘对阿 拉伯海、印度洋和北冰洋的辐射影响（Moulin， 2001； Banzon， 2004）。Chomko and Gordon （1998）首次在水色遥感数据大气校正中运用光谱优化算法。与光谱匹配算法光谱匹配算法一样，光谱优化算法能同步反演得到水下物 质和大气气溶胶的光学属性。只不过光谱匹配算法需要预定义一些气溶胶模型， 而光谱优化算法不再预定义一些气溶胶模型。光谱优化算法采用只含有一个自由 参数V的Junge分布来描述气溶胶的粒径分布，则气溶胶散射反射率取决于V和 气溶胶折射系数实部m和虚部m。假设m与m不随波长而变化。对海洋模型， r i r i作者利用叶绿素浓度C和

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