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一种二类水体水色卫星大气校正方法 摘要 海洋水饿的卫星遥感自7 0 年代以来一赢是受到人们极大关注的课题。到 銎裁为立，宙子瑷鸯本色至熬大气梭芷方法豹不足积辩窳体巍学待健疑乏充分 的了解等因豢，国际上对= 类水体的水色遥感还没有取得令人满意的成果。本 文蛰农色三分量摸型育效邀测霞至l 澎墩孛熬赣射铸竣连程中，霉终大气窝海东 中的辐射传输有机地结合起泉，建立种较为先进的“大气一海洋系统辐射传 输模型”，再剥用建立的模数发展了一秘薮的可适用于二类水体的水色卫星大 气校正方法，用这种大气校磁方法可黻同时葳演大气气溶胶参数和永色要素黼 浓度值。我们还对厦门海域进行了水色卫星的大气校正和水偬遥感研究，大气 校泵豹结果籀露实溺结采蕊糖凄是令人满意豹，露承琶遥感靛研究毽敬褥了裙 步的成功。 关键词：大气校￥辐射蓓i 卫星遘i 9 水色 必 a na t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n s a t e l l i t ef o rc a s e a b s t r a c t a l g o r i t h mo fo c e a nc o l o r i iw a t e r o c e a nc o l o rs e n s i n gi sa l w a y sc a u s e daw o r l do fa t t e n t i o ns i n e et h e 1 9 7 0 s b e c a u s et h ea t m o s p h e r i cc o r r e c t i o na l g o r i t h m so fo c e a r lc o l o r s a t e l l i t ea r en o ts od e v e l o p e da n dt h em a r i n eo p t i c a lp r o p e r t i e sn o ts o c l e a r l yk n o w n ，o c e a nc o l o rs e n s i n go fc a s e1 1 w a t e ri sn o ts u c c e s s f u li n w o r l dr a n g e r a d i a t v et r a n s f e rm o d e li nt h ea t m o s p h e r e o c e a ns y s t e mi sc o m p l e t e d i nt h i sp a p e rb yc o n n e c t i n gt h r e e c o m p o n e n tm o d e lo fo c e a nc o l o rw i t h r a d i a t i v et r a n s f e rt h e o r y 。a n dan e wa t m o s p h e r i cc o r r e c t i o na l g o r i t h mo f o c e a nc o l o rs a t e l l i t ef o rc a s e1 1w a t e ri st h e nd e v e l o p e db a s e do nt h i s r a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l ，w ec a r ld e t e r m i n et h ea e r o s o lp a r a m e t e r sa n dt h e c o n c e n t r a t i o n so ft h r e em a r i n e c o m p o n e n t ss i m u l t a n e o u s l yb y t h i s a l g o r i t h m w ea l s od i ds o m e w o r ko na t m o s p h e r i cc o r r e c t i o na n do c e a nc o l o r s e n s i n go fc h i n e s ex i a m e ns e aa r e a t h ea t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nr e s u l t so fa e r o s o lp a r a m e t e r sa r eq u i t e p r e c i s et ot h ev a l u e sg o t t e nb ym e a s u r e m e n t sa n d a p r i m a r ys u c c e s so no c e a n c o l o rs e n s i n gi sa l s om a d e k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n r a d i a t i v et r a n s f e r r e m o t es e n s l n g o c e a nc o l o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的磷究 成果。据我所知，除了文中将剐加鞋标注和致谢静地方井，论文中不包含其他入已 经发袭或撰写过的研究成果，也不包禽为获得 金城工些盍燮或其他教育机 构酶举位或诞粥而健瑙过酌材睾车。与我一葡工作的淹志对本研究所傲鹣任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并簌示谢意。 学餐论文作者箍名： 张謦 撼字西麓；_ 伊碡壕露霜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹嚣些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权像鬻并内毽家毒关邦t - j 载规搀送交论文抟复印搏靼磁盘，允诲论文被壹耀粒 借阅本人授权金腿王些盍罄可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 疼进静检索，可班采用影印、缩印或扫接等复割手段保存、汇编学饿论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论义作者签名： 旅痃 导师签名： p 啡 签字日期 五一z 年f 胡猫日 签字b 期；# 王年 甥髓 学位论文作者毕业后去向： 工俸单位： 通讯地址： 电话： 船编： 致落 在邋三年的硕士研究生学习期间，我的导师成用物理系系主任何晓雄教授裰 学妲上绘予了我鞲心麓攒导，谯生活上绘予了我炙徽不至瓣关心，露对，簿簿糍 博的学术知识、严谨的治学糖神、豁达酶处趱之邀也怒我学习的攒模。在始，麓 豢南导鼹敷数衷；豹感滏! 簿尝在援翳阕，褥戮了霪家翌墨气象中赵淑生礤突爨一蓬叛寒袭学习、工 睾器垒瀵主对我光徽不至瓣指学、关悔鞫照簇，l 彀在掌潼辩夭釜方露煞教譬，跫 我终奎豹羹| 富l 感谢国家避爨气象中心髋生澎稀、搬鹧薅士、寒，l 、祥粼研究赘和会髓工泣大 学理学院酃铁翔教授、邓小玖教授、罗琢剿教授镣静热情的关怀鞠无私的帮劲， 农髓，向餐位老师表示诚挚的谢意l 感溆箍骏霉老疖及必人避= 卡年来鼯我如亲a 敷豹关悔、帮秘帮谆谆教导 感谢因家海洋局校燃第二磺突羼靛黄海瀵女士在銎鼷资糕方溪提供瓣大力 辨动。 鼹辩，毽簧懑潺会l 纛工鼗太攀鳇爨翳、囊# 戏耱、麓餐文、寒爨翔、囊靛、秘 辛本、张学舞、张静、王建凝、罐藕裁、辩镑涛、支| j 彩霞、橱艳舞、李锋削、掰风 蒸、王懿戆等番毽褥学氍及安徽巍杌掰耩永、享燕强两藏翮学对我鹃关，秘帮魏。 敲盾感谢我的家人在学习期间给予了我生活鞠经济等器方两姚大力支持，健 我解除了薅颞之泼，黢够金身心媳投入到学监中豢。 感游所青帮助过我的亲人、爆长、鼹友积网学。 台瑟下监夫学硬学位论文 藏京 日u舀 自沿岸水色扫描仪( c z c s ) 实验开展以来，海洋水色的卫爨遥感一赢受到人 翱懿辍大关注。承色遥感是- - f 涉及海洋、生物、必学、电子、诗算毂i 、靛天等 多个科学领域的新兴交叉科学。按其研究目标的差别，可包括内陆水体、近岸水 佐、大洋开竭承体等约遥感。融手可霓毙翻近红夕 波段，卫星在海洋上窆接狡到 的总辐射率来自大气气溶胶和分子散射、海水表面反射和离水辐射。由于大气中 气溶胶躺散射辐射较强恳难以预先精确链计，所以气溶胶数射鹃校正瓣题技视为 卫星遥感海洋水色所要解决的关键问题。这一问题的解决对海洋环境、光学遥感 应用技术和气暇变化等研究领域有重要的价值。目前的水色遥感对一类水体的应 用比较成功，德对于二类水体，由于其水色要素的组成相对复杂，长期以来，避 岸二类水体的水色要素反演一巍是海洋光学遥感的难题。这也是本文工作的重点 之一。 水魏( o c e a nc o l o r ) 指海洋水体在可见光一近红外波段的光谱特燃，正如 入e 嚣餐獬静不圈承俸其管不同鹣颜色一样。海承中裙关成分的浓度、分布等是承 色的主骥决定因素。水德遥感在全球碳循环、初级生产力以及海洋与海岸带环境 变纯等方瑟有警不霹替代韵重娶 车臻。承卺銎鼙虢是专门为透纷农色遥感嚣发射 的卫星，如美图在1 9 9 7 年发射的s e a s t a r 就是仅裁有“宽视场水色扫描 踅”( s e a w i f s ) 熬痰色毽蓬。专门静承魏蔓星平螽镶少，多数楚搭载有承琶遥感 器的多遥感器卫星平台，如美国n i m b u s 一7 、e o s a m p m ，欧洲空间局e n v i s a t ，日 本a d e o s 等量疆土分裂载有淤簿豢承毽 霉接纹c z c s 、孛分辨搴或豫建谱纹 h o d i s ( 其3 6 个通道中只有9 个为水色邋感专门设计的邋道) ，( 欧洲) 巾分辨率 戏豫光谱纹m e r i s ，水惩承温搦撼纹o c t s 等表恕遥感器。孛鬓螽湾省已在1 9 9 9 年1 月成功发射了r o c s a t 水色盥星，中国大陆融在2 0 0 2 年发射了我国囱行设计 制造的海洋一号水色卫攫，其上载有l o 波段水包农湿扫撼纹c o c t s 和4 波段c c d 相机。承色遥感器与陆地资源躐气象遥感器的烹簧不同点是： 1 噪比( s n r ) 极满，在般遥感器作为嬉像元的水体目标上，国际上b 前要求其 s n r 5 0 0 黻上，囡魄知果不作自动增益调整，其在陆避哥标t 的信蟹将趋予 饱和。 2 波段较窄，爵觅部分约1 0 缡米，邋红夕 约2 0 纳米，光谱藏闰一般程4 0 0 9 0 0 纳米： 3 薅闻鼙目一般要求程蚤地对阍1 0 ：3 0 1 4 ：3 0 之润过境，最好是中午1 2 ：0 0 左右： 4 。要求卫星平台其套犊瓣凌戆，毅避凳太阳熹瓣秃在海甏豹爱瓣进入撬场 台托工渡_ 犬学硬l ：学位论文 蘸禽 5 。覆蒸躅期i 2 天，忍翅势瓣率5 0 0 11 0 0 零； 6 有绝对的精度指标鬻求，如s e a w i f s 不确定性指标为：遥感器辐射定标绝对 误差小予5 煞，提对误熬小于1 ，一类承俸业务纯大气修正算漩绝对误茇小于熊 等。 在满足对巡星特定要求的菏提下，卫星遥感海洋水色主要甑含两个方嚣豹内 容，鞠水俸光学特性和水色卫蓬大气校正算法。 檄据海水中所含成分的不同，按照国际上惯用的分类，我们把海水分为一类 和二粪水律。典型的一类水钵楚大洋开阔水体，典型的= 类承体是近瘁、河口醚 域的水体。实际水体的成分很复杂，耐在水色遥感的研究中，一般一类水体主要 关心箕跨绿素豹浓发；褥二类承俸由予成分要爱杂静多，研究怒来藕对鞍茺鑫难， 通常近似将其成分进稃划分，目前国簖上常用肖二分爨和三分檄模型等。海水的 光学特毪菝赣予海承枣静成分，分蔻蠢旁蠢学萼孝慈窥表溪光学特往，是我稻发袋 水体光学模型的基础。关于海水光学特性和水体光学模型，我们将在后面的章节 孛进行会鳐。 有了对海水光学特性的研究，水色卫星大气修正算法是一个关键，因为在高 空遥感信号书，大气数射占缀大逆铡，零律痿母缀弱。零毽至凝大气按燕算法将 最直接地影响到水色的反演结果。目前可用的火气修磁模型很多，在假定可见光 波段气溶获教射疆射w 三l 由辨接近红辨波段气溶胶数射辐射褥到黪条搏下， g o r d o na n dw a n g ( 1 9 9 4 ) 提出了一个用于s e 硎i f s 大气校正的两步骤方法。赵风 生研究员在1 9 9 7 年提出了一种拳j 用水色卫星观测数据月时反演气溶胶光学厚度 和离水辐射率的方法“3 。数值试验表明，该迭代方案反演气溶胶光学厚度和离水 辐射率的耩度分别为两分之几驷百分之十几，与g o r d o na n dw a n g 得到躯耩度基 本相同。僵对于我国避岸( 二蹙) 永体，以上方法反演水色的结果仍不理想。 本课题的燕要内容是在我们现有的水色卫耀遥感研究结果的基础上，完善大 气一海洋系统的辐射传输模登，建立一个可逶用于二类承体( 翔我国海域) 永色 卫星遥感的大气校正方法，并利用改进后的大气校正方法和s e a w i f s 观测资料反 演我篱海壤大气气溶黢参数帮海洋承包要素鹣派寝。 ： 台匏_ 妊 学礤 ：攀槛论曼 蒜一章褥水光学特彀秘海洋永体光学攥爨 第一章海水光学特性和海洋水体光学模型 1 。1 灰氇遥感瓣发矮历史“1 燃若对地球这个充满生机的世界作为一个有机整体的认识不断深化，海洋的 作用越采越被人们所认识。海洋在整个地球环境变化中起着主嚣的作用，海洋环 境的重要性，如对全球碳循环、全球气候变化的作用等，迫使人们采用备种手段 对其：i 藏行观测釉研究。海洋环境变化的重要指示之一惩其永体的生物光学特佼 ( b i o o p t i c a lp r o p e r t i e s ) 变化，丽水色遥感( o c e a nc o l o rs e n s i n g ) 即利 用可觅光近红夕 对海洋透雩亍遥感的技术，力海洋生稼光学特性懿磷究提供了有效 的技术手段。 隶色遥感建空闻技术、大气光学秘遥感鼓零与海洋炎学理论实践稳缭合静产 物。按其研究豳标差别，可包括内陆( i n l a n d ) 水体、近岸( c o a s t a l ) 水体、 大洋秀溷永镕( o p e ns e a ，o rc a s e s e a ) 等熬遥感。本文懿王撵主要镑鼹( 我 国) 讽岸水体。 1 1 1c z c s 之前的海洋光学与水色遥感 海浮光学的发曩，一般谈为应扶1 8 8 5 年p 。a s e c c h i 进行s e c c c h i 深度测量 _ 甜：始。1 9 2 0 1 9 4 0 之间的2 0 肇，以水体对光的光谱吸收系数测量为起点，开始 了准确定量水体光学特性描述的阶段，代表人物是g o e r g ec l a r k e 。二战之后是 海洋光学迅速发展的时期，世界各发达国家开始了广泛的海洋光学的测爨技术装 备和理论方法研究。 在5 0 年代早期，以s q + o u n t l e y 为首在m i t 成立了著名的v i s i b 难i t y l a b o r a t o r y ( 能见度实验室，v i s l a b ) ，并于1 9 5 2 年迁入s c r i p p si n s t i t u t eo f o c e a n o g r a p h y ( 斯壳受普簸海洋研究掰，s i o ) 。该学术组在海洋光学静溺量仪 器、水体基本光学特性的测量如纯水的吸收系数等、海洋光学理论体系、水色遥 感理论方法与凌场测鬟静结合簿方瑟都俸壅了鬟要贡献。这一爵麓美国箕谴掌术 团体、法国、前苏联等也做了大量工作，海洋光学较毙整的方法与理论体系由 r 。w 。p r e i s e n d o r f e r 在其著终h y d r o l o g i co p t i c s ( 1 9 7 6 ) 孛溺透稳总续。1 9 5 7 年1 0 周4 同前苏联发射s p u t n i k 卫星得到的海洋照片极大地激起了科举家们从 空闫对海洋遴行谚究懿兴趣。囊曩三体瑰承色变能粒墨嚣楚6 0 年代放载久舷天器 g e m i n i 和a p o l l o 彩色摄影得到的，从那时起科学家们r 开始考虑利用航天器进行 水钵判别等应耀。年代爱；爨到7 0 年代中期，承色遥黪早麓熬极少数参与者， 台凳工数大掌颈圭学位论文 第一章海瘩惫学转蠖秘海洋承俸竞学篌鬃 包括g e o r g ec l a r k e 积g i f f o r de w n g ，他们把光谱仪救到飞机上，在3 0 5 米高 度对叶绿素浓度从 o 1 m g m 3 到3 0 m g m 3 的各种水体进行观测。当时他们就非常 希望鹪决飞行黼度增加后水体傣号减少豹问题，这为水识大气校正算法研究提供 了早期碰用驱动。 1 1 2c z c $ 笈辩爱民冬酶东色遥感遘袋 在1 9 7 3 年，沿岸带水色扫描仪( c o a s t a lz o n ec o l o rs c a n n e r ，c z c s ) 计划 正式撬准立项。1 9 7 8 馨是海洋遥感夔赫纪元，在这一年釜，藏功发瓣了搭鼗毒 水色遥感器c z c s 的n i m b u s 7 、有多种主动被动微波遥感器的s e a s a t 一1 、带有高 经栽裹分辨率旗瓣诗a v h r r 魏n o a h 系期望星。钛梵戳爨零色遥感发展邋速，大 气校i e 算法也缀历了很多重大改进。n a s a 处理了c z c s 几乎所有8 年的数据，并 褥裂全球海洋浮游生躲色素熬瓣闻窆耀分毒。c z c s 熬残功雩 起了更多熬海洋生 物学家和海洋物理学家对水色遥感的重视。在水色遥感的推动下，一个在水色遥 感及海洋光学巾非常重要豹概念一隶体“生物必学”特憋掇念予1 9 7 8 冬幽s m i t h b a k e r 提出。所谓水体的生物光学特憔是指由浮游和溶解的生物物质对光的散 射和吸收共同 譬赐鳆水体光学特性。这必生物学家研究海洋生物过程提供了有力 的光学方法和手段。 1 1 3 第二代水色遥感时代 由于c z c s 冰色遥感获得的意外巨大成功，1 9 9 0 年前后，世界范围的海洋科 学家稍辅酷n a s a 为首静政府机构开始筹弼高髓能的第二代米色遥感器。箕代表 是1 9 9 7 年8 月发射成功的s e a w l f s ( 宽视场水色扫描仪) 及2 0 0 0 年前艏发射的 m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，中分辨率戚豫光谱仪) 等。 繁二鼗承惩遥感静将熹是：( 1 ) 薅嗓院大裕浚提离；( 2 ；配嚣了更熬会理懿波 段进行大气校难；( 3 ) 波段配置使得能够建立熨加有效的色素反演算法，利于将 畦绿素、黄色携凌、悬浮嚣涉黥荧熬分离遗寒。 本世纪将怒海洋世纪。由于水色遥感对研究、开发与保护海洋的重裂性，各 肇竞稳发展塞恐熬承惫遥感计期。我爨爨行磅测装善颡海洋至爨h ￥一l 海洋一 号) 也融于2 0 0 2 年5 月成功发射，海洋一号是一颗试验型业务溅星，主骥用于海 洋水色要素掇测，为海洋巧壤簸溅与炎源开发黢务，海洋臻壤竣测与资溪嚣发惫 括海洋生物资源开发利用，海洋污染监测与防治，海岸带资源开发和海洋科学研 究等领域。 海洋一号卫星平台楚采用s 卜5 卫星共用平台进行适应性改进和升级而成 c a s t 9 6 8 b 乎台，装载的遥感设备包括一台分辨率为一予一百米粒十波段容色扫 4 垒鳖三望态兰篓! ：耋堡笙苎 整二兰塑叠垄兰簦整塑! 燮整鲞兰! 篓 攒仪秘一台分辨率为二嚣五专豹四波段c c d 檑飒。卫爨具有，3 、范固变孰能力魏 太阳帆跟踪太阳对日空间能力，采用了g p s 自主定轨技术，具有较高的指向精鹰 期姿态测量精黢。海洋一号的鸯效载荷实时观测区域为鼷北太乎洋区域，即渤海、 黄海、东海、南海和日本海等。其中羹点观测区域在我国海岸带和大陆架。 海洋一号的设计和性能均融达到当今世界水色卫星较先进的水平，橼志蓿我 簪的海洋遥感的鞭纪元。 从目前水甑遥感的效果来糟，对一类水体即太洋开阔水域的水色遥感反演比 较成臻，霾秀冀承色要索主要蠢浮游生物掰含豹时绿素a 及箕降解物赝绦成，褶 对简单。长期以来，近岸二类水体的水色要素的反演问题一直没有得到较好的解 决。国舔发达黧家把承谯遥感豹注意力集中在会球大洋农俸懿本色探溅上，餐我 国主要关注的怒与沿海社会与娩济发展关系极为密切的近岸水体。我国j 垃岸水体 稼毒沙、台湾蔽东、海瘫岛辫旋等区域强，基零裁藩于二类拳季拳，特剐楚大陵絮 海域。所以进行针对我国海域的水色遥感水色卫星大气校正方法的研究嶷有举足 轻重豹撵翅。 1 2 海水光学特性删 i 2 1 海水的成分和海洋水体豹划分 海水是一种很复杂的混合物，其体研究其每一种组分的性质超出了我们的讨 论范围。一般水体可能食有以下7 种成分( m o r e l1 9 7 7 ，g o r d o n 枷o r e l1 9 8 3 ) ： 1 ) 活鹩藻类缀稳。其浓度可交纯缀大。 ( 2 ) 连带的碎屑。即由浮游生物的自然死亡降解和浮游动物的消化排泄产 生的碎震。 ( 3 ) 溶解有机质。由藻畿和它们的碎屑释放出来的物质( 黄色物碰) 。 ( 4 ) 再次悬浮戆滋涉。港痒海底鞫浅海嚣因海滤等终餍瓣攫莛懿滋涉。 ( 5 ) 陆源颗粒。河流冰川带入的矿物颗粒等。 6 ) 陵源溶解鸯糗矮( 焚色兹震) 。 ( 7 ) 人类活动产生并进入海洋的颗粒和溶解物。 在瘩色遴感孛，透常不鬟要涉投缀其舔黥海承戏分，瑟恕上述携矮妇荛：浮游生 物、悬浮泥沙、黄色物质、碎屑等。 按照m o r e la n dp r i e u r 豹建义，一类水体是搓荚浮游褴戆的浓度比嚣生甥粒 子浓度簧大得彩的水体，而二类水体是指其中禽有“其他任何成分”的水体，也 就是其中至少将包含相当豹非蠢枫粒子线陆源滚解有机质。 典穗的一类水体是丈洋开阔水体，w 简单蛾看作由浮游生物的主要成分叶绿 素一a ( c h l a ) ，其降解物褐色豢a ( p h e a - a ) ，以及伴随的黄色物质组成。二类水 5 台耱- f ! i k 大学碗 + 举馥沦文 第一章海承宠学特蛙和海洋承传竞学模繁 体躲了上述物璇，还含窍浍岸海底和浚海区麴懋浮泥沙、河流冰川荣入妁矿物颗 粒( 陆源颗粒) 、陆源溶解有机质等等，典型的= 类水体是近瘁、河口区域的水 体。我翅海域的绝大部分都属予二类水体，爨藤有针对牲地对二类水体水色遥感 进行研究，将舆有重大的意义。 1 2 2 海水光学特性 任何目标的光学遥感都必须对目标物的光学特性进行深入的研究。因为水色 遥感器接收蜀静求傣信号( 离承辐射率) 在其按浚垂斡慧信号中不超避2 0 ，所 以在水色遥感中，目标特性的研究尤其重要。 扶光学熬躐点来看，海承楚个墩羧霜鼗饕雩静奔震。是麓在承中转攒辩被海 水分予和溶解谢机物( 黄色物质) 吸收，光传播同样被水的热扰动( 水分子的瑞 嚣教袈) 和承溶胶粒予及较大豹矿蘩器淀汐鬏羧教鸯重。被薮牧熬能塞大帮分转换 成了热能，剩余的吸收能量则以拉曼散射和荧光形式重新传播，弹性散射中的能 量并来发生变织，只是传搔方嶷发生了羧变。 海水光学特性可分为固有光学特性( i n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e s ) 和表 理光学特性( a p p a r e n to p t i c a lp r o p e r t i e s ) 。澎育光学特蛙楚据只与水体或分 有关而不随光照条件变化而变化的特性，它在给定点处的计算德不会随罄该点幅 亮度分布的变化题发生改变，它绘出了介质的纯吸收秘数射特燃以及电磁特性。 它依赖于海水的吸收过程、单次散射过程和永体成分。淡观光学特性是指随光照 簸件变化而变化的特性，它在绘定点处的计算馕取决于该点的蜗亮度分布，它不 仅依赖于固有汽学特性，还依赖于海面光照条髀( 包括海面特设、光照几何、福 亮度分布) 以及辐射传输过程和海面、海底反射。表观光学特性和固有光学特性 通过辐射传输瑗论联系起来。对固有光学特往的研究是从事承色遥感的麓础，在 研究辐射能量强海水中的穿透率时，表观光学特性显得尤为重臻。 主鬻静霾奔竞掌特往有： ( 1 ) 水分子的吸收系数d 。、散射累数b 。、散射相濑数只 ( 2 ) 叶绿索a ( 以后简称叶绿素) 的吸收系数口。、单位吸收系数口：、散射系 数6 。、肇位敬辩系数b ：、后商散射系数屯、散射褶函数冀、等 ( 3 ) 黄色物溪鲶吸收系数a 。攀谯蹶牧系数a ! ， ( 4 ) 其他成分的吸收、散射特性 此好，对予每耱物质，都毒茭鼹应豹毙裹辕系数c = 群+ 6 ，攀次毅辩菠照率 甜= b c 等。实质上，麟本的围有光学特性是两个：吸收系数甜和角敞射系数 爹汐) ，箕毽蠢露光学特往都是翁秘多) 黥函数。铡魏散瓣裙函数p 移) = p j ，6 ， 6 台韭天举颁： 学位论文 麓章海承兜学特 璧= 窝海洋承俸光学模蟹 两觳鸯雩系数6 = 。5 ) s i n o d o c 主要的交观光学特性有：透射比r 、向下蝠照度易、r 句上$ g n n 最、离水 辐射翠三。、邋感反射率r ，等a 1 3 海洋水体光学模烈 1 3 1 海洋水体光学模型简介 交予丈洋窳薅兹毙学特绶主要交承分子释浮游叟狻决定，濯藏在海洋光学 中，一般把水体光学模型称为生物一光学( b i o - o p t i c a l ) 模型( s m i t ha n db a k e r 1 9 7 8 ) ，我镪纛副，这季孛称法本寒是赞对一类承钵瑟京熬。瑟藏穰念嚣藩逸嗣予 二类水体。 投撂骶废髑敬水倦类型的不弱，掰采用豹承钵光学模型也会有较大豹不同。 一般来说对于类水体，我们只注意水中的叶绿素浓魔和黄色物质浓度，因此蕊 予这豫耪承色要素的光学模型可以认为是一耪二分量承体光学模型。聪对于二类 水体，目前较为普遍采用的怒海洋水饿三分鬣模型( t h r e e c o m p o n e n tm o d e lo f o c e a nc o t o u r ) ”1 ，像是由s ，s a t h y e n d r a n a t h ，l p r i e u r _ 和a + m o r e l 予1 9 8 9 年提出来的。相对于其他水色模型，三分量横型更加趋于规范化，三分量是指叶 绿素、黄色物质和非叶绿素粒子，其成分的划分较为具有代表性和合理性。本文 中所采用静水体光学模型就怒基子这三分羹模型改进丽来。液精于近岸二类承 体时，其中的日 叶绿綮粒子则主要为懋浮泥沙。 1 3 2 一种较有代表性的一类水体光学模型 为7 较为系统逮奔绣东髂先学搂麓，我稻毙穷绍一耱魄较安爝的较薪懿光学 模型，同时我们的模裂中所采用的叶绿素参数也来自于此。v l a d i m i ri h a l t r i n 予1 9 9 9 年凌毽了这秘基予时绿素豹鼙参数海水竞学搂壅瑚，它逶嚣予掰有绞一 类水体和部分二类水体( 水体中不包含粘土、石英颗粒和碎屑) 。该模型将两种 黄色妨壤( 塞建骏亵稷萤素) 数浓疫及嚣静霹嚣降物痰( 陆源粒子翻海源粒予) 的浓度同叶绿索浓度联系起来，从而通过叶绿索浓度这个单一参数即可表达所有 豹海水溷有光学特性。 1 吸收模型 吸收模型基于叶绿素浓度和两种黄色物质的浓度。分离黄色物质的两种成分 可以使法模型适珂j 于赝有的生物稳定( 所有一类水体和部分二类水体) 水体，丽 虽方便以后在模型中嬲入黄色物质的荧光影响。 台耱下照天学积l4 掌证论文第一章海承先学特镌和海洋承体龙掌横型 啜羧系数椁) 霹袭达为： 疗积) = 群，+ 0 x e ，) 2 + a ；qe x p ( - k ，2 ) + a ：ge x p ( - k 。五) ( 1 i ) 其中a w n ) 是纯水的吸收系数，单位是m 一：丑是光在真空中的波长，单位是n m ； 口? 0 ) 跫叶绿索单位吸收系数( m 。) ：e 是叶缘素浓度( m g m 3 ，口= l m g m 3 ) ； 口；2 3 5 。9 5 9 m 2 m g 是褐麓素静攀往吸故系数；砖= 0 ，0 1 8 9 n m - ；a ：= t 8 。8 2 8 m z m g 是 腐殖酸的单位吸收系数；屯：o + 0 1 1 0 5 n m 一；c ，和q 分别是褐蘸索浓度和瘸殖酸 浓度。 2 散射模型 该散射模型将角散射系数嗣两种海洋承溶胶浓度联系起来。其中大的有机物 粒子的折射系数为1 0 3 ，密度p = l g c m a ；小的陆源粒子折射系数为l ，1 5 ，密度 p 。= 2 9 c m 。 教射系数6 ( 五) _ 和盛是教射系数毛积) 可表达为： 6 0 ) = 6 ，以) + 霹0 ) e + 6 0 以) q( 1 2 ) 屯以) = 0 , 5 b 。以) 十鼠醚0 e + 蜀酽0 ) c f( 1 3 ) 箕中毽= o 5 ：只p ) s 涵o d o = o 0 3 9 ( 1 ) b t = 0 1 5 f t ：e ) s i n o d o = 6 4 1 0 4 1 5 ) b 是小粒子后向散射几率，b ，是大粒子后向散射几率，6 。n ) 是纯水的散射系数， 单位是m 一， 0 ) 和6 7 0 ) 分别为小粒子单位散射系数和大粒子单位散射系数 ( m 7 9 ) ，e 移q 分鼷怒，j 、粒子浓度( g 固和大粒子浓度m s ) 。 b w ( ) m m m 自对蜒o r e l 积p r i e u r 发表数攒的捶俊。其表达式为： 毛( a ) = o o o s 8 2 6 ( 掰一吖掣r 2( 1 国 、矗 小粒子单饿吸收系数霹似) 翔大粒子单位吸收系数霹n ) 的光谱依赖关系可 3 垒鳖三鎏= ；茎兰堡| ：堂丝鲨塞 茎二童塞整耋兰鳖璧塑壅壁整整垄兰! 黧 表达，： ) = 1 1 5 1 3 0 2 妇2 ，d 割7 ( 1 ，) 删= 0 3 4 1 0 7 4 如2 ，文。3 ns ， 该模型对水溶胶粒子散射相函数的处理源宙k o p e l e v i c h1 9 8 3 年的结果，认 为总驰承溶腔教葑猩嚣数可写戏大粒予秘枣粒子数袈鞠爨数豹线滢组合。惑熬承 溶胶角敝射系数为： 移。0 ，毋) = 霹积避弦，+ 醪g 奶b ( 1 ，g ) 式( 1 。9 ) 中小粒子教射姻函数只p ) i 和大粒子教射楣函数只拶) 分剃为： p ) = 5 6 1 7 4 6 e x t ) f z 。驴，a 1 ( 1 _ 1 0 ) 、_ ,， 1 - 5、 只妫= 1 8 8 。3 8 1 e x d l 。0 “ 咄1 1 ) n 2 i 式中的秽是散射角，单位是度。 系数j 和，。的德见表1 1 n12345 s | l一2 9 5 7 0 8 92 7 8 2 9 4 3l ，2 5 5 4 0 6- 2 1 5 5 8 8 0i 。3 5 6 6 3 2 1 0 2 1 0 2 1 0 3* 1 0 5 * 1 0 。 j 。一i 6 0 4 3 2 78 + 1 5 7 6 8 62 1 5 0 3 8 92 4 1 9 3 2 36 ，5 7 8 5 5 0 * 1 0 ”2 1 0 3 * 1 0 5* 1 0 8 表1 i 翱函数冀) 番l 霉) 孛靛系数值 海水总的角散射系数可看作由水分子的( 瑞剃散射) 散射褶函数斥p ) 与水 溶蔽教魁糖涵数只) 积只) 熬线蛙叠鑫蠡橡戏： o ，口) = b w 以蛾p ) + 霹o 皿舻) + 矽以犯p ) q ( 1 。1 2 ) b p ) = o 7 8 2 3 + 0 6 5 3 i c o s 2 口 ( 1 1 3 ) 箕中式( 1 。1 3 ) 瑟为瑞秘敬射稻溅数。 o 台驻王簸大学矮士学位论文 第一章海承先学特健蒋海洋承俸光学摸鼗 3 h a lt rin 的海水光学模型及其优缺点 謦为波长帮五秘溶鼹或悬浮物矮e ，c 。，c i ，c ；，c t 筑涵数，方稷( 1 。1 ) ( 1 。1 3 ) 使我们能够计算海水的固有光学特性a , b ，b 。和( 丑，0 ) - 对于该模型中提到的五种相关的海水成分，有如下关系： g = 1 7 4 0 9 8 c 。e x p o 。1 2 3 2 7 ( c 。l ( 1 。1 4 ) c = o 1 9 3 3 4 c 。e x p t o 1 2 3 4 3 ( c 。掣 ( 1 j1 5 ) e = o 0 1 7 3 9 ( g m g ee x p o 11 6 3 1 ( c , c ：) j ( 1 1 6 ) q = o 7 6 2 8 4 ( g m g ) c 。x p 和0 3 0 9 2 ( c o c ： l ( 1 。1 7 ) 其中掣= l m g m 3 ，g ，c i 的警整是m g m 3 ，e 鞠q 豹攀位是g m 3 0 透过残( 1 。l 4 ) 一( 1 1 7 ) 我们可以从叶绿素浓度e 得到黄色物质( g ，c ，) 和大小粒子( g ，e ) 的浓度。 式( 1 1 ) 一( 1 1 7 ) 即建立起单参数固有光学特性模型。应该说，相对于以前 对一粪永体箭研究，这一模鹜蹩兵有优越性酶。它以时绿素浓度这一荤一参数为 基础，可以导出其他四种重要粒子的浓度，将减少水色簧素反演中的未知量个数， 其有箕筒便德，而嚣避过这一单一参数鄄可裘达所有的海水磷有光擎特性。氍 h a l t r i n 的文献中认为大粒子即浮游械物粒子，这是较为确实的，所以在我们的 承体毙学模鍪中采焉静时绿素粒子散辩褶函数鼯来鑫予忿。 我们可以知道，黄色物质与叶绿索的关联并不奇怪，因为黄色物质本就来源 于藻类器它 j 戆碎疆。嚣努h a l t r i n 还绳羁，夺粒子浓凌舞俺与蹿绿素浓度有关， 其原因尚不明确，也w 认为两者更趋向于无关；事实上我们通过比较式( 1 1 6 ) 移( 1 。1 4 ) 、( 1 1 5 ) 、( i ，1 7 ) 藏可馥看爨c ，与e 的联系相对箕能三种粒子浓度与 c 。的联系磊誊非鬻微小。h a l t r i n 认炎葳谭的，3 、粒子必陆源释弱，这搜褥其摸裂 能够j 呶用于一部分的二类水体，当然磺是由于上述联系的微弱，使得其能够应用 予聚鸯豹一类窳俸。 但是显然这种光学模型侧熏要解决的是一类水体的问题。它对黄色物质的划 分嚣誊缨，却势没有考虑二粪零髂中缀重要熬袋分：秧、夏焚鬏趁零碎震， 簸 就是我们一般意义上所指的悬浮泥沙溅石英颗粒。在= 类水体成分对光的作用 ( 特慰是教射) 串，悬浮泥沙熬贡皴缀大，如鬃在家钵光学模黧中不考建悬浮滋 螽怒下鼗，匙孝疆f 二攀佼沦文 蒜一章鬻农光学特性鞠海洋拳体光学模型 沙，则将无法对大多数二类水体进行水色遥感的研究。脯事实上，我国海域由于 海岸的河西较多，海底较浅，海承运动复杂，恭浮漉涉的含薰基滗鞍霹瘸翡，霞 葡作为我们实际的应用，这一水体光学模型是不适合的。我们有必要采用或发展 释适合我藿海域露般= 类承髂茨海东竞学摸玺。 垒鳖互錾叁望塑l ：黛篷鲨壅 笙三受兰墨毽塑堡! ! ! 黧 第二章大气中的辐射传输“。“。”。”“” 2 1 地球大气的基本成分和垂随分层结构 包围着地球的大气，每单位体积中大约有7 8 的氮气和2 1 的氧气，另外 还有不至8l 锈静俸撩疰 氯( 矗r ) 、二氧化碳( c o 。) 、一裁化碳( e o ) 、一襞纯二氮 ( n ：o ) 、甲烷( c h 。) 、臭氧( 魄) 、水汽( h 。o ) 等成分构成。有些气体成分相对 含量变化缀小，称为均匀混会戆气莽，穰如氯气、氮气、二荤e 纯碳、一荤e 纯二 氮等。有些气体含量豢化很大，如水汽和臭氯。除上述气体成分之外，大气中 还含露悬浮的尘埃、滚溃、冰翕等固体秘液体微粒即气溶骏。 廷球大气按照温度垂直结构可以分为如下表2 1 所示的4 屠，对流层集中 了大气质量的四分之三和几乎全部水汽，并存在着强烈的垂直混合，逡戍大气 成分程垂直方向上的输送，对流层的炱氧只占熬层大气臭氧量盼十分之以下， 大部分的臭氧集中在乎流层。在近地面大气中气溶胶粒子的浓度约为l o o 10 0 0 个c m 3 ，随高度蘩本呈指数递减，在对流朦上部浓度减至0 0 1 个c m 3 ，僵 在平流层2 0 k m 高度左右，经常存在层浓度为0 1 个c m 3 的气溶胶层( j u n g e 层) 。蠢施蠹蘩纺l 公墨离痰盼对滚艨底都又称为幸亍鬃边界艨，入类秘大部分 的陆地动植物都生活程这个行星边界滕中，彳亍星边界鼹和人类的生存生活息息 裙关。 名称层顶高度( k m )层顶温度( )温度变化 对浚层7 1 7一s e 一s 5陵惹菠递减 i 平流层 5 00 随高度缓慢增加 i 中妫瑶8 5 9 0- 1 0 0髓赢痉递减 f 热胺 5 0 04 0 0 2 0 0 0 随高度增加 表2 1地球大气豹分壤 大气中的器籼成分都会对辍射在大气中的传轮产生影响，例如大气中豹吸收 气体水汽、二氯化碳、懿氧等嗷收辐射使辐射减弱，大气分子和气溶胶分子散射 辐射也便辐射减弱，丽大气分子的发射等则使辐射增强。 2 2 辐射量的定义 台肥工业人学坝1 学位论文 第二章天气串的辐射传输 辐射量懿定义鸯舞耱：辐射测量( r a d i o m e t r y ) 帮光凄溺豢( p h o t o m e t r y ) t 他们使用不同的术语和单位。辐射测量是以从伽玛射线到电波的整个波长范围 为对象瓣魏理辐射量熬测定。嚣毙瘦测量是鼹人类具蠢视觉感应豹波段霹 见光所引起的知觉的照的测定。本文使用辐射测量的定义，下面给出其基本术 语和定义。 1 以电磁波形式传送的能量称为辐射能量q ，单位是焦耳。 2 。奁攀位霹阕漆传输懿辐射麓量，称为辐射通慧( r a d i a n tf l u x ) m = d q a t( 2 1 ) 辐射通墩又称为辐射功率，单位楚w a t t s 。在大多数情况下，辐射与所考 虑的波长和光谱间隔关系很大，常常涉及到的是光谱辐射通量( s p e c t r a l r a d i a n tf l u x ) m j 其定义怒 垂 = d o ，d 3 ( 2 2 ) 相应的单位是w a t t s r i m ，对光谱辐射通量积分，就可以得到特定光谱间 隔中的辐射通盈。约定，使爝阊祥的方法觖下面辐射爨的定义可得到稻应的光 谱辐射量定义。 分析辐瓣殇常常需要考虑荤位立体角( s o l i da n g l e ) 肉酌辐鸯季麓量。立 体角定义为锥体所拦截的球面积盯与球半径，的平方之比，它可写为 q = c r t r 2 ( 2 3 ) 光源放射的辐射通量通常在各方扁是不均一的，大多数类型的表露在不同 程度。t 显示出余弦特性，例如太阳和绝大部分地球表面。在立体角元搬2 中放射 的辐射通量d o 随着与西法线的夹角0 的变化遵从 d q 3 口= 弛。c o s 0( 2 4 ) 这列皴l a m b e r t 余弦定律，薅予遵守这个定缍熬敖射钵藏反瓣体裁称为 “l a m b e r t 体”或全漫射面。 3 对予一个点疆射源，定义射惫菜一方囱戆攀经立倭角凌戆光谱疆魅迢 量为辐射强度( r a d i a n ti n t e n s i t y ) u = d o d q ( 2 5 ) 4 强度的概念也可以应用到扩展源的元面积上，它可以是个放射体也 霹以蕊一个爱菇俸的袭嚣。穗在单位立体燕、萃位薅瓣凌，觚棼表西在菜一方 向的雌位投影面积上辐射出的辐射能艇称为辐射亮度( r a d i a n c e ) 三= d 2 0 ，l 矗4 e o s 毋) 矗q 】( 2 ，6 ) 台船下馥 掌钡 ：学位论文 簿= 章夫气串筠辍瓣转输 疆蘩亵发育篱稼为辐嘉菠，零短楚豫t t s 办f s t e r 。辐射亮囊燕遥感串使 用最多的术语，这越因为遥感器采熊的数据与辐射亮度具有对应关系。 5 辐爨亮瘦豹法商分量对照个球蕊立蒋翁趣积分定义为缓射爨发 ( i r r a d i a n c e ) f = j q c 。s 貔蛾 2 。7 ) 遇常辐魁照瘦特拯单挝髓阃、避位嚣积、单经波长上接收的辐魁量，稿 用辐射出射麟( e m i t t a n c e ) 代表辐射出的能爨。辐瓣照度可简称为辐照度，单 位是w a t t s 群。 根据上述辐亮度和辐照度的定义，可以看出f 。d 审d a ，所戳辐照度使称为辐射 通羹捺寝。放疆越赛发麴定义述霹以稽窭，对l a m b e r t 髂露言，辐袈巍t e l 与辍 射射搬的方向静无关。在极坐标中对一个l a m b e r t 表两向半球空间放射的辐射亮 疫积分，可以容易豹褥到该表露熬攀经莲积敖射匏辐射遴量，瞧藏是该发瑟懿辐 射出射度f 。花。 2 3 介质中鹩辐射传输 电磁波邋过均匀备离丽镌物质静，爵与奔艨静互耩律焉会受嚣衰减，辐射强 度要减少，这个现象b o u g u e r 在t 7 2 9 年和b e e r 在1 8 5 2 年都进行了描述，用公 式表述辐射强度矿0 ) 的衰减菊疗虢是 d u ( 羹o = 醪童魄( 是知蠡( 2 辩 幽是辐射砖接方翔上通过媳介囊厚度，女。q ) 是介蔟豹消光系数 ( e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t ) ，单位是m 一，消光系数镩于吸收系数屯0 ) 和散射 系数女。积) 之狃 2 屯+ 霍。9 ) 在这恩的吸收蒜数囊口积敞射系数赶等同子第一肇孛豹球褪晷，消光系数张第一露 中的衰减系数也是一个概念，来用不同的表示箍为了符合海洋光学和大气辐射掌 的表述习撰。 式( 2 9 ) 裘孵辐射的衰减怒由介质的吸收i 三l 及介质对辐射的散射造成的。另 方聪辐射强发也可以出于蝴网波长上襁质裁发射以及多次教射蠢增强，哥戥宠 台肥二 她大学颧l 学位论文第二章大气申辩辐射健输 义源函数s 瞻) 采表示蠢予发_ 骛季戮及多次数蔻造藏靛强穗增大，鼗合上露熬公式 就可得到不加嫩标系的普遍传输方程 罢妞：一u ( 丑) + s i f t )( 2 1 0 ) 竞。