第七章-可見光和近紅外輻射計(jì)與水色遙感-衛(wèi)星海洋學(xué)課件

第七章輻射計(jì)和水色遙感（Radiometer&OceanColorRemoteSensing）

§7.1輻射計(jì)（Radiometers）§7.2水色遙感簡介（IntroductiontoOceanColorRemoteSensing）§7.3大氣校正（AtmosphericCorrection）§7.4水色遙感術(shù)語（ScientificTermsofOceanColorRemoteSensing）§7.4.1離水輻亮度（Water-LeavingRadiance）§7.4.2遙感反射率（RemoteSensingReflectance）§7.5海洋水色要素的生物光學(xué)算法（Bio-OpticalAlgorithmsofOceanColorElements）§7.6二類水體水色反演算法（AlgorithmsofOceanColorRetrievalforCase2Waters）§7.1

輻射計(jì)（Radiometers）

輻射計(jì)（radiometer）是一種根據(jù)被動(dòng)遙感理論（passiveremotesensingtheory）制作的傳感器。輻射計(jì)本身并不發(fā)射電磁波，它只接收地球表面反射和散射的太陽光或者地球表面包括陸地、海面和大氣層的自發(fā)輻射；人們依靠反演算法可從輻射計(jì)測量數(shù)據(jù)中提取有關(guān)地球表面、海洋和大氣的物理信息?！?.2

水色遙感簡介水色:太陽光經(jīng)水體散射后，監(jiān)測到的散射光的顏色。

水色三要素是指浮游植物的葉綠素（chlorophyll）、無機(jī)的懸浮物（inorganicsuspendedmatter）和有機(jī)的黃色物質(zhì)（yellowsubstance或gelbstoff;水色遙感的直接目的是監(jiān)測海水中浮游植物的葉綠素濃度、無機(jī)的懸浮物濃度和有機(jī)的黃色物質(zhì)濃度。水色遙感的主要任務(wù)是估計(jì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力和開展全球碳循環(huán)研究。海洋初級(jí)生產(chǎn)力的估計(jì)是通過水色傳感器對(duì)浮游植物葉綠素的遙感完成的。葉綠素的遙感涉及到對(duì)海面的離水輻亮度和大氣衰減的理解。海面的離水輻亮度與海水的水體類型、懸浮物、黃色物質(zhì)和葉綠素濃度密切相關(guān)。光在大氣中的衰減與水汽、氣溶膠和臭氧濃度密切相關(guān)。SeaWiFS提供13種資料產(chǎn)品葉綠素-a濃度（Chlorophyll-aconcentration）（單位是mg/m3）在波長490nm的漫衰減系數(shù)（Diffuseattenuationcoefficientat490nm）（單位是m-1）懸浮物濃度（Suspendedmatterconcentration）氣溶膠指數(shù)（Aerosolindex）在波長865nm的氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosolopticalthicknessat865nm）云覆蓋度（Cloudfraction）海面熒光（Oceansurfacefluorescence）溶解的有機(jī)物碎屑的吸收系數(shù)（Dissolveddetritusabsorptioncoefficient）顆石藻份額（Coccolithophorefraction）毛狀藻份額（Trichodesmiumfraction）粒子后向散射系數(shù)（Particulatebackscattercoefficient）光合有效輻射（Photo-syntheticallyactiveradiation）歸一化差值陸地植被指數(shù)（Normalizeddifferencelandvegetationindex）“海洋衛(wèi)星一號(hào)”（HY-1）十波段的中國海洋水色和溫度掃描儀COCTS。資料產(chǎn)品包括6個(gè)波段的離水輻亮度（412、443、490、510、555和670nm波段）、3個(gè)波段的氣溶膠輻射（670、750和865nm波段）、葉綠素-a濃度分布、海表面溫度分布、CZCS色素濃度、2個(gè)波段的（750和865nm波段）氣溶膠輻射比、氣溶膠光學(xué)厚度（865nm波段）、懸浮泥沙含量分布和漫衰減系數(shù)等共16種。初級(jí)生產(chǎn)力描述在單位面積海面以下的水柱內(nèi)浮游植物通過光合作用固定碳的凈速率(碳元素的增長量)。初級(jí)生產(chǎn)力的單位是mg﹒m-2﹒d-1;全球海洋的初級(jí)生產(chǎn)力介于75gC/m2/yr和150gC/m2/yr之間。渤海灣的初級(jí)生產(chǎn)力在春季是103mg﹒m-2﹒d-1，夏季是277mg﹒m-2﹒d-1，秋季是72mg﹒m-2﹒d-1，冬季是70mg﹒m-2﹒d-1。

在一天之內(nèi)，浮游植物的生物量可能增加幾倍，而影響浮游植物的生物量的因素有很多。例如，先前的浮游植物的生物量、光強(qiáng)、可攝取的營養(yǎng)鹽濃度、海水溫度、水體混合強(qiáng)度、水平對(duì)流以及浮游動(dòng)物攝食等。浮游植物將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，將營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱囊徊糠?，從而形成了初?jí)生產(chǎn)力。這個(gè)過程需要陽光和葉綠素的作用。在海表面至接近水下100m的表層內(nèi)都可能具備光照和營養(yǎng)鹽的條件。然而，大多數(shù)浮游植物總是生活在光照和營養(yǎng)鹽二者都足夠豐富的水層。所以，葉綠素濃度最大值的水層并不在海洋表層。在渾濁海水海域，它可能在3米深處；在清潔海水海域，它可能在10米或者更深的水層。利用衛(wèi)星遙感葉綠素濃度的變化可以推算在單位時(shí)間內(nèi)浮游植物中碳元素的增長量和初級(jí)生產(chǎn)力。目前通用的衛(wèi)星反演海面初級(jí)生產(chǎn)力的模型是VGPM,在該模型中單位海面下水柱內(nèi)浮游植物總量是由葉綠素表層濃度與真光層深度之積近似代替的，這種近似對(duì)于在近岸海域廣泛存在的非均勻分布的葉綠素剖面不夠準(zhǔn)確。碳同化率的單位是mg﹒mg-1﹒h-1，其中第一個(gè)mg代表增長的浮游植物量，第二個(gè)mg指原有的浮游植物量，表示單位浮游植物（毫克）在單位時(shí)間（小時(shí)）內(nèi)浮游植物中碳元素的增長量（毫克）。碳同化率描述單位浮游植物通過光合作用固定碳的凈速率。世界平均碳同化率為3.7mg﹒mg-1﹒h-1，碳同化率依賴于海水中的營養(yǎng)鹽、海水溫度和光照度。營養(yǎng)鹽包括氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽和磷酸鹽；優(yōu)勢(shì)浮游植物種類可能與海水中某些重金屬含量相關(guān)；光照度與季節(jié)、時(shí)間、云覆蓋以及海水渾濁度相關(guān)。上升流能夠攜帶海底營養(yǎng)鹽到光照充足的海洋表層，所以存在上升流的海域有高的初級(jí)生產(chǎn)力，對(duì)應(yīng)著大漁場。海水富營養(yǎng)化可能引起某些種類浮游植物在短時(shí)間急劇生長，破壞浮游植物光合作用與營養(yǎng)鹽濃度、光照條件、化學(xué)耗氧量（COD）以及溶解氧之間的平衡，使生物鏈?zhǔn)テ胶?，造成生物污染。這種現(xiàn)象稱為水華或赤潮衛(wèi)星遙感為全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力的估計(jì)提供了充足的資料。全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力與全球碳循環(huán)有密切關(guān)系，全球碳循環(huán)與CO2引起的全球變暖有直接聯(lián)系，全球變暖可能導(dǎo)致全球海平面上升。溫室氣體是導(dǎo)致全球變暖及氣候變化異常的主要因素，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是除水蒸氣以外最常見的溫室氣體。世界氣象組織指出，自18世紀(jì)晚期以來，大氣中的二氧化碳含量增加了36%。水體類型如果浮游植物及其“伴生”腐殖質(zhì)對(duì)水體的光學(xué)特性起主要作用，則該水體被稱為一類水體.如果無機(jī)懸浮物（如淺水區(qū)海底沉積物的再次懸浮物和河流帶來的泥沙）或黃色物質(zhì)（又稱溶解的有色有機(jī)物）對(duì)水體的光學(xué)特性有不可忽視的明顯作用，則該水體被稱為二類水體.大多數(shù)開闊海域的海水接近于一類水體。二類水體位于與人類關(guān)系最密切、受人類活動(dòng)影響最強(qiáng)烈的近岸、河口等海域。如果從二類水體的水色遙感資料能可靠地推算出懸浮泥沙、葉綠素和黃色物質(zhì)含量，我們就能夠?qū)！⒑涌诃h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、長周期、大范圍的監(jiān)測和研究。在水色遙感中經(jīng)常使用的一類水體和二類水體與描述生物化學(xué)污染程度的水質(zhì)等級(jí)是不同的概念。§7.2.4黃色物質(zhì)海水中的溶解有機(jī)物（DOM）包括顆粒狀有機(jī)碳POC和溶解的有機(jī)碳DOC;DOC在化學(xué)上是穩(wěn)定的，它在海洋中的平均滯留時(shí)間為3400年。在溶解的有機(jī)碳（DOC）中包含大量未能鑒別出化學(xué)組份的復(fù)雜大分子有機(jī)物;有色溶解有機(jī)物（CDOM）是DOM中的主要成分，它能吸收藍(lán)色的光而散射黃色的光，從而使水呈淺黃色，故被人們通俗地稱為黃色物質(zhì).黃色物質(zhì)在藍(lán)色波段能強(qiáng)烈地吸收光能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.35～0.70μm波段范圍內(nèi)，海水中黃色物質(zhì)引起的吸收系數(shù)可表示如下式中kab(λo)是在波長λ0處電磁波的吸收系數(shù)，常數(shù)s在0.011～0.016之間。例如，有文獻(xiàn)采用λ0=443nm，s=0.012。黃色物質(zhì)的粒徑小于海水中懸浮泥沙和浮游植物的粒徑，所以一般使用規(guī)定濾膜（一般濾膜網(wǎng)格選擇在0.4～1.0μm之間）過濾海水，能夠通過濾膜的海水被認(rèn)為是只含有黃色物質(zhì)的海水。因?yàn)辄S色物質(zhì)不便于取樣稱重，人們通常使用只含有黃色物質(zhì)海水的吸收系數(shù)廣義地代表它的濃度，其單位是μm-1。黃色物質(zhì)吸收系數(shù)§7.2.5浮游植物色素浮游植物中的色素吸收光子，而浮游植物本身又散射光子，這兩個(gè)過程改變了水色掃描儀所觀察的海洋的顏色。在沿岸帶水色掃描儀（CZCS）的產(chǎn)品中，葉綠素-a濃度和褐色素濃度之和被稱為海水中的色素濃度并用C表示。褐色素是葉綠素-a的降解產(chǎn)品，這些降解產(chǎn)品是由葉綠素-a酸化作用產(chǎn)生的。褐色素與葉綠素-a在藍(lán)色波段有類似的吸收特征，所以利用波段較少的水色掃描儀不可能把這些色素分開?，F(xiàn)在大多數(shù)生物海洋學(xué)家認(rèn)為，在大多數(shù)的海洋表層，褐色素最多只占色素濃度的3～8℅。除了葉綠素-a與褐色素外，海洋中有許多促進(jìn)光合作用和抑光的色素，這些色素和葉綠素-a之和可能超過了色素生物量的95%。它們代表不同地點(diǎn)不同季節(jié)的浮游植物的集合。主要的浮游植物色素有：1)葉綠素-a、b和c；2)光合的類胡蘿卜素（PSC）；3)抑光的類胡蘿卜素（PPC）。次要的浮游植物色素有：1）藻膽素2)藻紅色素3)藻青色素海上調(diào)查表明，總色素和葉綠素-a的比值為1.876～2.876，平均值為2.164。類胡蘿卜素成分的相對(duì)含量（如PSC和PPC）隨生物地理區(qū)域的不同而不同，隨測量航次的不同而不同。其它的色素對(duì)海洋中的光吸收不重要。藻青菌在上升流區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)，只有當(dāng)該菌藻華(浮游植物的大量繁殖)的時(shí)候這種次要的色素才變得重要。同一傳感器獲得的資料可以依據(jù)不同算法生成多種不同的色素產(chǎn)品。例如，CZCS色素濃度指葉綠素-a和褐色素的濃度（Ca+Cp）；SeaWiFS色素濃度指葉綠素-a、b和c的濃度。測量葉綠素濃度有三種基本方法：高性能液相色譜儀測量法、分光光度計(jì)測量法和熒光法。高性能液相色譜儀可根據(jù)樣品的光譜特征測定50余種海水色素的濃度。使用分光光度計(jì)能夠根據(jù)浮游植物的丙酮萃取液在某些波段衰減系數(shù)的測量來確定葉綠素-a的濃度。使用帶積分球的高級(jí)紫外可見光分光光度計(jì)還能夠測定樣品吸收和散射系數(shù)的光譜，依據(jù)光譜分布特征可推測葉綠素-a和b、黃色物質(zhì)和懸浮泥沙等海洋水色三要素的濃度。因?yàn)槿~綠素-a受到藍(lán)光（450/470nm）激發(fā)能產(chǎn)生紅色（685/695nm）熒光，利用這個(gè)性質(zhì)可使用熒光測量海水中的葉綠素-a的濃度。一種是萃取法熒光計(jì),一種是活性法熒光計(jì);萃取熒光法，首先取水樣，并使用微孔濾膜將水樣過濾；然后，將過濾出的浮游植物放進(jìn)90%丙酮溶液在低溫環(huán)境下萃取葉綠素；最后將萃取葉綠素的丙酮溶液放到熒光光度計(jì)內(nèi)測量?；钚詿晒夥?，可以將熒光光度計(jì)探頭投入海水內(nèi)直接測量。為區(qū)別兩種不同方法測量獲得的葉綠素-a，將二者分別稱為萃取葉綠素-a的濃度和活性葉綠素-a的濃度。萃取熒光法符合目前我國規(guī)范，活性熒光法還未被規(guī)范接受。但是它的測量過程簡單、快速，而且能測量垂直剖面的葉綠素-a的濃度分布，所以它開始被越來越多的調(diào)查者青睞。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在泥沙濃度不太高的條件下活性葉綠素-a濃度與萃取葉綠素-a濃度之間具有良好的線性關(guān)系?；钚詿晒夥梢员苊饽承┱`差，例如萃取熒光法在海水采樣中因浮游植物分布的不均勻性產(chǎn)生的隨機(jī)采樣誤差，和在復(fù)雜操作步驟中因不嚴(yán)格遵守規(guī)范產(chǎn)生的人為誤差。然而，在太陽光很強(qiáng)的時(shí)候，在海洋近表層采用活性熒光法測量葉綠素濃度可能伴隨由于熒光熄滅帶來的測量誤差以ppb（partsperbillion）為單位的活性葉綠素-a的濃度圖示的A和B類型在渤海海域全部測量站點(diǎn)所占的比例達(dá)到86％，其中類型Ａ占58%類型Ｂ占28%，它們是渤海海域中的葉綠素垂直分布的主要類型。ppb與我們平常規(guī)范的μg/L單位不同。需要將活體葉綠素的測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)規(guī)范的測量方法（例如萃取熒光法）獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，完成從ppb到mg/m3的單位轉(zhuǎn)換，這種方法是“現(xiàn)場標(biāo)定法”?！艾F(xiàn)場標(biāo)定法”的優(yōu)點(diǎn)是考慮了海水渾濁度對(duì)轉(zhuǎn)化公式的影響。第二種方法是“實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定法”，即采用市場銷售的葉綠素-a的晶體配置設(shè)定濃度的溶液，通過熒光計(jì)探頭的測量數(shù)據(jù)與設(shè)定濃度的比較，完成從ppb到mg/m3的單位轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)是獲得的轉(zhuǎn)換公式不一定適用于渾濁海域。在濁度較大的渤海萊州灣，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，AAQ1183熒光探頭測量的“活性葉綠素-a濃度”不但與葉綠素-a濃度有關(guān)，而且與海水濁度相關(guān)。海水中的懸浮物阻擋了熒光探頭接收浮游植物在熒光波段輻射的光能，所以依據(jù)“實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定法”的熒光計(jì)測量的葉綠素-a濃度可能普遍偏小。一般地，海水濁度越大，偏差越大。美國Wetlab公司生產(chǎn)的熒光計(jì)已經(jīng)在出廠之前完成實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和單位轉(zhuǎn)換，但是由于電子儀器的老化，經(jīng)過一段時(shí)間以后還需要重新“標(biāo)定”。不同葉綠素濃度對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)

葉綠素a對(duì)藍(lán)光吸收強(qiáng)烈，在440nm附近存在吸收峰，對(duì)黃綠光（550～575nm）吸收較弱。隨著水體中葉綠素a濃度的增加，將引起藍(lán)光波段輻射量的減小和綠光波段及紅光波段輻射量的增加。當(dāng)海面葉綠素濃度增加，685nm熒光峰高度增加赤潮發(fā)生或高濃度葉綠素時(shí)，由于浮游植物大量繁殖，使海水逐漸變色，在藍(lán)綠波段在由強(qiáng)烈地吸收，在紅色和近紅外波段有強(qiáng)烈地散射葉綠素的后向散射曲線550nm為葉綠素的后向散射峰在水色遙感中，大氣校正模式和水色反演模式是必須建立的兩個(gè)基本模式。水色反演模式的作用是，通過對(duì)太陽光離水輻亮度的測量和標(biāo)準(zhǔn)化的換算，達(dá)到對(duì)海水內(nèi)部主要粒子濃度的估計(jì)。大氣校正模式的作用是，通過衛(wèi)星裝載的水色掃描儀的測量，剔除大氣因素的影響。§7.3大氣校正（AtmosphericCorrection）§7.3.1大氣透射率（AtmosphericTransmittance）§7.3.2離水輻射的貢獻(xiàn)（ContributionfromWater-LeavingRadiation）§7.3.3MODIS和SeaWiFS的大氣校正（AtmosphericCorrectionofMODIS&SeaWiFS）1).水色衛(wèi)星遙感的大氣校正方程

式中Li(λ)代表衛(wèi)星探測的輻亮度(radiance)，腳標(biāo)i代表傳感器第i個(gè)通道；LR(λ)代表大氣分子瑞利散射的輻亮度，LA(λ)代表氣溶膠散射的輻亮度，Lr(λ)代表海面的鏡面反射,也稱為太陽耀斑,選擇合適的觀測角可以避免太陽耀斑。t(λ,θ)是大氣的漫透射率，T(λ,θ)是大氣的直接透射率,θ是衛(wèi)星天頂角,Lw(λ)是離水輻亮度.離水輻亮度描述進(jìn)入海水后被散射向上而離出水面的太陽輻射，不是海水自發(fā)輻射，與海水發(fā)射率無關(guān)。在可見光和近紅外波段，海水的自發(fā)輻射可以忽略。輻射計(jì)探測的輻亮度:第一部分是達(dá)到衛(wèi)星輻射計(jì)的海表面發(fā)射的輻亮度teS(λ)LS（λ,T）；第二部分是衛(wèi)星輻射計(jì)探測到的大氣自發(fā)輻射的輻亮度；第三部分是衛(wèi)星輻射計(jì)探測到的大氣向下發(fā)射的、達(dá)到海表面后又經(jīng)海表面反射的輻亮度。有邊界存在時(shí)的輻射傳輸

表7-2離水輻射（tLw）、大氣散射（Lp）和表面反射（TLr）對(duì)衛(wèi)星傳感器接收到的可見光波段信號(hào)的貢獻(xiàn)可見光波段傳感器接收的信號(hào)Li(λ)，主要是由大氣散射Lp(λ)貢獻(xiàn)的。包含著海洋信息的離水輻亮度的貢獻(xiàn)tLw在衛(wèi)星接收到的信號(hào)中占的份額不到20%；海面對(duì)陽光的直接反射TLr在沒有出現(xiàn)太陽耀斑的情況下，在衛(wèi)星接收到的信號(hào)中占的份額不到2%。因此，大氣校正對(duì)于水色遙感特別重要；水色掃描儀對(duì)“信噪比”的技術(shù)要求也應(yīng)更高。離水輻射在衛(wèi)星傳感器接收輻射中的貢獻(xiàn)大氣漫透射率式中ωA是氣溶膠對(duì)太陽輻射的單次散射反照率,ωR是空氣分子對(duì)太陽輻射的單次散射反照率，單次散射反照率代表散射系數(shù)與衰減系數(shù)之比。fA代表氣溶膠前向散射的概率,fR代表空氣分子前向散射的概率。對(duì)于非吸收氣體，ωR≈ωA≈1。前向散射的概率f可以通過它與體積散射相函數(shù)P（λ,θ）之間的關(guān)系來計(jì)算.對(duì)于θ≤60°的漫透射光，fR≈0.5，ωR≈1，fRωR≈0.5，1-ωAfA<<1。André和Morel（1989）指出，fA≈0.9，ωA≈1，1-ωAfA≈0.1。應(yīng)該指出，在上述文獻(xiàn)中作者對(duì)氣溶膠前向散射的概率fA的估計(jì)只是非常粗糙的近似，不能輕易認(rèn)定。因?yàn)?-ωAfA<<1，故有人認(rèn)為可以忽略氣溶膠散射對(duì)大氣漫透射率的影響。實(shí)際上，盡管1-ωAfA<<1，但是在可見光和近紅外波段氣溶膠的光學(xué)厚度比大氣層內(nèi)空氣分子的光學(xué)厚度大很多，所以不能輕易忽略氣溶膠散射對(duì)大氣漫透射率的影響。單次散射會(huì)使輻射損失，而多次散射的累積作用又使輻射增強(qiáng)?？紤]以上兩種作用，大氣漫透射率可表達(dá)為式中βA表示多次氣溶膠散射的累積作用。多次散射效果直接透射率因?yàn)殓R面反射的光比較強(qiáng)，這種情況下反射光在大氣層傳播過程中散射作用就可以忽略?！?.3.3MODIS和SeaWiFS的大氣校正

式中LRA(λ)是大氣層空氣分子和氣溶膠粒子多次散射的輻亮度，LWC(λ)是海浪破碎生成白冠引起的輻亮度。如果獲得的數(shù)據(jù)中Lr(λ)的值很大，說明太陽耀斑（sun’sglitter）不可忽略，該數(shù)據(jù)應(yīng)舍棄。MODIS反射率的定義散射光的輻照度與入射光的輻照度之比E0(λ)代表達(dá)到大氣層頂?shù)奶栞椪斩?，θs是太陽天頂角，分母代表大氣層頂處在當(dāng)?shù)胤较蛳蛳碌奶栞椪斩取Ｔ诩僭O(shè)大氣是光學(xué)上各向同性介質(zhì)的前提下，輻亮度L與的乘積代表輻照度.標(biāo)準(zhǔn)化處理:獲得的各項(xiàng)與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐暮Ｑ螅ㄓ蓛?nèi)部各種粒子的成分和濃度決定）的光學(xué)性質(zhì)和大氣（由漫透射率t決定）的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)。這樣，在不同時(shí)間和不同太陽天頂角條件下觀測到的數(shù)據(jù)可以在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下相互比較。通?？赏ㄟ^調(diào)整傳感器的觀測角度避免太陽直射反射率ρr，在海面風(fēng)浪不很大的情況下可忽略海面白冠散射的反射率ρWC，在氣溶膠光學(xué)厚度不很大的情況下可忽略大氣分子與氣溶膠之間多次散射的反射率ρRA如果只考慮氣溶膠的單次散射，氣溶膠散射的反射率ρA等于PA（λ,θ,θs）是氣溶膠散射的相函數(shù)，θs是太陽天頂角，θ是衛(wèi)星觀測角，ωA（λ）單次散射反照率.

式中λi和λj代表任意波段的波長。只要知道近紅外兩個(gè)波段的氣溶膠反射率，就可以求出氣溶膠分布的埃斯特朗指數(shù)β。如果知道氣溶膠散射在紅外波段的反射率ρA（λ=λ0），就可以通過公式計(jì)算出氣溶膠散射在任何波段的反射率ρA（λ）（NASA）針對(duì)MODIS光譜波段制作了適合各類氣溶膠粒子分布模式的查找表，用于反演氣溶膠光學(xué)厚度。MODIS氣溶膠光學(xué)厚度反演產(chǎn)品參數(shù)包括氣溶膠光學(xué)厚度和Angstrom指數(shù)。一類水體的基本大氣校正算法SeaWiFS傳感器使用兩個(gè)近紅外波段（以65nm和865nm為中心、帶寬±20nm）進(jìn)行大氣校正，MODIS傳感器使用兩個(gè)近紅外波段（743～753nm和862～877nm）進(jìn)行大氣校正。在這近紅外兩個(gè)波段，一類水體海面的離水反射率ρW（λ0）很小可以忽略ρR如果只考慮單次散射，大氣層空氣分子瑞利散射的反射率ρR可以表示為類似ρA的形式。ρR依賴于空氣分子的單次散射反照率ωR（λ）、空氣分子的光學(xué)厚度、空氣分子瑞利散射的相函數(shù)PR（λ,θ,θs）、太陽天頂角θs和衛(wèi)星觀測角θ。有專門公式提供了大氣層空氣分子瑞利散射的散射系數(shù)、衰減系數(shù)和相函數(shù)PR（λ,θ,θs）的計(jì)算方法。關(guān)于分子瑞利散射的反射率ρR（λ）的計(jì)算，目前主要有兩種方法，即單次散射近似計(jì)算方法和數(shù)值求解精確的矢量輻射傳輸方程ERTE的方法.單次散射近似計(jì)算方法比較簡單，缺點(diǎn)是誤差大。針對(duì)SeaWiFS和MODIS等傳感器，可利用查找表實(shí)現(xiàn)瑞利散射的精確計(jì)算.§7.4

§7.4.1

離水輻亮度

§7.4.2

遙感反射率目的：1、深刻理解含義；2、用于海洋調(diào)查利用離水輻亮度生物光學(xué)算法可以量化葉綠素濃度和其它成分的濃度。海面對(duì)可見光和近紅外波段的電磁波近似地是一個(gè)朗伯表面,離水輻亮度Lw(λ,θ)與衛(wèi)星天頂角θ無關(guān)。離水輻亮度與海面下的向上輻亮度的關(guān)系

n′是海-氣界面復(fù)折射率的實(shí)部，也稱為折射率,在可見光和近紅外波段，n′≈1.33。(n′)2表明光波由海水到大氣傳播時(shí)光束立體角的變化能夠帶來輻亮度的變化。當(dāng)光波從海水向空氣傳播時(shí)，光強(qiáng)減弱；當(dāng)光波從空氣向海水傳播時(shí)，光強(qiáng)增強(qiáng)。游泳時(shí)人的身體容易被曬黑的原因。ti水-氣界面透射率：與菲涅耳反射率的關(guān)系是

式中ρ是在太陽光垂直入射條件下水-氣界面的菲涅耳反射率。在可見光和近紅外波段，ρ≈0.02,ti=1-ρ≈0.98。建立離水輻亮度與海面上下行輻照度的關(guān)系1、海面下上行輻照度與輻亮度的關(guān)系式中Q因子描述了海水的自然光場的角分布。2、海面下上行和下行輻照度的關(guān)系海面下的次表層漫反射率R也稱為輻照度反射率3、海面下的向下輻照度Ｅd（λ，0－）與海面上的向下輻照度Ｅd（λ,0+）的關(guān)系是r是海-氣界面下的輻照度反射率,描述界面對(duì)來自海洋內(nèi)部的上行電磁波的反射率。是水表面的反照率,描述界面對(duì)來自空氣的下行電磁波的反射率，它與波長λ和太陽天頂角θS的余弦略有關(guān)系。反照率約等于0.06，這個(gè)值是對(duì)所有角度的海面菲涅耳反射率取平均獲得的。該方程的左側(cè)代表衛(wèi)星遙感經(jīng)大氣校正能夠測量的物理量，稱為遙感反射率；右側(cè)通過次表層漫反射率R與葉綠素、懸浮泥沙和黃色物質(zhì)濃度等水色三要素相關(guān)。海面入射輻照度：太陽光在海面的向下輻照度Es(λ)或Ｅd（λ,0+）式中Fs（λ）大氣層外入射的太陽輻照度,θs是太陽天頂角。§7.4.2遙感反射率使用遙感反射率Rrs(λ)表示太陽光離水輻亮度的標(biāo)準(zhǔn)化形式。遙感反射率Rrs(λ)的單位是sr-1，（λ）代表平均日地距離處大氣層外垂直入射的太陽輻照度，Lwn(λ)代表歸一化離水輻亮度。遙感反射率Rrs(λ)與入射光達(dá)到海面的輻照度無關(guān)。第一條曲線代表根據(jù)普朗克黑體輻射定律計(jì)算的具有6000K表面溫度的黑體在平均日地距離處的輻照度E（λ）隨波長的分布。第二條曲線代表測量的平均日地距離處大氣層外垂直入射的太陽輻照度隨波長λ的分布(曲線包含的小擾動(dòng)是太陽表面的氣體吸收和輻射引起的)。第三條曲線代表現(xiàn)場測量的在海面上的下行輻照度Ｅd（λ，0+）。第三條曲線比第二條曲線代表的能量明顯降低，這是由大氣吸收和散射引起的。遙感反射率與海面下的次表層漫反射率R密切相關(guān)；R與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐暮Ｑ髢?nèi)部各種粒子的成分和濃度有關(guān)。公式是水色反演模式的物理根據(jù)。建立由遙感反射率到海水色素濃度的反演模式。遙感反射率的測量在海洋調(diào)查中，Rrs(λ)不容易直接測得總遙感反射率：式中Ldif（λ）是天空漫射光的輻亮度，rLdif（λ）是經(jīng)水面反射的天空漫射輻亮度，r是海-氣界面對(duì)天空漫散射的菲涅耳反射率式中Ｒdif（λ）是天空漫射光的遙感反射率，它代表天空漫射輻亮度與太陽下行輻照度之比。使用光譜儀通過標(biāo)準(zhǔn)反射板能夠間接測量總遙感反射率Trs(λ)、天空光的漫反射率Ｒdif（λ）。獲得遙感反射率Rrs(λ)ISI921VF-256的地物光譜儀，從右至左分別是標(biāo)準(zhǔn)反射板、主機(jī)、探頭。儀器的光譜分辨率為2.7nm，光譜范圍為380~1050nm，共256個(gè)波段，用于戶外地面和水面目標(biāo)的高光譜輻射測量。它的直接探測目標(biāo)是地面物體而非太陽.地物光譜儀利用太陽輻射作為光源，可測量海水后向散射的上行輻亮度；通過標(biāo)準(zhǔn)參考板可間接測量太陽直射輻照度Ed（λ，0+），還可間接測量天空漫射輻照度Edif（λ）。避免：太陽直射反射的輻亮度及海浪破碎形成白冠而反射的輻亮度。測量應(yīng)選在風(fēng)速不太大，且無波浪破碎時(shí)進(jìn)行。如果選取適當(dāng)?shù)姆轿唤呛陀^測角，就可以避開絕大部分的太陽直射反射。海面入射輻照度測量太陽光在海面上的入射輻亮度是通過測量標(biāo)準(zhǔn)參考板的輻射而間接測量的。標(biāo)準(zhǔn)參考板為一接近理想的各向同性的朗伯反射板，其方向－半球反射比只是波長的函數(shù)。選擇好測量位置，使標(biāo)準(zhǔn)參考板不受船體任何部分、觀測者、輻射計(jì)的陰影和反射的影響，將參考板水平放置。在測量時(shí)將傳感器光學(xué)探頭的中心視場垂直于參考板中心。天空漫射光的輻亮度的測量通過測量標(biāo)準(zhǔn)參考板的輻射而間接測量，標(biāo)準(zhǔn)參考板的擺放位置和傳感器的測量姿勢(shì)與測量太陽光在海面上的入射輻亮度時(shí)相同。用一尺寸適當(dāng)?shù)暮诎鍝踝√柕闹鄙洌沟玫竭_(dá)標(biāo)準(zhǔn)參考板的輻射只是天空漫散射光的輻射。海-氣界面對(duì)天空漫散射的菲涅耳反射率是表觀光學(xué)特性，影響因素很多，約為0.028；在近紅外波段存在Lw為0的波段，可以通過對(duì)Lu(λ，0+)的直接測量和Ldif（λ）的間接測量，獲得對(duì)海面菲涅耳反射率r的估計(jì)。注意：被海面反射的天空漫散射光經(jīng)過大氣層達(dá)到衛(wèi)星已經(jīng)衰減變得很小，所以在衛(wèi)星的大氣傳輸方程中一般不考慮。影響離水輻亮度的主要因素包括：a、海水的吸收和散射；b、葉綠素的吸收和散射；c、懸浮泥沙的散射；d、黃色物質(zhì)的吸收?！?.5

海洋水色要素的生物光學(xué)算法

海水吸收系數(shù)海水后向散射吸收系數(shù)隨波長減小而降低，后向散射系數(shù)隨波長減小而增加，因此純海水呈現(xiàn)出特征的藍(lán)色。懸浮泥沙散射懸浮泥沙的特征信號(hào)是寬光譜范圍內(nèi)的強(qiáng)后向散射懸浮泥沙的散射特性是可變的，與波長的相關(guān)性也是可變的。隨葉綠素濃度的增加，懸浮泥沙后向散射增加。水色衛(wèi)星遙感的大氣校正方程

Rrs(λ)不容易直接測得總遙感反射率：§7.5

海洋水色要素的生物光學(xué)算法

根據(jù)Gordon和Morel（1983）的研究，海面下的次表層漫反射率R與海水的固有光學(xué)性質(zhì)有關(guān)§7.5.1

分析算法式中fi是第i個(gè)組份濃度Ci的函數(shù)，它一般是非線性的。因?yàn)橐话悴恢?的值，或知道很少Ci不是表層海水各個(gè)組份的濃度，應(yīng)是在垂直剖面內(nèi)各層懸浮粒子共同形成的“現(xiàn)場濃度”?，F(xiàn)場濃度需根據(jù)漫衰減系數(shù)進(jìn)行加權(quán).對(duì)于浮游植物，“現(xiàn)場濃度”表達(dá)式是式中ka代表漫衰減系數(shù)§7.5.2

波段比值模型的分析基礎(chǔ)

式中G代表向下輻射光場的影響，b(λ)是后向散射系數(shù)，a(λ)是吸收系數(shù)。式中g(shù)是常數(shù)，它包含海-氣界面的影響、向下輻射光場的影響和光場的Q因子等三項(xiàng)的比值。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，可獲得g的估計(jì)值；為了討論水體組份的影響，常常忽略g的變化，認(rèn)為g等于1。式中aw是海水的吸收系數(shù)，bw是海水的后向散射系數(shù)；P是無機(jī)懸浮物濃度，bp是后向散射系數(shù)，G是DOM的濃度，ag是此類物質(zhì)的吸收系數(shù)；C是葉綠素生物量的濃度，ah是此類物質(zhì)的吸收系數(shù)。Ca、Cb、Cc、aa、ab、ac分別是葉綠素-a、b和c的濃度和吸收系數(shù)，Cps、Cpp、aps和app分別是光合作用和抑光作用類胡蘿卜素的濃度和吸收系數(shù)定義代表海水的固有光學(xué)性質(zhì)式中Aj=ah(λj)/aw(λj)，Bj=ag(λj)/aw(λj)，Dj=bp(λj)/bw(λj)。當(dāng)粒子濃度P和溶解有機(jī)物和類溶解有機(jī)物的濃度G可以忽略時(shí)基于藍(lán)綠比值的CZCS經(jīng)驗(yàn)算法

CZCS色素濃度經(jīng)驗(yàn)算法海水漫衰減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)算法基于藍(lán)綠比值的SeaWiFS經(jīng)驗(yàn)算法

藍(lán)綠比值法最初是用來處理和解釋CZCS圖像的。實(shí)踐證明，此方法對(duì)第Ⅰ類水體來說很有用。藍(lán)綠比值法建立的基礎(chǔ)是對(duì)歸一化離水輻亮度的高精度海上現(xiàn)場測量和色素濃度的同步測量。表7-3顯示了依據(jù)NET（NimbusExperimentTeam）數(shù)據(jù)獲得的對(duì)公式系數(shù)A1和A2的估計(jì)

CZCS色素（葉綠素-a和褐色素）濃度可表示成我國“海洋一號(hào)”A（HY-1A）衛(wèi)星裝載的中國海洋水色和溫度掃描儀（COCTS）和美國海星（SeaStar）衛(wèi)星裝載的寬視場海洋觀測傳感器（SeaWiFS）遙感資料制作的中國海和臨近海域葉綠素-a濃度分布的數(shù)據(jù)融合圖?；谒{(lán)綠比值的MODIS經(jīng)驗(yàn)算法

式中Lwn(λ)是歸一化離水輻亮度，波段9、10、11和12的波長分別是443nm、490nm、531nm和550nm，A、B、C、D和E是回歸系數(shù)，常數(shù)e、f和g是0或1，它們用來對(duì)不同產(chǎn)品選擇波段。表7-5列出了上述系數(shù)，這種算法用于計(jì)算在第一類水體條件下的如下產(chǎn)品：CZCS色素（葉綠素-a和褐色素）濃度、SeaWiFS色素（葉綠素生物量）濃度、葉綠素-a濃度和漫衰減系數(shù)ka(λ=490nm)。目前國外針對(duì)MODIS、SeaWiFS、MERIS、OCTS、CZCS等水色傳感器和兩類水體海域提出了14個(gè)以藍(lán)綠比值法為基礎(chǔ)的反演海表面葉綠素濃度的算法模式.渤海的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在浮游植物垂直分布不均勻的海域，上述算法與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間存在很大誤差?！?.6

二類水體水色反算法

代數(shù)法

使用代數(shù)式描述海洋光譜特征與水中物質(zhì)組份濃度之間的定量關(guān)系。首先，依據(jù)測量光譜數(shù)據(jù)來建立海洋水色模型（又稱“半分析模式”）；然后，對(duì)該模式進(jìn)行簡化，通過一些近似關(guān)系，減少未知量的個(gè)數(shù)或者未知量間的相互依賴關(guān)系；最后得到一組代數(shù)方程，通過求解該方程組，獲得各未知量的解。代數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是將水色因子的已知光學(xué)特性與理論模式耦合起來，對(duì)特定的二類水域的運(yùn)算結(jié)果較精確，但反演的物質(zhì)濃度個(gè)數(shù)有限。非線性最優(yōu)化法

非線性最優(yōu)化法先確定一個(gè)海洋水色模式，通過反演參數(shù)的濃度（即葉綠素、懸浮無機(jī)物、黃色物質(zhì)等的濃度），獲得多個(gè)與之對(duì)應(yīng)的輻亮度的模式計(jì)算值，使得模式所得的輻亮度計(jì)算值與實(shí)際的輻亮度測量值之間的誤差最小。應(yīng)用非線性最優(yōu)化方法需注意兩個(gè)方面：首先，設(shè)置預(yù)測模型的參數(shù)時(shí)要保證將要反演的未知參量之間的相關(guān)性盡可能小，因?yàn)樵诜囱莸奈粗恐g總是具有一定的相關(guān)。其次，初始條件的設(shè)定也很重要。如果可能，應(yīng)該為每一個(gè)需要反演的未知量設(shè)定各自的上限和下限，從而保證得到確切的最小值（為防止出現(xiàn)許多最小值，即方程出現(xiàn)多個(gè)解）。主成分分析法

傳統(tǒng)方法是使用大氣校正方程，而綜合解譯方法是將測量到的大氣頂部的光譜輻射數(shù)據(jù)作為反演的初值，得到大氣頂部的光譜輻亮度和水中某組份濃度之間的分段線性關(guān)系圖。該方法不但可以獲得大氣的光譜性質(zhì)，還可以定量反演水體中三種主要組份（葉綠素-a、有機(jī)的黃色物質(zhì)和無機(jī)的懸浮物）的濃度。該算法使用了多變量線性回歸分析，并且引出了光學(xué)權(quán)重系數(shù)的概念。因?yàn)椴煌ǘ蔚墓庾V數(shù)據(jù)特征具有很大的相關(guān)性，所以為減少這種相關(guān)性，我們采用主成分分析法.給出水