海洋與內(nèi)陸水體高光譜測(cè)量技術(shù)與實(shí)踐-唐軍武講義

1、海洋與內(nèi)陸水體高光譜測(cè)量技術(shù)與實(shí)踐(講義)唐軍武 jwtan621893042007-10-1671目錄基本主要的參考書1第1章 水色遙感基本參數(shù)與過程2第2章 水色遙感的相關(guān)問題35第3章 水體光學(xué)模型384 地物光譜儀水面以上水體光譜測(cè)量法54附1：光譜儀器選擇問題64附2 光譜測(cè)量數(shù)據(jù)的分析與處理Excel實(shí)例。65基本主要的參考書1James L. Mueller, Giulietta S. Fargion and Charles R. McClain, EditorsJ. L. Mueller, R.W. Austin, A. Morel, G.S. Far

2、gion, and C.R. McClain, Authors.Ocean Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation, Revision 4. NASA/TM-2003-21621/Rev-Vol I, 2Curtis D. Mobley, 1994: Light and Water3J. T. O. Kirk, 1994: Light and photosynthesis in aquatic ecosystem4Gordon, H. R. and A. Morel., 1983: Lecture Notes o

3、n Remote Assessment of Ocean Color for Interpretation of Satellite Visible Imagery: A Review. Vol.4, Springer Verlag, New York, pp114.5Bukata, R. P., J. H. Jerome, K. Ya. Kondratyev and D. V. Pozdnyakov, 1995: Optical Properties and Remote Sensing of Inland and Coastal Waters. CRC Press, New York, I

4、SBN: 0-8493-4754-8.6Ian S. Robinson, 2004 : Measuring the Oceans from Spacethe principles and methods of satellite oceanography. Springer, Praxis Publishing, Chichester, UK.7IOCCG Report3 8唐軍武,田國(guó)良,汪小勇,王曉梅,宋慶君2004: 水體光譜測(cè)量與分析I:水面以上測(cè)量法。遙感學(xué)報(bào), Vol.8, No.1, 37-44。本講義的宗旨：理論指導(dǎo)實(shí)踐；系統(tǒng)的理論知識(shí)與具

5、體測(cè)量技術(shù)實(shí)踐相結(jié)合。只有具備系統(tǒng)的理論知識(shí)才不會(huì)在具體測(cè)量中犯重大錯(cuò)誤。希望能解決水體光譜測(cè)量中涉及的系統(tǒng)理論、參數(shù)、過程、儀器、方法和相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析方法。 第1章 水色遙感基本參數(shù)與過程1.1 常用光學(xué)遙感輻射度學(xué)(radiometry)參數(shù)定義1.1.1 立體角的定義(Steradian)一個(gè)半徑為r的球面，從球心向球面作任意形狀的錐面，錐面與球面相交的面積為A,則A/r2就是此錐體的立體角（Solid Angle）。一般用符號(hào)W表示，單位為球面度sr。參見圖1。圖4.1 立體角定義立體角的微分定義是：dW=dA/r2 (1.1)在球坐標(biāo)中，dA = (r sinq dj) (r dq

6、) = r2 sinq dqdj (1.2)因此dW sinq dqdj (1.3) 一個(gè)球面的面積為4pr2，因此球體的立體角是4p1.1.2 輻射通量(Flux)在單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能，稱為通過該面積的輻射通量。符號(hào)F, 單位為W。如果是某個(gè)波長(zhǎng)的輻射通量，則記為F(l)。1.1.3 輻射強(qiáng)度(Intensity)點(diǎn)輻射源在某一方向上的立體角內(nèi)所發(fā)出的輻射通量。符號(hào)I，單位為W/sr。I = = dF/dW (1.4)1.1.4 輻射出射度 對(duì)于面輻射元，其單位面積向半球空間（2p立體角空間）內(nèi)發(fā)射的輻射通量，稱為輻射出射度。簡(jiǎn)稱輻出度，符號(hào)M，單位W/m2。 M = = dF/

7、dA (1.5)其中DF為小面元DA發(fā)出的輻射通量。輻射出射度是描述面元特性的，因此又稱為輻射通量密度。1.1.5 輻射照度（Irradiance） 單位面積接收到的輻射通量，稱為該處的輻照度。符號(hào)為E，單位為W/m2。如果是單位光譜波長(zhǎng)上的，單位為W/m2 mm。海洋光學(xué)中常用單位為mW/ cm2 nm或mW/ cm2 mm 。 E(l)= (1.6)式中： E(l) - 波長(zhǎng)為l的光譜輻照度; F(l) - 光譜輻射通量W/mm； A - 面積，單位m2在水體光學(xué)遙感(水色遙感)中，有以下輻照度參數(shù)：1) 大氣層外太陽(yáng)輻照度符號(hào)F0，表示大氣層外垂直入射的太陽(yáng)輻照度。平均日地距離處的F0，

8、記為 。2) 海面入射輻照度(或海面向下輻照度)符號(hào)Es或Ed(0+)，0+表示水面以上。如果沒有特指，即為總輻照度。3) 剛好處于水表面以下(just beneath water surface)的輻照度符號(hào)Ed(0-)表示剛好處于水表面以下的向下(downwelling)輻照度;符號(hào)Eu(0-)表示剛好處于水表面以下的向上(upwelling)輻照度;0-含義為剛好處于水表面以下。4) 水體剖面向下/向上輻照度符號(hào)Ed(z)表示水下z深度處的向下輻照度;符號(hào)Eu(z)表示水下z深度處的向上輻照度;深度z的單位為米(m)。5) 天空漫射輻照度，簡(jiǎn)稱漫射diffuse輻照度符號(hào)Edif ，表示

9、總輻照度減掉太陽(yáng)直射輻照度后的結(jié)果。6) 太陽(yáng)直射輻照度，簡(jiǎn)稱直射輻照度 符號(hào)Edir，表示總輻照度減掉太陽(yáng)漫射輻照度后的結(jié)果。 1.1.6 輻亮度（輻射率, radiance）單位投影面積、單位立體角上的輻射通量。輻亮度的符號(hào)為L(zhǎng)，單位為W/m2 sr，如果是單位光譜波長(zhǎng)上的，單位為W/m2 mm sr。海洋光學(xué)中常用單位為mW/ cm2 nm sr或mW/ cm2 mm sr。圖1.2 輻亮度定義L= (1.7)如果輻射源的面元非常小，可以看作一個(gè)點(diǎn)，則在單位立體角dW內(nèi)的輻射通量為輻射強(qiáng)度I (Intensity)， 其與輻亮度的關(guān)系為：I = = L dA cosq (1.8)輻亮度隨

10、波長(zhǎng)變化，且具有方向性，L=L(l,j,q)，其中方位角j，觀測(cè)角q。輻亮度是遙感中的最重要的基本物理量。輻亮度的特點(diǎn)之一是與距離無(wú)關(guān)性?？紤]與圖1.3所示的兩個(gè)面元。若兩個(gè)面元的面積分別為dA1、dA2，距離為r, 面元之間的輻射通量矢量為F，兩個(gè)面元中心的連線與各自的法線夾角分別為q1、q2，面元1向面元2所張開的立體角為dW1，面元2向面元1所張開的立體角為dW2，假設(shè)dF1為離開dA1的通量，dF2為dA2接收的通量，則輻亮度分別為：L1=, L2=由于d2F1=d2F2，因此L1dA1cosq1dW1= L2dA2cosq2dW2 。而根據(jù)立體角的定義，dW1dA2 cosq2 /

11、r2，dW2dA1 cosq1 / r2 ，因此可以得到 L1 = L2 。圖1.3 輻亮度與距離無(wú)關(guān)的示意圖海洋遙感中，有以下輻亮度參數(shù)：1) 剛好處于水表面以下(just beneath water surface)的輻亮度符號(hào)Lu(0-)表示剛好處于水表面以下的向上(upwelling)輻亮度;0-含義為剛好處于水表面以下。2) 水體剖面向下/向上輻亮度符號(hào)Lu(z)表示水下z深度處的向上輻亮度;深度z的單位為米(m)。3) 離水輻亮度(water-leaving radiance)符號(hào)Lw ，含義為經(jīng)水氣(water-air)界面反射和透射后的Lu(0-), 應(yīng)該加上角度 (1.9)其

12、中：n - 位水體折射系數(shù)，一般取1.34；rwa - 水氣界面的反射率，與海面粗糙度、入射角度有關(guān)。本規(guī)范中，可簡(jiǎn)單地令Lw = 0.54 Lu(0-)。4) 歸一化離水輻亮度LWN=LW*F0/Es含義：把太陽(yáng)移到到天頂，把大氣去掉。這是目前最簡(jiǎn)單的、廣泛使用的定義。更精確的定義，需要考慮水體的雙向反射率特性，可參見Morel & Gentili(1991,1993,1996) 以及Mueller & Fargion (2003)。*5) 遙感反射比(remote sensing reflectance) Rrs=Lw/Ed(0+)=Lwn/<F0>1.1.7

13、漫輻射體與朗伯余弦定律輻射亮度與方向無(wú)關(guān)的輻射源就是漫輻射源。設(shè)垂直于漫輻射面和與輻射面法線方向交角為q的輻射強(qiáng)度分別為I0和Iq，根據(jù)輻亮度與輻射強(qiáng)度的定義，有L = I0 /DA = Iq / DA cosq，因此，Iq I0 cosq (1.10)由此說明，理想漫輻射面的輻射強(qiáng)度按余弦定律變化。因此理想漫射表面也稱為余弦表面，或朗伯(Lambertian)表面。根據(jù)輻亮度與輻照度的定義：E = dF / dA, 而d2F L cosq dW dA, dFò2pd2F = (ò2p L cosq dW) dA，因此E = ò2p L cosq dW (1.11

14、)由于漫射體的輻亮度L0與方向無(wú)關(guān)，因此漫射體的出射輻照度與輻亮度的關(guān)系為： E = L0 ò2p cosq dW L0 ò2p cosq sinq dqdj = p L0對(duì)于理想的漫反射表面，即朗伯表面，不管入射輻射的方向如何，其漫反射后的各方向上的輻射亮度相同，即滿足輻射強(qiáng)度分布服從余弦定律。其輻射亮度只與其反射比和入射輻照度有關(guān)。M = r E (1.12)其中M為漫射表面的輻射出射度，E為入射輻照度，r為反射比。因此朗伯面的輻亮度，L = M / p = rE / p (1.13)1.1.8 輻射測(cè)量的基本定律設(shè)輻射強(qiáng)度為I的點(diǎn)輻射源，平面A上點(diǎn)P與點(diǎn)源的連線與平面

15、法線夾角為q，點(diǎn)源距離P點(diǎn)的距離為r。由點(diǎn)源到達(dá)點(diǎn)P周圍dA面積上的輻射通量dF = I dW，dW為點(diǎn)源向dA所張開的立體角。而輻照度E= dF/dA = (dF/dW)(dW/dA)= I (dA cosq /r2) / dA= I cosq /r2。 (1.14)由此可以得到輻射測(cè)量中的重要關(guān)系：(1) 輻照度隨距離的平方反比關(guān)系;(2) 平面輻照度與輻射強(qiáng)度的余弦關(guān)系。=本節(jié)參考書：Jerlov, 1976: Marine Optics劉景生，1992：紅外物理=思考題：1 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)板反射率為r(l)，已定標(biāo)的光譜輻亮度計(jì)(地物光譜儀)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)板水平放置于地表，儀器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度信號(hào)

16、為L(zhǎng)(l)。計(jì)算地表入射輻照度。2 給定距離標(biāo)準(zhǔn)燈50cm處的輻照度為E0(l)，距離標(biāo)準(zhǔn)燈r處垂直放置一個(gè)反射率為r(l)的標(biāo)準(zhǔn)板（漫反射板、朗伯板）。待標(biāo)定儀器450測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板，輸出數(shù)碼值為DN(l)，求儀器的定標(biāo)系數(shù)。E0(l)*(50/r)2*r(l)*/pi=LóDN3已知平均日地距離處垂直入射的太陽(yáng)輻照度，計(jì)算其輻亮度。 查太陽(yáng)有關(guān)常數(shù)：太陽(yáng)半徑，日地距離，F(xiàn)0 ,根據(jù)有關(guān)原理進(jìn)行計(jì)算。=1.2 黑體輻射1.2.1 波長(zhǎng)、波數(shù)與頻率1）波長(zhǎng)l，光學(xué)遙感中一般用mm或nm；2）波數(shù)n1/l，一般為cm-1； 例如波長(zhǎng)l500nm對(duì)應(yīng)的波數(shù)為n1/(500*10-7)2000

17、0cm-13）頻率fc0/l，單位為1/s，其中c0為光速。1.2.2 普朗克(Planck)定律所有物體都在不斷地發(fā)射和吸收輻射能量。如果一個(gè)表面的輻射特性是唯一由其溫度決定的且是光譜連續(xù)的，則稱為黑體。黑體表面是朗伯面，且在熱平衡的條件下，其發(fā)射的能量等于其吸收的能量。黑體輻射出射度M，由Planck公式表述。如果用波長(zhǎng)表示，M(l,T)dl=dl (1.15)其中：光速c0 =2.9979×108（m/s），普朗克常數(shù)h=6.625×1034（W s2或Js），波爾茲曼(Boltzman)常數(shù)k=1.38×1023（J/K）。如果用波數(shù)表示，M(n,T)dn

18、=dn (1.16)如果用頻率表示，M(f,T)dn=df (1.17)在具體計(jì)算時(shí)，注意：1）帶入的參數(shù)單位應(yīng)統(tǒng)一在：長(zhǎng)度m, 時(shí)間s, 溫度K；2）M(l,T) = M(n,T)n2 ；3）M(l,T)的單位一般采用W / m3 或W / cm2 mm或W / m2 mm，但需進(jìn)行數(shù)量級(jí)修訂。圖1.4 黑體輻射隨波長(zhǎng)的變化1.2.3 Wien位移定律所有的黑體輻射與輻射波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系都是雙值的，且在某一個(gè)波長(zhǎng)上有最大值；最大值處的波長(zhǎng)與黑體溫度成反比，即溫度越高，最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越短。這就是維恩(Wien)定律。參見圖1.4。Planck公式可以表示為：M(l,T) = (1.18)其中c

19、1 = 2pc0h = 3.741×108 W/m2 mm4，c2 = c0h/k =1.439×104 mm K。令dM/dl = 0，可得：+=05l= (1.19)令x=c2/lT，則上式變?yōu)椋?(ex-1) = xex ，這是一個(gè)超定方程，其解x = 4.965。因此，最大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為：lmaxc2 / 4.965 T = 1.439×104(mm K)/4.965 T(K)lmax(mm)=2898.3/T (1.20)由此可得太陽(yáng)輻射的最大值出現(xiàn)在2898.3/6000=0.48mm，250C左右的海水的輻射峰值出現(xiàn)在10mm左右。同時(shí)，可以看到，人類

20、所看到的白色光，實(shí)際上是在蘭光有一個(gè)峰值的光。光學(xué)遙感最基本的常數(shù)平均日地距離處大氣層外太陽(yáng)輻照度光譜，參見圖1.5。圖1.5平均日地距離處大氣層外垂直入射太陽(yáng)輻照度光譜1.2.4 Rayleigh-Jeans定律對(duì)于波長(zhǎng)很長(zhǎng)的波段，如在微波波段，公式(4.15)分母中的e指數(shù)項(xiàng)hc0/lkT變得很小，例如，當(dāng)lL1cm=10000mm時(shí)，溫度273K時(shí)，hc0/lkT0.00527。此時(shí)，ex =1+x，則公式(1.15)變?yōu)椋篗(lL,T) = (1.21)即很長(zhǎng)的波段，黑體輻射與溫度成正比。1.2.5 Stephen-Boltzman定律如果考慮所有頻率上的黑體輻射， M(T)= =sT

21、4 (1.22)其中s5.67032×108W/m2K4為斯忒藩波爾茲曼（Stephen-Boltzman）常數(shù)。此公式表明，總輻射度與溫度的4次方成正比，如果溫度有微小的變化，就可導(dǎo)致輻射出射度很大的變化。1.2.6 基爾霍夫(Kirchoff)定律 在達(dá)到熱平衡的狀態(tài)下，物體吸收的能量等于發(fā)射的能量。 =本節(jié)參考書：劉景生，1992：紅外物理。兵器工業(yè)出版設(shè)。Maul, G. A. 1985: Introduction to Satelite Oceanography. Martinus Nijhoff Publishers =習(xí)題：1 軟件實(shí)現(xiàn)Planck函數(shù)，光譜范圍0.35

22、15mm。2 計(jì)算300K黑體在10.5 11.5mm, 11.512.5mm兩個(gè)波段光譜輻亮度假設(shè)為矩形光譜響應(yīng)；并轉(zhuǎn)換為波數(shù)單位和頻率單位。3 用MATLAB求解Wien定律。4 根據(jù)物體的輻射特性，假設(shè)汽車黑漆的反射率2%，銀白色漆的反射率80%，問在冬季和夏季，哪個(gè)車的內(nèi)部溫度早上更舒適、白天駕駛時(shí)更節(jié)省能量？5 數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)的白平衡的目的是什么？簡(jiǎn)單描述晴天太陽(yáng)光、室內(nèi)白熾燈時(shí)的情況。設(shè)人腦對(duì)所有光線下的物體都可以還原為太陽(yáng)光下的物體顏色=1.3 輻射傳輸1.3.1 介質(zhì)的固有光學(xué)特性光在傳輸過程中，受到介質(zhì)的吸收和散射。介質(zhì)的光譜吸收(absorption)系數(shù)a(l)、散射(

23、scattering)系數(shù)b(l)、散射相函數(shù)P和光束衰減(beam attenuation)系數(shù)c(l)為其固有光學(xué)特性（Inherent Optic Properties, IOPs）。這些特性不隨入射光場(chǎng)分布與強(qiáng)度變化而變化。設(shè)有一介質(zhì)薄層，其厚度為dr，入射光束的輻射通量為F，在沒有散射的情況下，經(jīng)過該薄層介質(zhì)后，該光束的通量損失dFa，則吸收系數(shù)a定義為：a = (1.23)吸收系數(shù)a的單位為m-1。類似地，在僅有散射的情況下，經(jīng)過該薄層介質(zhì)后，該光束的通量損失dFs，則散射系數(shù)b可以定義為：b = (1.24)而光束衰減系數(shù)c = a + b,c = (1.25)圖1.6 吸收與散

24、射系數(shù)的定義示意圖需要非常注意地是，此處所有的定義均是針對(duì)“光束”(beam)的，而不是2p空間的入射光場(chǎng)分布。針對(duì)整個(gè)光場(chǎng)分布的是“漫衰減系數(shù)”(diffuse attenuation)，參見1.3.2節(jié)：“介質(zhì)內(nèi)部的光場(chǎng)漫衰減”。 固有光學(xué)特性(IOPs)的另外一個(gè)重要參數(shù)是體散射相函數(shù)（Volume scattering phase function）或其歸一化后的散射相函數(shù)（scattering phase function）。該參數(shù)決定了光場(chǎng)強(qiáng)度的角度分布。所謂體散射相函數(shù)，是指單位體積上單位入射輻照度在特定方向上的輻射強(qiáng)度。考慮介質(zhì)的一個(gè)很小的體積dV，一入射光束的輻照度為Ein

25、，從該體積介質(zhì)散射出來(lái)的（q, f）方向上的光，可以看作是點(diǎn)光源發(fā)射出來(lái)的輻射強(qiáng)度dJ(q,f)。則體散射相函數(shù)b(q,f)為：b(q,f) = (1.26)其單位為：m-1sr-1。參見圖1.7。 圖1.7 體散射函數(shù)的定義示意圖由體散射相函數(shù)導(dǎo)出散射系數(shù)b：b= (1.27)在圖1.7中，由于散射強(qiáng)度與方位角無(wú)關(guān)，因此，b= (1.28)散射相函數(shù)P(q,f)的定義為： P(q,f)=4pb(q,f) / b (1.29)P的單位是sr-1。由此，可得ò4pP(q,f)dW4p 。不同粒子的散射相函數(shù)參見圖1.8。圖1.8 不同粒子的散射相函數(shù)示意圖 很多時(shí)候，我們用到單次散射反

26、照率(Single scattering albedo) w0b/c 。根據(jù)光束衰減系數(shù)，可以定義幾何厚度z、光束方向與法線方向夾角為q的介質(zhì)光學(xué)厚度(Optical thickness) t 為：t 無(wú)量綱 (1.30)散射系數(shù)又可以分為前向散射系數(shù)bf和后向散射系數(shù)bb , 并可由此定義前向和后向散射比例。1.3.2 介質(zhì)內(nèi)部的光場(chǎng)漫衰減現(xiàn)以無(wú)限深水體的向下輻照度Ed為例。剛好在水表面下(just beneath the surface, 0-m)的Ed(0-)與某一深度z處的輻照度Ed(z)的關(guān)系為： (1.31)其中，Kd(z)為Ed在深度z的漫衰減系數(shù)(diffuse attenua

27、tion coefficient)，因此有： (1.32)差分運(yùn)算為： Kd(z) = (1.33)如果z1z2深度范圍為均勻混合水層，其中z1z2深度范圍的Kd(z)基本是常數(shù)Kd，則可導(dǎo)出 Ed(z2)=Ed(z1)exp(-Kd z) (1.34)任何介質(zhì)，a< K < a + b，Monte Carlo模擬表明Gordon(1989a)， , D0»1/cosq0w q0<600時(shí)其中q0w為水下太陽(yáng)天頂角1.3.2 輻射傳輸方程由于介質(zhì)中某一光場(chǎng)的分布是多次散射、吸收的結(jié)果，同時(shí)與邊界條件，如太陽(yáng)入射角度、地面或水面的反射、大氣散射、熱輻射特性等有關(guān)。光場(chǎng)

28、是與角度有關(guān)的。定義如圖1.9所示的坐標(biāo)系。Z圖1.9 輻射傳輸方程的導(dǎo)出示意圖考慮經(jīng)過介質(zhì)內(nèi)部任意薄層(z, z+dz)的某一方向(q,f)的輻射亮度L的變化過程，考慮以下4項(xiàng)：1)該方向上的光束衰減，W - W；2)其他所有4p方向上的光在該薄層散射進(jìn)入該方向的輻射，W - W；3)光源S經(jīng)過斜程厚度zsecq0的介質(zhì)后，在本層產(chǎn)生的散射，進(jìn)入到該方向的輻射dW0 - W；4)該層本身產(chǎn)生的黑體輻射 Em - W。參見公式(1.25)，光束衰減系數(shù)的定義：dL = L(z+dz,W) L(z, W) = cL(W)dz/cosq (1.35)或 (q,f) (1.36)對(duì)于其他方向的輻射的

29、散射dL(q,f)= (1.37)介質(zhì)外光源S的輻亮度為L(zhǎng)0d(cosq-cosq0)d(f- f0)經(jīng)過z/cosq距離后到達(dá)該薄層，其亮度變?yōu)椋篖0(z) = L0(0)exp(-)=L0exp- t(z) secq0， (1.38)L0(z)散射到(q,f)方向的輻亮度為：dL(q,f)=b(z,q0,f0,q,f)L0d(cosq-cosq0)d(f- f0)exp- t(z) secq0 (1.39)對(duì)于該薄層的輻射，假設(shè)該薄層溫度為T，若是黑體其輻射出射度為Em；根據(jù)基爾霍夫(Kirchoff)定律，熱平衡狀態(tài)下物體發(fā)射的能量等于吸收的能量，因此出射該層的輻照度為aEm：dL =

30、a Em/p = (c b) Em/p (1.40)由以上可得：(q,f)b(q0,f0,q,f)L0exp- t(z) secq0aEm(Tz)/p (1.41)兩邊同時(shí)除以c, 且根據(jù)w0=b/c，P=4pb/b，dt = c dz可得： = L(q,f)P(q0,f0,q,f)L0d(cosq-cosq0)d(f-f0)exp-t(z)secq0 (1-w0)Em(Tz)/p (1.42)如果是可見光近紅外波段，可以忽略第4項(xiàng)；如果是熱紅外波段可以忽略第三項(xiàng)。輻射傳輸方程是一個(gè)復(fù)雜的微分積分方程，目前有多種數(shù)值解法，常用的包括逐次散射法(successive order of scatt

31、ering, SOS)、離散坐標(biāo)法(discrete coordinate)、矩陣算子法(Matrix operator)、不變嵌入法(Invariant Imbedding)等。具體參見：=Kuo_Nan Liou(廖國(guó)男):An Introduction of atmospheric radiation【大氣輻射導(dǎo)論】尹宏，1993：大氣輻射學(xué)基礎(chǔ)。氣象出版社。Eric Vermote,et al, 1997：6S User Manual 2.0MODTRAN Manual=1.4 太陽(yáng)光與大氣、地表的相互作用1.4.1 大氣層外太陽(yáng)輻照度在可見光與紅外遙感中，大氣層外的太陽(yáng)輻照度是重要的

32、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)是Neck & Labs(1984)的數(shù)據(jù)，參見圖1.5。地球觀測(cè)系統(tǒng)委員會(huì)(CEOS)的定標(biāo)檢驗(yàn)組(WGCV)推薦使用G. Thuillier et al(2003)的結(jié)果Solar Physics, 214(1):1-22. 1.4.2 大氣對(duì)輻射信號(hào)的衰減 大氣吸收 大氣分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化產(chǎn)生微波和遠(yuǎn)紅外的輻射和吸收，分子內(nèi)部原子的振動(dòng)能級(jí)變化產(chǎn)生近紅外輻射和吸收，而原子的電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生紫外和可見光的輻射和吸收。由于這些能級(jí)是離散的，因此，大氣吸收光譜位置、形狀和強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的變化。如果知道每個(gè)吸收譜線的特性，可以逐個(gè)積分而得到某一個(gè)帶

33、寬內(nèi)的總吸收，但這個(gè)計(jì)算量非常大。因此一般采用等效波段內(nèi)的吸收來(lái)進(jìn)行一般遙感中的吸收計(jì)算。例如，MODTRAN采用5cm-1的分辨率，6S采用10cm-1的光譜分辨率。 1)可見近紅外波段的大氣吸收?qǐng)D1.11 可見近紅外波段的大氣總吸收?qǐng)D1.12 近紅外波段大氣總吸收?qǐng)D1.13 中紅外大氣透過率在0.42.5mm波段范圍內(nèi)，幾種主要?dú)怏w是水汽、臭氧、二氧化碳、氧氣等，其吸收光譜位置分別參見圖1.14 (a) (f)。圖1.14(a) 水汽(H20)透過率 圖1.14(b) 臭氧透過率圖1.14(c) 二氧化碳(CO2)透過率 圖1.14(d) 氧氣(O2)透過率圖1.14(e) 氧化氮(N2O

34、)透過率 圖1.14(f) 甲烷(CH4)透過率 2)紅外波段的大氣吸收 在紅外波段，最主要的吸收氣體是水汽、二氧化碳、臭氧、氮?dú)猓謩e參見由MODTRAN計(jì)算的透過率，圖1.15。圖1.15 MOTRAN計(jì)算的紅外波段大氣總透過率(中緯度夏季)圖1.16(a) 水汽透過率 圖1.16(b) 二氧化碳透過率 圖1.16(c) 臭氧()與氮?dú)?-)透過率 圖1.16(d) 其他氣體透過率 大氣散射大氣散射包括大氣分子的Rayleigh散射和大粒子氣溶膠的Mie散射。具體的計(jì)算方法在大氣校正部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖1.17 分子散射與氣溶膠散射對(duì)直射透過率的影響(中緯度夏季、海洋型氣溶膠

35、、能見度23公里)1.4.3 典型地物反射特性在遙感中，幾種典型地物是：水體、植被、土壤、冰雪。這些地物的特征有著明顯的區(qū)別，并涵蓋通常的衛(wèi)星大氣地表信號(hào)范圍。在遙感中，往往是要根據(jù)這些地物的不同光譜特征，采取不同的反演算法或近似策略。典型的地物反射率參見圖1.18。圖1.18 6S給出的典型地物反射率-思考題：試分析和評(píng)價(jià)MODIS的波段配置。-1.4.4 遙感觀測(cè)信號(hào)的構(gòu)成分析遙感器的觀測(cè)信號(hào)，由大氣散射、經(jīng)大氣衰減后的地表反射信號(hào)構(gòu)成。具體涉及到太陽(yáng)位置、觀測(cè)幾何、大氣光學(xué)特性（氣象條件）、地物光譜與空間分布構(gòu)成等因素影響。由于遙感器接收到絕對(duì)光譜輻亮度信號(hào)受光源的光譜特性影響，不利于表

36、征大氣或地物的內(nèi)在光譜吸收與散射特性，因此定義表觀反射率信號(hào)：r(l)= (1.43)其中L為輻亮度，mscos(qs)，qs為太陽(yáng)天頂角，Es為垂直于太陽(yáng)光線的平面上的大氣層外太陽(yáng)輻照度。SunSensor關(guān)于太陽(yáng)角度和觀測(cè)角度的定義，參加下圖。 圖1.19 太陽(yáng)與觀測(cè)幾何定義 到達(dá)地面的輻照度1）太陽(yáng)直射輻照度 (1.44) 其中t為大氣光學(xué)厚度，exp(-t/ms)為大氣對(duì)太陽(yáng)直射光的大氣透過率或光束透過率。2）天空漫射輻照度 (1.45) 其中td(qs)為太陽(yáng)漫射透過率。3) 地表與大氣之間的多次散射漫射輻照度 (1.46)其中rt為地表反射率，S為大氣的球反照率（sp

37、herical albedo of the atmosphere）。根據(jù)等比級(jí)數(shù)的計(jì)算公式，上式可以寫為： (1.47)其中T(qs)為總透過率，且T(qs)exp(-t/ms)+td(qs)，因此，總的到達(dá)地面的輻照度為： (1.48) 均勻一致朗伯地物的地表與大氣信號(hào) 1) 觀測(cè)像元的經(jīng)大氣光束衰減后的地表反射信號(hào) (1.49)其中mvcosqv，qv為遙感器觀測(cè)天頂角，exp(-t/mv)大氣的直射透過率。 2）大氣對(duì)太陽(yáng)光的散射信號(hào) msEsra(qs,qv,fs-fv) (1.50) 3）周圍像元的信號(hào)貢獻(xiàn) (1.51)這是在地面目標(biāo)均勻一致、且具有朗伯表面前提下的公式

38、。根據(jù)互易定律，其中的td(qv)td(qv)。定義T(qv)exp(-t/mv) + td(qv)。因此，總的衛(wèi)星信號(hào)，即表觀反射率r*為：r*ra(qs,qv,fs-fv) ra(qs,qv,fs-fv) (1.52) 大氣吸收對(duì)遙感總信號(hào)的影響分析 在即可見近紅外波段，基本上只需要考慮水汽，臭氧，氧氣和二氧化碳，且在0.41.5mm范圍內(nèi)，只需要考慮水汽，臭氧和氧氣。由于臭氧主要集中在20km以上的高空，因此可以在總信號(hào)上進(jìn)行修正： TgO3(qs,qv,UO3)=TgO3(qs,UO3)TgO3(qv,UO3) (1.53)氧氣在很窄的波段內(nèi)發(fā)生，因此，也同樣可以類似地進(jìn)

39、行總信號(hào)的修正。TgO2(qs,qv,Uo2)=TgO2(qs,UO2)TgO2(qv,UO2) (1.54)水汽和二氧化碳主要在近紅外波段，這些波段上的Rayleigh散射非常微弱，因此只需要考慮其對(duì)氣溶膠散射地影響。另外，由于二氧化碳是均勻分布在大氣中的，而水汽的垂直分布有很大的變化，在水汽和二氧化碳的弱吸收波段，可以按下面水汽的三種典型情況處理。假定水汽分布有三種情況： 1) 水汽在氣溶膠以下，最小吸收情況；2) 平均情況，即一半的水汽吸收氣溶膠的散射信號(hào)；3) 水汽在氣溶膠以上，此時(shí)水汽有最大吸收。分別令i=1,2,3代表這三種情況，則大氣層外(Top of Atmosphere, T

40、OA)信號(hào)可以用下列公式表示： (1.55)其中，rR表示大氣分子散射，rA表示氣溶膠散射，rR+A表示大氣分子與氣溶膠之間的包括多次散射在內(nèi)的大氣總的散射，TOGg表示其他吸收氣體的透過率： TOGg(qs,qv) = PTig(qs,qv,Ui) (1.56) 環(huán)境像元對(duì)觀測(cè)像元信號(hào)的影響首先假設(shè)一個(gè)反射率為rc(M)的目標(biāo)被均勻的反射率為re(M)的地物所包圍。此時(shí)，衛(wèi)星遙感器接收到的表觀反射率為：r*ra(qs,qv,fs-fv) (1.57)如果考慮周圍地物不均勻，定義具有平均效果的等效環(huán)境反射率為<r(M)>，則公式變?yōu)椋簉*ra(qs,qv,fs-fv)

41、 (1.58) 但，周圍像元對(duì)觀測(cè)像元的影響是與距離成反比的。<r(M)>可以表達(dá)為：圖1.20 周圍像元的影響示意圖 (1.59)其中：r(x,y)為周圍(x,y)點(diǎn)像元的反射率(原點(diǎn)在觀測(cè)像元中心)，e為(x,y)點(diǎn)反射率對(duì)td的相對(duì)貢獻(xiàn)。 地物雙向反射率特性的影響所謂二向性反射率和雙向反射率(Bidirectional Reflectance)是指地物的反射率隨入射方向和反射方向而變化的特性。實(shí)際地物目標(biāo)的反射率都是具有方向性的,是入射方向和觀測(cè)方向的函數(shù)。雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Funct

42、ion, BRDF)的定義是(李小文,王錦地1995)：BRDF(Wi, Wr) = (1.60)單位是sr-1。式中Wi表示在(qi, fi)入射方向上的非常小的立體角，Wr表示在(qr, fr)反射方向上的非常小的立體角。dE(Wi)表示由于入射方向Wi上入射輻亮度的改變，導(dǎo)致在微分面元dA上的輻照度的改變；dL(Wr)是因?yàn)槿肷漭椪斩鹊淖兓鸬?qr, fr)反射方向上的輻亮度變化。參見圖1.21。圖1.21 二向性反射分布函數(shù)定義示意圖雙向反射率特性的主要作用是目標(biāo)對(duì)直射太陽(yáng)光的不同方向的反射，特別是前向熱點(diǎn)(forward hot-spot)和后向熱點(diǎn)(backward hot-

43、spot)，即在反射方向和反入射方向信號(hào)有明顯的增強(qiáng)。天空光分布的不均勻性，導(dǎo)致雙向反射率的修正困難，但是次要貢獻(xiàn)。由此導(dǎo)致雙向地表大氣系統(tǒng)的信號(hào)與朗伯表面的地表大氣系統(tǒng)信號(hào)有相當(dāng)大的差異。另外值得注意的是測(cè)量中使用的標(biāo)準(zhǔn)板的雙向反射率校正。 1) 太陽(yáng)直射光經(jīng)雙向反射后進(jìn)入遙感器的信號(hào) (1.61) 2) 天空漫射光經(jīng)雙向反射后進(jìn)入視場(chǎng)的信號(hào)td(ms)<rt(ms, mv,f)>exp(-t/mv)= td(ms)exp(-t/mv)= td(ms) exp(-t/mv) (1.62) 3) 太陽(yáng)直射經(jīng)目標(biāo)反射到其他方向再經(jīng)大氣散射后進(jìn)入遙感器視場(chǎng) 根據(jù)互易定律，td(mv)&

44、lt;rt(ms, mv,f)>exp(-t/ms)td(qv)<rt(mv, ms,f)>exp(-t/ms) (1.63) 4) 漫射天空光經(jīng)目標(biāo)反射后再經(jīng)大氣散射進(jìn)入遙感器視場(chǎng) 此項(xiàng)修正較弱，且趨于各向同性(isotropic)，因此可以利用目標(biāo)的半球反射率(即等效的各向同性反射率)進(jìn)行計(jì)算。l 典型地物的衛(wèi)星遙感器總信號(hào)。=二向性部分參考文獻(xiàn)：李小文，王錦地,1995: 植被光學(xué)遙感模型與植被結(jié)構(gòu)參數(shù)化?？茖W(xué)出版社。Vermote, Eric, & D. Tanre, et al, 1997: Second Simulation of the Satellit

45、e Signalin the Solar Spectrum (6S), User Manual, 2.0=習(xí)題：1 試用6S計(jì)算MODIS、ETM+或自己感興趣的遙感器在不同地物、不同方向特性目標(biāo)的大氣層外總信號(hào)2 閱讀6S手冊(cè)、Debug分析6S源代碼。SeaDAS1.5 水色遙感信號(hào)分析水色遙感要考慮的要素參見下圖。一類水體水色遙感信號(hào)的各種要素水色遙感器接收到的總信號(hào)Lt可表示為(省略波長(zhǎng)l)：Lt=Lr+La+Lra+TLg+tLf+tLW (1.64)其中： Lr 為大氣分子的Rayleigh散射； 注：在Gordon模型中，Lr、La已包括散射光在海面的反射和太陽(yáng)直射光在海面反射后

46、在大氣中的散射 La 為氣溶膠散射； Lra 為Rayleigh與氣溶膠之間的多次散射； Lg 為太陽(yáng)光在海洋表面的反射信號(hào)(sun-glint), T為光束透過率(beam transmitance)；Lf 為海洋表面泡沫信號(hào)，t為大氣漫射透過率(diffuse transmitance)； LW 為離水輻亮度； 目前Lr已經(jīng)可以很精確地得到，Gordon & Wang, 何賢強(qiáng)等已給出,該數(shù)據(jù)表格隨SeaDAS軟件一起免費(fèi)提供。關(guān)鍵是氣溶膠散射La和多次散射項(xiàng)Lra的處理。1.6 遙感儀器的輻射定標(biāo)遙感儀器(包括衛(wèi)星遙感器和與遙感有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)儀器)的絕對(duì)輻射定標(biāo)是定量化遙感的基礎(chǔ)

47、。而海洋水色遙感和紅外遙感都是對(duì)定量化要求非常高的。這里的定標(biāo)(Calibration)是指數(shù)碼值到輻射值的轉(zhuǎn)換。有些人員稱為“輻射校正”，但容易和大氣修正和大氣校正(Correction)中的“校正”相混淆，因此本文的定標(biāo)就是Calibration, 而修正和校正，要看具體的情況。在通常情況下，遙感器的絕對(duì)輻射定標(biāo)，按照習(xí)慣，也稱為輻射校正。Calibration: The process of quantitatively defining the system responses to known, controlled signal inputs.Validation: The process of assessing, by independent means, the quality of the data products derived from the system outputs.From : /wgcv/wgcv.htm定標(biāo)(