海洋監(jiān)檢測人員三期培訓光學與遙感

目錄1水色遙感簡介1.11.2目錄1水色遙感簡介1.11.2遙感物理基礎1146623遙感輻射定標3.13.2大氣校正算法4.1HY-1A/COCTS4.2海洋水色反演算法451.1水色遙感簡1.1水色遙感簡1978年美國航空航天局(NASA)成功發(fā)射世界上第一臺星載水色掃描儀CZCS(coastalzonecolorscanner)以來，許多國家都陸續(xù)發(fā)射了多臺肩負不同使命的海洋20成為繼美國、日本、歐盟等之后第七個擁有自主海洋水色衛(wèi)星的國家。2007年4月11日，1986年，提供了大量的全球性海洋觀測數(shù)據(jù)，引起了各國對海洋衛(wèi)星遙感的關注。有（SeaiFS色水溫掃描儀(OCTS)、地球反射偏振和方向性探測儀(POLDER)、中分辨率光譜成像儀海洋多光譜掃描成像儀(OSMI)以及海洋水色照相儀(OCI)等的衛(wèi)星，極大地推動了海洋儀(VIIRS)、地球靜止海洋水色成像儀(GOCI)、海洋和陸地顏色儀(OLCI)、第二代海洋水11.監(jiān)視儀(OCM-2)、第二1.監(jiān)視儀(OCM-2)、第二代全球成像儀(SGLI)、超光譜成像儀(HSI)等，這些傳感器的VIIRS，VIIRSMODIS的傳感器，搭載在美國國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預備計劃NPP及美國國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)計劃仿，7個水色波段分辨率為800m，全部分布在可見光與近紅外波段。美國國家航空航天局GOCIGOCI高，歸功于CMOS凝視技術的使用，輻射精度校正誤差小于3.8%。OLCIMERIS的基礎上發(fā)展起來的，共16個波段，多11.02μm波段來增強大氣和氣溶膠校正功能，搭載在歐洲“全球環(huán)境監(jiān)測與安全(GMES)衛(wèi)星上。OLCI5個傾斜的可見光和熱紅外相機組成，對海岸帶和陸地的空間分辨率為300m，對寬闊OLCI遙感海洋水色的能力。一重大研究的需要，海洋生物處理工作組（OBPG）對長時間序列海洋水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)的2012SeaWIFS21.（Gordon，191.（Gordon，1998（MOBY（Clark2003，歐洲的水色遙感器輻射定標的光學浮標(BOUSSOLE)（Antoineetal2008GordonWang等人針對一類水體提出的標準大氣校正算法已有將1994似為0的假設在光學成分組成復雜的二類水體海域并不成立，因此多年以來，二類水體2001)，基于氣溶膠近紅波段散射比值空間均勻性假設的校正方法(Ruddicketal.,2000)，基于紅光波段與近紅外波段離水輻亮度之間的經驗關系的區(qū)域算法(Ahnetal.,2012)，以及光譜形狀匹配法(Shanmugam&Ahn,2007)等，但是受氣溶膠時空分布變化巨大的限制，此0的假設進行渾濁水體的大氣校正(Wang,2007由于氣溶膠散射外推區(qū)間過大，校正結果不確定度依然很大，另外Knaepsetal.(2012)指出在1.24m波段渾濁水體的離水輻亮度貢獻仍然明顯，需要開發(fā)海洋二類水體大氣校2003201231.20025151.2002515日，我國第一顆海洋衛(wèi)星（HY-1A）的成功發(fā)射，實現(xiàn)了我國海洋衛(wèi)23年（6年了HY-1AK境停轉引起的圖像錯位和旋轉的難題；開發(fā)了多星融合處理技術，HY-1AHY-1B衛(wèi)星，我們開發(fā)了相鄰象數(shù)在軌估算及校正技術，解決了HY-1B衛(wèi)星輻射偏振校正難題，顯著提高了臨邊界區(qū)的41.782kmCAST20001.782kmCAST20003軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制模式，拓展在軌機動能力以解決太陽耀斑問題，在HY-1A/B基礎上優(yōu)化HY-1C/D衛(wèi)星的新型載荷，主要目需求，增加海岸帶成像儀的覆蓋寬度,50米，對所選譜段重新設定以更適合于海岸帶監(jiān)測。隨著我國在衛(wèi)星研制能力的增強，HY-1C/D衛(wèi)星的性能指標將有52遙感物理基-海洋這一耦合系統(tǒng)中的空氣和水體媒質中的復雜傳播過程。在這一傳播的過程中，光透過大氣、氣-水體中的物質發(fā)生一系列復雜的相互作用（如散射、吸收、發(fā)射等，其傳播的方向、輻2.1.1v、v2遙感物理基-海洋這一耦合系統(tǒng)中的空氣和水體媒質中的復雜傳播過程。在這一傳播的過程中，光透過大氣、氣-水體中的物質發(fā)生一系列復雜的相互作用（如散射、吸收、發(fā)射等，其傳播的方向、輻2.1.1v、v vvv的方向。zv下開始的。而任意的方向矢量可以表示為(x,y,z)v v=x+y+zxyzv與v的夾角；方位角xv逆時針方向進行測量，其中太陽直射光入射方位角o=0vv1=sin2=sins3=式中0，02。而在輻射傳輸方程更多的使用天底角的余弦值=61 23=1 23=任意兩個方向矢量v和v￠的夾角（如圖2.1所示）與和￠的關系vvvv++=1 2 3cos112cos.32.1角(Steradian)σr22.1r7ddsind式中θ和分別為極坐標系中的天底角和方位角。如果對式（2.7）進行積分，可以得到閉合球面所對應的立體角，其值為4πsr，即2sindd=d0 δ輻射傳輸理論中，經常使用函數(shù)（Diracdeltafunction）來指定方向[4]ddsind式中θ和分別為極坐標系中的天底角和方位角。如果對式（2.7）進行積分，可以得到閉合球面所對應的立體角，其值為4πsr，即2sindd=d0 δ輻射傳輸理論中，經常使用函數(shù)（Diracdeltafunction）來指定方向[4] vo0，當1且 vvv foovv其中f為任意關于方向的函數(shù)；o為指定方向的矢量；而o的單位為-v(-o) (-o)=(1fofdo而用于指定整數(shù)變量的函數(shù)[4]iii,j1ij1i,j2.1.2λλ+dλ微分面元dA，在給定方向微分立體角內的微分輻射能量dQdQLcos8vcosL(r;;;t)v其中r為位置矢量，mW/(m2·nm·sr)λλ+dλvcosL(r;;;t)v其中r為位置矢量，mW/(m2·nm·sr)λλ+dλv2蝌0vEd(r;;t)L(r;;sind同樣上行平面光譜輻照度（spectralupwardplaneirradiance）Euv2蝌0vEu(r;;t)L(r;;sind另外下行標量光譜輻照度（spectraldownwardscalarirradiance）Eod光譜輻亮度的關系可以2vvEod(r;;t)L(r;;;t)sind蝌02vvEou(r;;t)L(r;;;t)sind蝌0根據(jù)定義上述光譜輻照度的單位為mW/(m2·nm)vI(r;;;t)vvI(r;;;t)L(r;;10-50Km2.2.2(1)臭氧10-50Km2.2.2(1)臭氧吸臭氧在紫外和可見光范圍內均有吸收，其含量UO3通常用標準狀態(tài)下單位截面積的臭光學厚度為：O 33 UOUOexpb z33zz高度以上大氣臭氧的總含量，b是臭氧密度極大值所在的高度，c式中3(2)水汽吸2有吸收，其含量UHO通常用單位截面積（cm）的可降水量表示，單位為cm2收的光學厚度為：HOkHOUHO，kHO為水汽光譜比吸收系數(shù)。水汽吸收受 2.7μm(4)2.7μm(4)2.2.3利散射的散射系數(shù)bRay為83m23N2bRayz;Nz Ray03.9160.0740.0501P Ray011cos211cos2002211cos2P0P Ray011cos211cos2002211cos2P0022200000子900方向上的散射輻射垂直分量和水平分量比值，即。根據(jù) 的結論，采用0.0279。考慮I1111cos2cos20021211cos211cos23100P22221000121cos000對應的散射系數(shù)bRay為83m23N266bRayz;Nz(2) a)Jungenr式中nr為單位體積半徑處于[rrdr的粒子數(shù)（或數(shù)濃度c為常數(shù)v的取值一般在2~3之間。b)Deirmenjianab12bnrr13bbea)Jungenr式中nr為單位體積半徑處于[rrdr的粒子數(shù)（或數(shù)濃度c為常數(shù)v的取值一般在2~3之間。b)Deirmenjianab12bnrr13bber式中Gamma函數(shù)，a、b為控制粒徑分布的參數(shù)，當ra13b時具有最c)Lognormallnrln2 nrexpg2rLognormal譜即為對數(shù)正態(tài)譜，為lnr的均方差，rg為平均半徑，當rrgnrdr1 1908年，G．Mie對電磁波通過球形粒子的麥克斯韋方程組求解，得出球形粒子散射的解析表達式。在散射角為，離粒子球心足夠遠（即遠場區(qū)）2n; ;ru ;r ;ru 1nnnnnn;;r2nnnnn;ru ;r n1nn2式中ucos，nu、nu1coscos cos1nnsind cos1n式中 cos為第一類締合勒讓德多項式。a、b為Mie氏系數(shù)，計算公式為1n mx x mx /m/a; nnnn mxx mx n//nnnn mxx mx //;rnnn1coscos cos1nnsind cos1n式中 cos為第一類締合勒讓德多項式。a、b為Mie氏系數(shù)，計算公式為1n mx x mx /m/a; nnnn mxx mx n//nnnn mxx mx //;rnnnn mxx mx n//nnnnx2r（r為半徑），nxxjnx式中粒子復折射指數(shù)m x x， x、 x分別為球貝塞爾函數(shù)和第一類球漢克爾函數(shù)，上標“”nnnnp11;;rp12;;r00p33;;r00;;r00;;r00pP;;rp34;;r;;r;;rppPr p11;;rp12;;rSS2S8128212;;rp21;;rSSSp1 2;;rp;;rS S8122SS1S2S2;;;r ;rp28S;r 2 1Re ; ;enn;r;r 2 1Re ; ;enn;r 22 ;bn;r2sna;re;rs;r式中，ReX表示取復數(shù)X粒徑譜分布為n c ;rnreb ;rnrsacbP;;rnrP;nr2.3固有光學特性（inherentopticalproperties，IOPs）的定義為只依賴于介質本身特性的根據(jù)輻射傳輸理論，固有光學特性對光傳播的影響可以參見圖2.2Φi(λ)（單 nm）的單色光束垂直入射到體積為ΔV、厚度為Δr為根據(jù)輻射傳輸理論，固有光學特性對光傳播的影響可以參見圖2.2Φi(λ)（單 nm）的單色光束垂直入射到體積為ΔV、厚度為Δr為Φi(λ)-ΔΦi(λ)2.2定義固有光學特性的幾何示意圖lim1aa()?r÷)r?i體散射函數(shù)（spectralvolumescatteringfunction）β(Θ,λ) s()÷(,)=lim?r× i÷r0Φi(λ)落在面積為A，同時有s(Is()β(Θλ)又可表示為Is(,(,)=V?0Eim-1，并且由于在水體介質中發(fā)生的散射可以近似為沿輻射入射方向呈軸對稱分布，因此b(λ)與β(Θ,λ)的關系可以表示為：b()(,)d2m-1，并且由于在水體介質中發(fā)生的散射可以近似為沿輻射入射方向呈軸對稱分布，因此b(λ)與β(Θ,λ)的關系可以表示為：b()(,)d2(cos,)sin0其中后向部分對應的為后向散射系數(shù)（spectralbackwardscatteringcoefficient）bb(λ)，單位m-1，bb(λ)的表達式為：bb()2(cos,)sinp(cos,)(cos,單位為sr-1，并且根據(jù)式（2.272p(cos,)sind0p(cos,)p(,;,;m-c()a()率（singlescatteringalbedo）和光學厚度（opticaldensity，兩者的單位都為無量綱。單次散射反照率ωo(λ)定義為 b()a() os0非彈性體散射函數(shù)（spectralvolumeinelasticscatteringfunction）βI(Θλλ’)s0非彈性體散射函數(shù)（spectralvolumeinelasticscatteringfunction）βI(Θλλ’)s(1I(;,￠)=limlim?i(÷ⅱ￠0r0Is(,I(;,￠)=lim￠0 m-1·nm-1，其定義類似與式（2.25）的形式bI(,)I(;,)d2I(cos,)sin0pI(cos;,)I(;,bI(,表觀光學特性（apparentopticalproperties，AOPs）可以定義為不僅依賴于介質本身特（depth）z（m）EdEd(z;;t)Ed(0;;t) ò(z';-;t)dz犏犏其 是指水面以下（depth）z（m）EdEd(z;;t)Ed(0;;t) ò(z';-;t)dz犏犏其 是指水面以下0m處。Kd是光譜下行平面輻照度的漫衰減系數(shù)（spectralcoeficientdlnEd(z;;t) dEd(z;(z;;t)=K-E(z;ddvdL(z;;K(z;;;t)=L(z;;L光譜反射率（spectralirradiancereflectance）REu(z;Ed(z;R(z;;t)RLw(a;;;;t)E(a;saRrsradiance，Esirradiance2.4輻射傳輸方程（radiativetransferfunction，RTE）的建立為根據(jù)大氣-海洋中的生物地2.4輻射傳輸方程（radiativetransferfunction，RTE）的建立為根據(jù)大氣-海洋中的生物地2.4.1輻射傳輸方程的推導可以采用許多方法。Preisendorfer(1965)[3]從電磁場理論的麥克principalvLr;;;tvvvv1Lr;;;tLr;;;tJr;;;tvcvv式中vvr;t是介質中r處，t時刻，波長為λ的光速。其中方程右邊第一項表示的是vvfunctionvvLv有關，即L dL,,,L,,,J,,,海洋中的水體輻射傳輸模擬的區(qū)域主要由三個區(qū)域組成（如圖2.3所示Sww以及水體的上下邊界。水體的上邊界為氣-水界面Saw，而下邊界為底邊界wbS2.3w,在水體JJEJIJ ELE2.3w,在水體JJEJIJ ELE,,,JE,,,LEz;,;,;(z;,;,;) E(z,,,i2.20scEiEi(,)L(,)ddLE;,;,;0(,)p(;,;,;)L(,,,)d E而對式（2.47）兩邊同時進行全立體角積分可得到 ,,,E2JE,,,0(,p(;,;,;)L(,,,)d02LE,;,dd式中 ,,, E bI(,,)1c(,2JI,,, pI(;,;,;,2LE,;,dd式中 ,,, E bI(,,)1c(,2JI,,, pI(;,;,;,ddL,,, 0式中z()z()JJSS0,c(,)0 ST, ,,, ,,;,;)exp(/S owwwow分別為大氣和水體中太陽天頂角的余弦值，Sooo式中w而Tonw為氣-（2.48dL,2 p(;,;,;)L,,,dL,,,,00(,,) I c(,2 ;, ;ddIp dL,,, 0S0,,Sop(;o,o;,;)exp(/oc(,)0在氣-水界面Sa,2 t(a,w;,;;)Lw,,,ddLa,,,1 20r(a;,;;)La,,,d2 t(w,a;,;;)La,,,dLw,,,0 20r(w;,;;)Lw,,,d其中01La,10La,為水體上行總輻亮度。t(w,a;,;,;)為輻亮度在氣-水界面處由空氣進入水體的透射率分布函數(shù)，t(a,w;,;,; 位為sr-1。r(a,;,)和r(w位為sr-1。r(a,;,)和r(w,;,)分別為氣-w,b在底邊界r(b;,;,; 1L,,, 10ddL,,,b0b式中r(b;,;,)為底邊界反射率的分布函數(shù)，單位為sr-12-1所示?？偟膩碚f，本文的水體輻IOPAOP提供了一個理論框架，而且方程的組織方式在保留其適用范圍的2-層方編2 t(a,w;,;;)Lw,,dLa,,,1 20r(a;,;2-層方編2 t(a,w;,;;)Lw,,dLa,,,1 20r(a;,;;)La,,dSa,2 t(w,a;,;;)La,,ddLw,,,0 20r(w;,;;)Lw,,ddL,2 p(;,;,;)L,,,dL,,,,00bI(,,)1c(,2 pI(;,;,;,ddSw,L,,, 0S0,,Sop(;o,o;,;)exp(/oc(,)0r(b;,;,;21Sw,L,,, 10ddL,,,b0b33遙感輻射定33遙感輻射定3.1：FRSS03.13該檢測3該檢測方法采用具有特征發(fā)射光譜的LHM254汞燈作為波長校準光源對輻射計3.1.2（1）F為光譜輻照度。該項目的定標方法在可溯源的輻射照度標L033.3（aNIST1000WOL-FEL輻照度標準燈。 233.3（aNIST1000WOL-FEL輻照度標準燈。 2 0L3.1.345°方向進行測量，在測量過程中儀器的測光軸線與光學導軌的測光軸線處 2 0L3.53.2為滿足全球氣候變化這一重大研究的需要，美國航天航空局領導的NASAOceanBiology3.53.2為滿足全球氣候變化這一重大研究的需要，美國航天航空局領導的NASAOceanBiologyProcessingGroup（OBPG）對長時間序列海洋水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精度、一致性、連續(xù)性提出了非常苛刻的指標，其中離水輻亮度的指標要求獲取的絕對和相對精度分別在5%此對大氣頂輻亮度的長時間測量穩(wěn)定度要求控制在0.1%以內（Epleeetal.,2012。在這33.43.2.2遙感器的在軌定標(In-orbitabsolute33.43.2.2遙感器的在軌定標(In-orbitabsolute替代定標(Gordon&Evans1994)遙感器和業(yè)務化大氣修正算法二者的誤差，因此稱為“替代定標”(VicarousCalibration)[均勻亮度3“儀3“儀器+算法”(Sensor+Algorithm)的或“系統(tǒng)”定4.4大氣校正算對低反射率的水體，水色衛(wèi)星遙感器接收到的總輻亮度可由下式描述4.4大氣校正算對低反射率的水體，水色衛(wèi)星遙感器接收到的總輻亮度可由下式描述LtLrLaLraTdLgtvLwLwc式中，Lt為遙感器接收的總輻亮度，Lr為大氣分子瑞利散射輻亮度，La 為大氣分子和氣溶膠耦合散射輻亮度，Lg為太陽直射光在水面的面反射輻亮度，Lw為水面白沫反射輻亮度Td為海面到遙感器的大氣直射透過率tv為海面到遙感器的大氣漫射透過率。通LrLaLra）射輻射（LgLwc，獲得離水輻亮度的過程稱為大氣校正[71]。典型情況下，水遙感器接收總輻射的4.法的核心思想：假設近紅外兩個波段（750nm865nm附近）離水輻亮度近段的氣溶膠散射輻亮度，最終得到攜帶水色信息的各波段離水輻亮度。經過驗證，4.法的核心思想：假設近紅外兩個波段（750nm865nm附近）離水輻亮度近段的氣溶膠散射輻亮度，最終得到攜帶水色信息的各波段離水輻亮度。經過驗證，MOS、OSMI、SeaWiFSMODIS等水色衛(wèi)星遙感器大氣校正的業(yè)務算法。MERIS大氣LtLrsLatvLwLw圖7.1中各步驟的具體計算方法如下：Lwni,i1,2,...,tvi,i1,2,...,Lai,i1,2,...,La7LaLrsi,i1,2,...,Lti,i1,2,...,4.采用單次散射近似模式FPPrr0 4cos4.采用單次散射近似模式FPPrr0 4cos式中、coscos0cosvsin0sinvcos0Prr4為氣-1sin2tg2ffftg2fsinnwnw為水體折射率（=1.34），0、v分別為太陽天頂角和遙感器觀測天頂角，0、rF0r輻照度（11FFexpcos v0(2)La7Lt7Lrs(3),0expc08波段中心波長4., aLaF00, 4., aLaF00, 0LF 8獲得指數(shù)系數(shù)c、而利用cLa8Laii1,26tv,vtOZ,vtr,vta,v,vcosv,v式中，臭氧吸收透過率tOZ,vexpOZ大氣分子瑞利散射透過率tr,vexpr2cosv,v氣溶膠散射透過率ta,vexp1aFaacosv定取1aFa0.06。FaLwLtLrsLatv L2 wRt s式中，ts4.LtLpathtvLwc4.LtLpathtvLwctvLwtvLwccRwcF0cos0tvts式中，c為水體吸收修正系數(shù)，Rwc為白沫反射率，F(xiàn)0 為從水面到遙感器的大氣漫射透過率，ts為從大氣頂?shù)剿娴腞wc0.00000026式中，W10米高處的風速（單位：ms。大氣漫射透過率tv和tsLt的貢獻相對較小，故直接采用近似計算影響不大tvexpOZrtsexpOZr水體吸收修正系數(shù)c7-14.7.1測天頂角（v）和太陽-遙感器觀測相對方位角（，插值獲得對應的瑞利散射輻亮度Lr4.7.1測天頂角（v）和太陽-遙感器觀測相對方位角（，插值獲得對應的瑞利散射輻亮度Lr，并進行氣壓修正。LLt exp 1 ttvv0經此修正后，后續(xù)的計算不需要考慮臭氧吸收，只需將最后獲得的離水輻亮度乘以12345678cLwni,i1,2,...,tvi,i1,2,...,Lpathi,i1,2,...,Lri,i1,2,...,tviLwci,i1,Lti,i1,2,...,4.expOZcos0即可假設近紅外兩個波段的離水輻亮度為零（波長分別為nir1和，且Lpathnir1Ltnir14.expOZcos0即可假設近紅外兩個波段的離水輻亮度為零（波長分別為nir1和，且Lpathnir1Ltnir1Rnir1Lrnir1 Lrnir1Lpathnir2Ltnir2nirRLL nir nirRnir1Rnir2由)觀測天頂角（v）和太陽-遙感器觀測相對方位角（20種氣溶膠模Lpatha、b和c2)根據(jù)下式，由Rnir2值獲得 種氣溶膠模式對應的第nir2波段氣溶膠光學厚anir2b b2aR4c nir2nir2 nirnir2nir nirnir由anir220種氣溶膠模式對應的第nir1波段氣溶膠光學厚度anir1cextnir1 nir nir式中cext為氣溶膠衰減截面由anir1和系數(shù)anir1、bnir1、cnir1，根據(jù)式（5.9）計20種氣溶膠Rmodelnir1式對應的第nir1波段大氣程輻射和大氣瑞利散射輻亮度Rnir1值，從20種氣溶膠模式中找Rmodelnir1Rnir1值的兩種溶膠模式mod1和mod2Rmod2nir1Rnir1Rmod2nir1Rmod1nir1w6)根據(jù)式（7.24，由anir2分別計算氣溶膠模式mod1和mod24.氣溶膠光學厚度amod1、amod2，再根據(jù)（5.9）計算獲得對應Rmod14.氣溶膠光學厚度amod1、amod2，再根據(jù)（5.9）計算獲得對應Rmod1awamod11wamod2Rw 1wmod7RLrLpath、a膠模式mod1、mod2對應的氣溶膠光學厚度amod1和mod2的上行大氣漫射透過率tvmod1、tvmod2插值獲得上行大氣漫射透過率tvwtvmod11wtvmod2 ，率ts。注意，這里tv、ts均沒有包括臭氧吸收透過率。LtLpathLwexpOZcos0tv L2 w tcosexpR0 ss5.5海洋水色反演5.15.5海洋水色反演5.1經驗算法是在大量實測數(shù)據(jù)的基礎上建立離水輻射率與某一水體組分之間的統(tǒng)計關aS傳感器發(fā)展的葉綠素算法（4算法）2223、MIS傳感器發(fā)展的葉綠