（地图学与地理信息系统专业论文）亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究.pdf

亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 摘要 本文概述了海色遥感技术的发展动态和气溶胶的研究现状。具体介绍了大气 校正算法的原理、生物光学算法及气溶胶的相关知识。通过对目前s e a w i f s 标 准大气校正算法在东亚海域存在问题的探讨，对吸收性气溶胶的大气校正算法作 了仿真性研究。 分析了吸收性气溶胶、非吸收性气溶胶及云的辐射传输特性后，在归一化植 被差异指数( n d v i ) 概念的基础上，提出了用近红外( 8 6 5 n m ) 和可见光( 5 1 0 r i m ) 两个波段的表面反射率计算的气溶胶归一化差异指数n d a i 。基于不同气溶胶的 n d a i 值的差异，利用卫星遥感资料就可以探测到不同类型气溶胶的影响范围及 浓度高低，也可以有效区分几种类型的气溶胶，如煤烟、沙尘和非吸收性的海洋 性气溶胶。另外利用辐射传输模型r s t a r 5 b 进行模拟，印证了该方法的可行性。 同时选取了几幅s e a w i f s 卫星图像进行了方法的验证，结果表明分类探测效果 比较好。 通过对比a c e - - a s i a 实测数据和相应的s e a w i f s 反演的数据( 用s e a d a s 软件处理) ，重新证实了东亚海域普遍存在的短波段离水辐亮度低估现象。然后 在原有s e a w i f s 气溶胶模型成分的基础上，分别考虑增加煤烟、沙尘及两种成 分的混合三种情况，利用实测数据通过迭代辐射传输模拟重新调整三种成分的含 量，从而得到新的模型。结果表明分别加入煤烟或沙尘时的得到的模型反演的离 水反射率和光学厚度与实测值比较接近，而同时加入两种成分时效果却不好。另 ，外，加入煤烟的模型能反演高精度的离水反射率，而加入沙尘的模型反演的气溶 胶光学厚度相对而言更接近实测值。在此基础上，脱离实测数据对煤烟的模型作 进一步的模拟，得到一组( 八个) 具有一定普适性的煤烟型吸收性气溶胶模型。 为了验证这组气溶胶模型的反演效果，选取了一块受沙尘影响的区域分别利用本 文的模型和s e a d a s 进行大气校正并计算相应的叶绿素浓度，结果表明利用本文 的模型要明显好于s e a d a s 的结果。 关键词：吸收性气溶胶；气溶胶归一化差异指数n d a i ；辐射传输模拟；s e a w i f s ： 大气校正算法 s ；m u i a 七i o no fa t m o s p h e r i 0c o r r e c t i o na i g o r i t h mf o r a s i a na b s o r p t i v 6a e r o s o i s a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h er e c e n td e v e l o p m e n to fo c e a n c o l o rr e m o t es e n s i n ga n da t m o s p h e r ea e r o s o l s t 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 、 b i o - o p t i c a la l g o r i t h m sa n do p t i c a lp r o p e r t i e so fa e r o s o l s ( e s p e c i a l l ya b s o r b t i v e a e r o s o l s ) a r ea l s od e s c r i b e d t oi n v e s t i g a t et h ef a i l u r eo fs t a n d a r da t m o s p h e r i c c o r r e c t i o na l g o r i t h mi nt h ee a s ta s i a na r e a , t h es i m u l a t i o no fa t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n a l g o r i t h mf o ra b s o r p t i v ea e r o s o l sa r ep e r f o r m e d r a d i a t i v et r a n s f e rp r o p e r t i e so fa b s o r b i n ga e r o s o l ，n o n a b s o r b i n ga e r o s o la n d c l o u dw e r ea n a l y z e d ，as i m p l e ，f a s tm e t h o dw a sp r o p o s e db a s e do nt h ec o n c e p t i o no f t h en o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ( n d v 0 an e a r - i n f r a r e db a n d ( 8 6 5 n m ) a n dav i s i b l eb a n d ( 5 1 0 n m ) w e r eu s e dt oc a l c u l a t et h en o r m a l i z e dd i f f e r e n c ea e r o s o l i n d e x ( n d a i ) n d a iv a l u e sw e r eu s e dt od i s t i n g u i s hb e t w e e nd i f f e r e n ta e r o s o lt y p e s a n dc o n c e n t r a t i o n ，s u c ha sd u s t ，s o o ta n dn o n - a b s o r p t i v em a r i t i m ea e r o s o l s r a d i a t i v e t r a n s f e rm o d e lr s t a r 5 bw a su s e df o rs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e o fc o n t r i b u t i o nf r o mw a t e rb o d y t h i sm e t h o dw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt os e v e r a l s a t e l l i t ei m a g e sf r o ms e a w i f s t h ea c e a s i ai ns i t um e a s u r e m e n t sa r eu s e dt oc o m p a r ew i t ht h em a t c h - u p s e a w i f s d e r i v e dp r o d u c t s ( p r o c e s s e db ys e a d a s ) t h er e s u l t sc o n f i r mt h a t t h e p h e n o m e n o no fu n d e r - e s t i m a t i o no fw a t e r - l e a v i n gr e f l e c t a n c ei ns h o r t e rb l u e w a v e l e n g t h si sv e r yc o m m o ni nt h ee a s t - a s i a nr e g i o n b a s e do ni ns i t um e a s u r e m e n t s ， s o o t 、d u s tp a r t i c l e sa r ea d d e dt ot h es e a w i f ss t a n d a r da e r o s o lm o d e l ss e p a r a t e l y , t h e n ，一 _ 。 a l li t e r a t i v er a d i a t i v et r a n s f e rs i m u l a t i o ni s e m r i e do u tt os e l e c tt h eb e s tc o m b i n a t i o n o fp a r t i c l e s t h er e s u l t i n gw a t e r - l e a v i n gr e f l e c t a n c ea n da e r o s o l o p t i c a lt h i c k n e s s a g r e e dw e l lw i t l li ns i t um e a s u r e m e n t sw h e nt h ee f f e c to fs o o to rd u s tp a r t i c l ei s c o n s i d e r e di nt h es i m u l a t i o n f o rr e t r i e v i n gw a t e r - l e a v i n gr e f l e c t a n c e ，s o o ta e r o s o li s b e t t e r ；b u td u s ta e r o s o lc a ni m p r o v et h er e t r i e v a lo fa e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s w h i l e a d d i n gb o t hs o o ta n dd u s tt ot h es e a w i f ss t a n d a r da e r o s o lm o d e l sd o e sn o ts h o w g o o dp e r f o r m a n c e t h e nas e to fa b s o r b t i v ea e r o s o lm o d e l sw i t hs o o ta l es e l e c t e d b a s e do ns i m u l a t i o nw i t l la n dw i t h o u ti ns i t um e a s u r e m e n t s t h e ya r ea p p r o p r i a t ef o r t h ea s i a na e r o s o l sc o v e r e di nt h i ss t u d y a na r e ap o l l u t e db yd u s ti su s e dt ov a l i d a t e t h es o o t a b s o r b t i v ea e r o s o lm o d e l s t h ec h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o n sa r ec a l c u l a t e d w i t ht h es o o t a b s o r b t i v ea e r o s o lm o d e l s t h er e s u l t sa r eb e t t e rt h a nt h es t a n d a r d s e a w i f sa l g o r i t h mi nt e r m so f c h l o r o p h y l lar e t r i e v a l k e yw o r d s ：a b s o r b t i v ea e r o s o l , n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ea e r o s o li n d e x ( n d a i ) r a d i a t i v et r a n s f e rs i m u l a t i o n ；s e a w i f s a 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 独创声明 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 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 渲；垫遗直墓丝霞要挂型直明丝：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名喜宦 签字日期：刃年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 吕 签字日期：7 椤年6 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩肄佟渺 签字日期：穸年6 月f 日 电话： 邮编 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 1 1 研究背景 第一章前言 海洋水色遥感( o c e a nc o l o rr e m o t es e n s i n g ) 是指利用可见光、近红外对海 洋进行遥感的技术，它为海洋生物光学特性的研究提供了有效的技术手段。其原 理是通过卫星传感器接收到的信号来获得水体中影响光学性质的组分浓度( 主要 是海水中的叶绿素、无机悬浮物和有色可溶性有机物) ，进而探测到海洋上层物 质成分组成。水色遥感在海洋初级生产力的估计和海洋通量研究、海洋生态环境 监测、海洋动力学研究、海洋渔业开发和管理服务等方面都具有广泛的应用。同 时，水色遥感是全球观测系统中的一个重要组成部分，在卫星海洋遥感技术中扮 演着重要的角色。 然而，对于以可见光作为手段的海色遥感来说，卫星传感器在海洋上空接收 到的总辐射量中来自海面的甚微，而9 傩以上是来自大气瑞利散射、气溶胶散射 以及海面对太阳光的反射【l l 。但是对海洋遥感而言，这些信号中只有水体后向散 射信号是有用的。因此，要进行水色遥感应用研究，就必须精确的确定大气散射、 吸收和海面反射等贡献，并从总信号中予以去除，以准确的提取出来自水体的信 号。这个过程就是通常意义上所谓的大气校正，它是海色卫星资料反演模式的关 键技术，也是其他海洋生物光学反演算法能够正确进行的一个前提和保证 目前，国际上标准的海色遥感反演的大气校正算法是由g o r d o n 等人1 2 1 1 3 j 提出 的，它最初是在c z c s 的大气校正算法的基础上建立起来的。其主要思路就是假 设近红外波段的离水辐亮度可以忽略，或者可以通过一个以叶绿素浓度为参量的 简单模型来求出州这样大气气溶胶的贡献可以从近红外波段推出，并利用一组 非吸收性或弱吸收性的气溶胶模型外推到可见光波段，进而得出可见光波段的离 水辐亮度，最后利用生物光学算法推算海中各成分的含量。 标准算法对于一类水域、弱吸收性大气条件下能取得很好的效果，但是对于 混浊的二类水体，或是当存在强吸收性气溶胶如沙尘、煤烟等时算法就会失效。 丽我国在渤海、黄海、东海等海域，由于大气污染比较严重或者高混浊水体，使 得采用国际标准算法反演的误差很大。图1 1 给出了在有沙尘暴影响时海色卫星 r g b 图像及采用国际标准反演算法得到的海中叶绿素浓度分布图。从中可以看 哑洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 出，在沙尘暴影响的区域，采用国际标准的反演算法无法从卫星资料中提取有效 的海中叶绿素信息。所以我们必须开发适合自己水域和大气情况的海色反演算 法。这是本论文的着眼点。 图1 i2 0 0 2 年3 , q 1 7 日0 3 ：3 1 u t c 海色卫星s e a w i f s 传感器r g b 图像( a ) 及采用国际标 准反演算法得到的海中叶绿素浓度分布( b ) 。 ( 数据来源于h t t p ：o c e a n c o l o r g s f c n a s a , g o v c g i f o r o w s e p | ? s c n = s w , 本文采用s e , a d a s 软件处 理得到) t 2 国内外研究现状 针对吸收性气溶胶及大气校正算法的问题，近年来国外已经有很多科学家进 行了不同方面、不同层次的研究。 在判断吸收性气溶胶的存在及其分类方面：h i g u r a s h i 和n a k a j i m a 5 1 提出用 s e a w i f s 的4 12 n m 、4 4 3 n m 、6 7 0 h m 、8 6 5 n m 四个波段的数据来确定s o i ld u s t 、 c a r b o n a c e o u s 、s u l f a t e 和s e as a l t 四种气溶胶的类型。、n o b i l e a u 和a n t o i n e 【6 1 提出 利用近红外波段及5 1 0 h m 波段大气校正后的误差值来探测蓝波段吸收性气溶胶 的存在。这种方法需要设置一定的阈值，故其准确性在很大程度上依赖于阈值的 选取是否合理，也依赖于气溶胶光学厚度的分椎。尽管这些方法在局部地区的气 j _ 溶胶分类方面效果较好，但是要将这些方法应用于海色卫星的业务化算法来说并 不是很好，且过于复杂。 。在大气校正方面，为了解决标准大气校正算法失效的问题，国外学者主要从 i 。 以下两个方面作了研究。 2 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 ( 1 ) 从二类水体的光学性质出发对大气校正算法所作的一些改进，如：采 用简化的模型得到近红外波段的离水反射率而不用“暗像元”的假设1 4 1 - 8 1 ；借用 邻近较清洁水体像元的大气参数( 气溶胶模型) 来处理混浊水体像元，从而得到 近红外波段的气溶胶和离水反射掣9 】；考虑水色三要素建立离水反射率及水体组 分反演一体化的耦合模型，得到大气参数的同时确定三组分的浓度 1 0 - 1 2 1 等。 ( 2 ) 针对吸收性气溶胶对大气校正的影响，提出了利用耦合的大气海洋辐 射传输模型同时反演大气参数和海洋参数的算法。其中最有代表性的是z h a o 和 n a k a j i m a t l 3 1 提出、g o r d o n 、d u 和z h a n g 1 4 1 改进的光谱匹配法( s m a ：s p e c t r a l m a t c h i n ga l g o r i t h m ) 、c h o m k o 和g o r d o n i ”】提出的光谱优化法( s o a ：s p e c t r a l o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ) ，以及s t a m n e s 等人 1 6 1 提出的基于辐射传输模拟的方法。 这些方法从原理上来说都是以大气参数和海洋参数作为变量，将气溶胶模型与生 物光学模型相结合，通过辐射传输计算“再现”经过大气海洋系统到达大气项 ( t o p o f - a t m o s p h e r e ：t o a ) 卫星传感器的光谱辐亮度分布。利用各种优化方法， 理论上就可以反演出卫星图像上每一像素点的大气参数和海洋参数。 另外，f u k u s h i m a 等人 1 7 1 基于我国源区沙尘测量资料，提出了一个亚洲沙尘 气溶胶模型，用于日本a d e o s o c t s 的大气校正，由于没有考虑气溶胶成份随 传输过程的变化，而且在大气校正算法中只是简单地用一个沙尘气溶胶模型替换 了原有非吸收性气溶胶模型中的一个，因此并没有得出理想的反演结果；欧空局 中分辨率成像光谱仪( m e r i s ) 海色产品反演算法中也尝试包括吸收性气溶胶模 型i 嘲，其中的气溶胶模型也是基于s h e t t l e 和f e n n 19 1 及世界气象组织( w m o ) 1 9 8 6 年建议的气溶胶模型。“等人 2 0 1 利用2 0 0 1 年a c e a s i a 期间现场试验的测 量数据，提出东亚海域普遍存在离水辐亮度蓝波段低估现象，同时利用现场数据 进行辐射传输模拟，得到了三个站位的气溶胶模型。 就国内来说，对气溶胶的研究主要包括对气溶胶的直接采样分析、地面和卫 星的遥感、大气气溶胶辐射特性及其气候效应的研究，还有对沙尘暴的形成、输 ：+ 送、识别、监测及沙尘粒子对气候效应影响等方面进行了深入的研究位。大气校 正方面也主要是针对二类水体的性质提出了一些理论模型和应用模型，如：陈楚 群在大气校正其本原理和方法的基础上，提出了对红光波段与其它波段一同进行 大气校正的简单可行的方法【2 2 】；毛志华等人利用光谱辐射传输理论，结合海上同 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 步实测资料，针对我国海区二类水体的特点，利用临近一类水体的大气性质，开 发出了我国海区s e a w i f s 资料的大气校正模型【2 3 】；韦钧提出了将7 6 5 n m 和8 6 5 n m 波段气溶胶多次散射之比和离水辐射率之比设为常数作为大气校正因子应用于 整个区域的简单的校正方法，该方法在珠江口区域取得了比较合理的校正结果， 也弥补了s e a d a s 提供的标准大气校正算法不能成功对近岸二类水体进行大气 校正的不足 2 4 】。很明显，国内的这些研究都没有涉及对气溶胶进行分类的研究， 也没有具体涉及吸收性气溶胶对海色遥感的影响和校正方法的研究。 1 3 研究意义和目的 前面已经提到，标准大气校正算法对于一类水域、弱吸收性大气条件下能取 得较好的效果，但是处理近岸二类水体及强吸收性气溶胶时算法就会失效。失效 的原因主要有两方面，一方面是在二类水体中，大气校正的“暗像元”假设，即 近红外波段离水反射率为零的假设不成立；另一方面是存在强吸收性气溶胶时， 标准算法中采用的无吸收性或弱吸收性气溶胶模型不能反映吸收性气溶胶的光 谱变化。丽这两方面的问题既是我国海色遥感目前面i 临的主要问题，也是国际上 普遍关注的焦点。国际上标准的海色反演方法在我国海域并不完全适用，如在渤 海湾、长江口附近等，由于大气污染或高浑浊水体，使得反演的误差很大1 2 5 1 ，在 东亚海域同样出现了离水辐亮度为负或是明显偏低的情况【2 0 l 。 事实上，吸收性气溶胶对卫星海色遥感有极其重要的影响。沙尘气溶胶具有 较强的吸收性，一直被认为足影响东亚海域大气校正的主要因素m 。另外，随着 工业的发展，由于能源结构不合理、能源利用率低、生物体的燃烧、汽车尾气的 排放等原因使得我国黑碳气溶胶要明显高于其他发达国家 2 6 】。黑碳是大气中首 要的吸收性气溶胶成分，主要分布在对流层，且没有明显的季节性，那么它的大 量增加及长期存在必然也会在很大程度上影响东亚海域的大气校正。 然而关于吸收性气溶胶对海色遥感的影响及其校正算法，在国内几乎没有开 展过系统的研究，而且国际上也还没有成熟的算法。所以，本文希望通过对气溶 胶分类的方法及东亚海域气溶胶模型的研究，使原有的大气校正算法更适合东亚 海域，嗽而提高海色产品的反演精度，为海洋灾害监测及海洋数据应用服务。 1 4 论文的结构及主要内容 4 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 第一章概述了海色遥感的研究背景和研究内容，县体介绍了国内外对吸收性 气溶胶及大气校正算法的研究现状，然后简要介绍了本文的研究意义 和论文的结构及内容。 第二章具体介绍了大气校正、生物光学算法等反演方法，及气溶胶的基本知 识。最后简单介绍了本文用到的辐射传输模型r s t a r s b 的相关内容 第三章分析了吸收性气溶胶、非吸收性气溶胶及云的辐射传输特性后，在归 一化植被差异指数概念的基础上，提出了用近红外( 8 6 5 n m ) 和可见光 _ ( 5 1 0 n m ) 两个波段的表面反射率计算的气溶胶归一化差异指数 n d a i 。利用几类气溶胶的n d a i 值的差异，通过卫星遥感资料探测海 ， ， 上吸收性气溶胶的影响范围及浓度高低。用辐射传输模型r s t a r s b 对该 - 方法的可行性进行了印证。最后选择了三幅含沙尘、_ 幅含煤烟的 s e 删f s 卫星图像进行了方法的验证 第四章通过对比a c e - - a s i a 实测数据和相应的s e 州嘟s 反演的数据( 用 s e a d a s 软件处理) ，证实了l i 等人1 2 0 i 提出的离水辐亮度在蓝波段低 估的现象，并在其结论的基础上重新对吸收性气溶胶模型作了仿真研 究：通过在原有s e 棚f s 模型的基础上，分别增加煤烟、沙尘及两种 成分的混合，利用实测数据进行辐射传输模拟，确定较适合亚洲吸收一 性气溶胶特性的模型类型及相对湿度；然后在此基础上，脱离实测数 据作进一步的模拟和挑选，确定组具有一定普适性的吸收性气溶胶 模型。最后选取了一块受沙尘影响的区域，利用本文的模型进行大气 校正，用反演的离水反射率计算相应的叶绿素浓度，并与s e a d a s 的 结果进行对比以验证模型的反演效果。 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 第二章卫星海色遥感反演方法及气溶胶相关知识概述 2 1 卫星海色遥感反演方法 海色传感器接收到的信号是太阳辐射经大气、海水相互作用后返回到传感器 的总辐射能量。即来自大气外层的太阳光通过大气的瑞利散射和气溶胶散射，一 部分返回到卫星传感器，另二部份直射或漫射到达海面；到达海面的直射光中一 部分由于镜面反射穿过大气又到达卫星传感器，另一部分经水面折射进入水体后 由于水中成分的散射和吸收，后向散射部分( 离水辐射) 经水面折射离开水面并 。l ，。 穿过大气到达传感器。海色遥感的最终目的就是要获取这个离水辐射量，进而获 取海水中各组分的浓度。图2 1 给出了海色传感器接收的各种信号的示意图，这 些信号包含了多种辐射贡献，主要是大气路径辐射( 如g 丸l 【i 等) 和离水辐射 l w ( 如b ) ，以及其它如白帽反射、海面镜面反射( 耀斑) 等可能的辐射( 如d ，e ) 图2 1 海色传感器接收的信号示意图 因此从卫星资料中提取海水的各要素含量的过程可分为两个阶段：第一步是 应用大气校正算法，即从传感器接收的辐射信号中去除大气分子散射、气溶胶散 射、海表面反射等的辐射贡献，得到来自海水的离水辐射贡献，同时在此过程中 可以得到海色遥感的副产品：大气的某些参数，如气溶胶光学厚度、埃指数等； 第二步是利用生物光学算法从离水辐射中反演叶绿素浓度等海水中各成分含量。 2 1 1 大气校正算法 6 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 大气校正的目的就是消除大气吸收和散射的影响，获得海面向上光谱辐亮 度。根据图2 1 的示意，传感器接收到的总辐射量就可由式( 2 1 ) 表示【2 】： 厶( 丑) = ( 五) + 厶( 兄) + k ( 旯) + 让。( 旯) + z k ( 旯) + 让y ( a ) ( 2 1 ) 其中，厶( 兄) 是传感器接收到的总的辐亮度；三，( 且) 来自大气瑞利散射的辐 亮度：l ( a ) 为气溶胶散射的辐亮度；l r a ) 为大气分子与气溶胶之间的相互作 用的散射辐亮度；l ( 旯) 为来自水体的辐射，即离水辐亮度；t ( a ) 为直射太阳 光的镜面反射( 即太阳耀斑) ，t 是光束透过率；l ，( a ) 为白帽的贡献：t 为海面 到卫星传感器之间的大气传递衰减系数( 即大气漫射透过率) 。这里忽略了来自 海底的反射，因为通常认为可见光不可能到达海洋底部。 1 9 8 0 年g o r d o n 等人第一次将基于单次散射理论的大气校正方法用于c z c s 的图像处理，在单次散射模式下，气体分子与气溶胶之间相互作用项可以忽略， 气体分子和气溶胶粒子的贡献可以分离计算。这种假设在瑞利散射和气溶胶光学 厚度小的时候是成立的。在一类水域，用该模式进行大气校正后所得的离水辐亮 度与船测资料相比，平均误差约为1 0 【2 7 1 。 随着海色遥感的不断发展及第二代水色传感器的要求，在c z c s 算法的基础 上，g o r d o n 和w a n g 提出了针对s e a w i f s 传感器波段特性的大气校正算法2 】【3 】。 该算法考虑了气溶胶的多次散射效应，计算瑞利散射时考虑了极化和不同风速的 影响。同时考虑到气溶胶类型像元间的变化及多次散射效应依赖于气溶胶的物理 和化学性质( 主要是尺度分布和折射系数) ，所以算法中引入了一组气溶胶模型。 另外，在该算法中还建立了基于均匀分布的两层平面平行大气系统：其中气溶胶 粒子都在边界层内，而大气分子都分布在气溶胶层之上的水平自由对流层内【2 】。 g o r d o n 和w a n g 的大气校正算法框图如下； 7 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 图2 。3g o r d o n 和w a n g 的大气校正算法框图 g o r d o n 和w a n g 的大气校正算法已成为一类水体的较为成熟的业务化算法。 算法的核心思想就是采用“暗像元”假设( b l a c kp i x e la s s u m p t i o n ) ，即假设近红 外波段离水辐射为零，然后通过适当方法外推到可见光波段，从而得到可见光波 段的气溶胶辐射量。 根据反射率的定义： 胪去 q 屯) 其中，p 是反射率，三是辐亮度；吼是太阳天顶角；r 是地球外辐照度。除去耀 斑和白帽的影响后，式( 2 - 1 ) 就可以转化为下式： n ( 兄) = d ( 旯) + 成( 五) + p 。( 2 ) + t p ，( 旯) ( 2 3 ) 其中，n 是大气顶( t o a ) 总的反射率，由传感器测得；口是瑞利散射反射率， 可以通过n o a a 提供的辅助数据精确计算得到；见是气溶胶散射反射率；几是 大气分子和气溶胶相互作用的反射率；成是离水反射率。 8 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 假设近红外波段离水反射率几为零，对于s e a w i f s 来说& p 7 6 5 n m 和8 6 5 n m 波 段离水反射率为零。则由式( 2 3 ) 就可以得到这两个波段的气溶胶多次散射反 射率岛+ ，再根据事先计算出来的n ( 对s e a w i f s 来说n 是1 2 ) 个气溶胶模型单 次散射户0 与岛+ p 坩的关系( 利用气溶胶模型计算并存在查找表u j t 中) ，得到n 个模型的单次散射艮( 7 6 5 ) 和( 8 6 5 ) ，计算两者的比值即得到n 个q ( 7 6 5 ，8 6 5 ) ， i ：h ：i 塞n i e , ( 7 6 5 ，8 6 5 ) 求得一个平均值占( 7 6 5 ，8 6 5 ) ： 占( 7 6 5 ，8 6 5 ) = 1 蔓， 。6 ( 7 6 5 ，8 6 5 ) ( 2 - 4 ) 这里s ( 7 6 5 ，8 6 5 ) 必定落在某两个模型的占之间，对于其他可见光波长丑，根 据这两个气溶胶模型的占值进 - 。1 1 z 导s 似，8 6 5 ) 。然后，根据选定的两 个气溶胶模型对应的阢( 8 6 5 ) 和占，8 6 5 ) ，就可以计算得到这两个模型对应的单 次散射反射率( 丑) ，再利用模型的以+ 与单次散射反射率的对应关系， 得到两个气溶胶模型对应的岛( ) + “) ，通过内插，最终得到该波段的气溶 胶多次散射反射率吨+ 。对遥感图像的像元逐个修正，就可以得到每个像素点 的离水反射率，完成大气校正过程。 随着研究的不断深入，大气校正算法也不断得到了改进，复杂度也不断增加。 s i e g e l 等人州针对高营养水域s e a w i f s 反演的短波段( 主要是4 1 2 n m 和4 4 3 n m 波段) 离水反射率存在低估现象的问题，提出了一个以叶绿素为参数的简单生物 一光学模型来估计近红外波段离水反射率的方法。具体应用时，先给一个叶绿素 浓度的初始值( 一般设0 2 m g m 3 ) ，然后利用简单的生物一光学模型计算出近红 外波段的离水反射率并将它从大气顶的反射率中减去，再应用标准的大气校正算 法和生物光学算法给出新的叶绿素浓度，接着将新的叶绿素浓度代回，重复上述 过程直到最后得到收敛的叶绿素浓度。他们用这个算法代替原来近红外波段“暗 像元”的假设，希望解决短波段低估现象。这种方法已应用在实际s e a w i f s 数 据的大气校正过程中，即s e a d a s 中的s e a w i f s 7 8 波段迭代算法。 另外，d i n g 和g o r d o n 2 s 】考虑了7 6 5 n m 波段氧气的吸收校正；w a n g 2 9 1 计算了 9 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 大气漫散射系数，并对氧气的吸收校正算法进行了研究；w a n g t 3 0 】对粗糙海表面 情况进行了研究；m o o r e 等人【3 l 】及g o r d o n 和w a n g i 翊对白帽影响进行了研究。 2 1 2 生物光学算法 通常把由海面向上光谱辐亮度反演海中叶绿素浓度、悬移质、有色可溶性有 机物( c d o m ) 浓度的方法，称为生物光学算法。 从1 9 世纪7 0 年代后期开始，随着c z c s 海色传感器的运行，出现了各种生 物光学算法。同时随着研究的深入和开展，生物光学算法已逐步扩展到水中其它 组分及海水的光学性质的研究( 如漫衰减系数，粒子散射系数和吸收系数) ，不 再局限于叶绿素一a 或色素( 叶绿素一a + 藻红素一a ) 的反演。 g o r d o n 等人【3 3 】【3 4 1 把水色解译算法归为三类：( 1 ) 经验算法( e m p i r i c a l ) ， 主要基于离水辐亮度与某一成分之间的统计关系；( 2 ) 半分析算法 ( s e m i a n a l y t i c ) ，借助于固有光学量与成分之间的物理关系和表观量与固有光学 量之问的经验关系，导出遥感量与水体成分之间的关系；( 3 ) 分析算法( 即辐射 传输模型) ，在辐射传输方程近似解的基础上，建立反演模型。 经验( 或统计) 算法是基于波段比值的色素算法，其原理就是通过各个波 段的辐射率比值来估算海表面的叶绿素浓度。经验算法中用到的波段比一般在叶 绿素一a 的吸收峰、谷附近，最大吸收峰在4 4 0 n t o 左右，最小吸收值在5 6 0 n t o 左 右。 g o r d o n 和c l a r k 【3 5 1 利用在各种不同类型的水体中( 包括一类和二类水体) 测 得的生物一光学参数，专门针对c z c s 的波段设置开发了几种算法。上述算法的数 学形式如下： c = 一 勺 。，勺= l ( 丑) l ( - ) ( 2 5 ) 厶( 旯) 为刚好在海表面t 的向上辐射率，一般在水下1 m 深度处测量。 但是由于c z c s 的波段数较少，不可能完全分离各种水色成分对水体光学特 性( 吸收系数、后向散射系数等) 的贡献，仪器的信噪比也比较低，因此使得海 洋水色的可见光遥感应用受到限制，只能在清洁的一类大洋水体中获得较好的结 果。而s e a w i f s 的性能指标与c z c s 相比，不仅信噪比有了大幅度提高，而且 波段设置也更为合理，能建立更有效的色素浓度的反演算法( 或类似波段) ，提 1 0 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 出了很多基于波段比的经验算法。 o ，r e i l l y 等人1 3 6 】根据s e a b a m 工作组收集的9 1 9 组现场实测的生物光学数据 ( 各站点对应的光谱辐射率和叶绿素浓度) ，对s e a w i f s 的各种反演算法( 包括 2 种半分析算法和1 5 种经验算法) 做了评估和比较。他们发现经验算法的性能 一般要好于半分析算法，这主要是因为各成分的水色机理分析还不够成熟；而一 种改良的三次方算法，也称为o c 2 算法性能最好，因而被选做s e a w i f s 的在轨 业务化叶绿素a 浓度算法。公式为： c = l o ( 4 0 + 4 r 舢4 2 萨+ 4 扩矿j + 口4 ，r = r r s 4 9 0 r r s 5 5 5( 2 6 ) 其中，r r s 4 9 0 和r r s 5 5 5 分别是4 9 0 r i m 和5 5 5 n m 波段的遥感反射比。随后提出了 一种新的基于最大波段比的经验算法o c 4 ，形式与0 c 2 相同，只是将r 取为在 4 4 3 5 5 5 ，4 9 0 5 5 5 ，5 1 0 5 5 5 三者中的最大者，其优势在于当叶绿素浓度变化3 个量级时，可以最大限度地保证遥感信号的信噪比，性能更好。在2 0 0 0 年的n a s a 技术报告1 3 7 中，o r e i l l y 正式将o c 4 算法( 第4 版) 作为s e a w i f s 在轨业务化 叶绿素a 浓度算法。表2 2 列出了几个海色传感器的叶绿素浓度的反演算法。 虽然经验算法比较简单，也适合大量卫星数据的处理，可是它只能应用于同 算法获取水域具有类似特征的水体，适用范围受到很大的限制，另外，一个经验 关系不可能适合所有的水体，除非水体严格属于一类水域1 3 8 】。需要说明的是，本 文第四章中为了比较气溶胶模型的反演精度，也采用s e a d a s 中默认的0 c 4 算 法计算模拟的离水反射率对应的叶绿素浓度分布。 分析算法实际上是基于辐射传输模型的一种方法，它通过对辐射传输方程的 近似求解，将水体的表观光学参量( 如海表漫反射率) 用固有光学参量( 如吸收 系数、后向散射系数等) 表示，也就是将方程展开为水中各成分的吸收系数和后 向散射系数的非线性函数。若已知各成分的特征吸收系数和后向散射系数以及各 波段的遥感反射比，可对整个模型进行反向计算。分析算法的优点是可以同时反 ， 演出多种水体成分的浓度，但缺点是必须对相应水域的固有光学特性作大量的先 期测量与分析工作。 目前具有代表性的分析算法有m o r e l 的三成分模式和a l a ny u - h u a a 的分析 模式，但是由于各水色要素浓度与引起的后向散射特性与吸收特性之间的关系复 杂，区域性特点显著，增大了固有光学性质的研究难度，因此限制了分析算法的 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 发展【3 9 】。 表2 2 几个海色传感器的叶绿素浓度的经验算法 s e n s o rn a m e e q u a t i o n c 牙= 1 0 0 ( o3 6 6 3 0 6 7 r 4 $ + i 9 3 0 碍s + o 6 4 9 r 2 s 一1 5 3 2 r ： s ) s e a w i f so c 4 w h e r e 心= l o g ，。( 碟 碟 碟) c a = 1 0 o ( n 2 8 耻2 7 5 3 马 ，+ 1 4 5 7 确，+ o ，6 5 9 r ；m 一1 4 0 3 r ；m ) m o d i so c 3 m w h e r e 玛| ，= l o g ，。( 磷 碟) c a = 1 00 ( o 加5 2 9 0 0 r 4 0 + 1 ，6 9 0 r 2 0 + o 5 3 0 r 3 0 - 1 1 4 4 且4 0 ) o c t so c 4 0 w h e r e 置。= l o g ，。( 碟 碟r 。5 2 0 ) 白= 1 0 0 ( o 3 6 2 - 4 0 6 6 r 3 c + 5 1 2 5 r 2 c + 2 “5 醯- 0 ，5 9 7 r i c ) c z c so c 3 c w h e r e = l o g ，。( 碟 磷) o = 1 0 0 ( o 3 6 8 2 8 1 4 r 4 e + l 4 5 6 磁+ o 7 6 8 r o e 一1 2 9 2 r 4 4 e ) m e r i so c 4 e w h e r e 置。= l o g ，。( 磷 磷 础) 随后结合了经验和分析两种算法特点的半分析算法得到了很好的发展 4 0 4 4 1 。这种算法根据辐射传输方程的解，通过遥感反射比模型反演得到叶绿素浓 度以及水中其它光学成分的固有光学性质。它的经验性体现在对某些吸收和散射 系数项( 如粒子的后向散射系数、叶绿素的吸收系数、黄色物质和浮游植物碎屑 的吸收系数等) 进行参数化，从而使得反演算法得以继续【l 】。它的发展是基于对 水体的表观光学性质( 如遥感反射比或辐照度比) 与固有光学性质( 散射系数和 吸收系数) 之间非线性关系的深入了解。虽然这种算法在局部海域已经取得了比 较好的反演效果，但是该算法比较复杂，计算量相对较大。 虽然生物光学算法研究已经取得了很大的成就，但是由于现场测量数据数量 少且地域分布有限( 同步数据更少) ，海色叶绿素算法的准确性和精度的提高受 ，= 争， 到了阻碍【3 6 1 ，尤其在二类水域，水体中含有的多种成分( 包括河口泥沙悬移质和 有色可溶性有机物c d o m ) 对大气校正和生物光学算法的影响很大。于是在2 0 世纪9 0 年代中后期，出现了很多新的模式算法( m o d e l b a s e da p p r o a c h e s ) ，这 1 2 亚洲吸收性气溶胶的大气校正算法的仿真研究 些算法利用生物光学模型描述水体组分与离水辐射之间的关系，利用辐射传输模 型模拟光在大气和海洋中传播的光谱特征。这些模式在海水的不同组分、大气的 不同状态下计算水面或大气层顶的模拟光谱，然后建