水下光谱漫射衰减系数遥感反演解读

水下光谱漫射衰减系数遥感反演朱乾坤，何贤强，毛志华，龚芳卫星海洋环境动力学国家重点实验室，杭州310012摘要：光谱漫衰减系数是水体表观光学量随深度变化的反映。到目前为止，国际上对水下光谱漫射衰减系数的遥感反演模式研究的还不够深入，而对水下光谱漫射衰减系数遥感反演研究得更少。目前反演水下光漫射衰减系数均采用建立实测数据基础上的波段比值法。少数的科学家利用Mueller(2002)的算法从遥感数据(SeaWiFSandMoDIS)反演水下光漫射衰减系数。本文在ZhongpingLee(2002)水体固有光学量半分析遥感算法的基础上，建立了水下光谱漫射衰减系数的半分析遥感反演模型。利用1999年在南海测得的水下光场剖面数据进行验证，结果表明七个波段(412nm,443nm，490nm，510nm，520nm，555nm和565nm)的平均相对误差分别为：15.4%,12.6%,13.3%,10.2%，11.9%，9.8%，10.3%，说明本文建立的水下光谱漫射衰减系数反演模型是可行的。由于上述实测数据均为清洁一类水体数据，对二类水体的适用情况还需要进一步检验。关键词：光谱漫射衰减系数，海洋水色遥感，半分析模型.、八 、■前言光谱漫衰减系数是水体表观光学量随深度变化的反映。对不同类型的海水光谱漫衰减系数的值是随着光谱的波长变化而变化。对于沿海水体，光谱漫衰减系数的值随着光谱波长从400nm到555nm的增加会明显的减少；而随着光谱波长从555nm到700nm的增加而增加。对于大洋水体，光谱漫衰减系数的值很小。对于不同类型的海水，同一波长的光谱漫衰减系数变化很大。如当波长为412nm时，光谱漫衰减系数的范围为0.016m 1.341聊〜，而波长为555r珈时，光谱漫衰减系数的值相差可达到50倍。到目前为止，国际上对水下光谱漫射衰减系数的遥感反演模式研究的还不够深入，而对水下光谱漫射衰减系数遥感反演研究得更少；目前反演水下光谱漫射衰减系数均采用建立实测数据基础上的波段比值。本文在ZhongpingLee(2002)水体固有光学量半分析遥感算法的基础上，建立水下光谱漫射衰减系数的半分析遥感反演模型，并利用现场实测水下光场剖面数据对模型进行验证°K(490)反演AustinandPetzold(1981)III针对CZCS开发的490nm光谱漫射衰减系数的反演模式：K(490)咆吣怡跚and(1)式中Ko(490)是纯海水在波长490nm的漫射衰减系数，Ko(490)=0.022m—1取自SmithBaker(1981)心3；人和如分别为443nm和550nm；L。是归一化离水辐射率，系数150对SeaWiPS.MODIS等第二代水色遥感器，一般在490hm附近设有波段。从SeaWiFS的情况看，大气校正后得到的L,.,443在统计上比实测小，而三切，490与三。555与实测很符合。因此，对SeaWiFS、MODIS等第二代水色遥感器采用490hm和55rim波段反演K(490)，常用Mueller(2002)口1得到K(4901的反演模式：足(490，=0.016+0.15645［锱r1此外，还有一些其它模式，它们基本上大同小异，如Prasadet(2)利用实测数据对上式进行精度验证，当K(490)<0.25m—1时，平均相对误差为26%，标准差为0.018m—，而当K(490)>o.25m—1时，平均相对误差为48%，标准差为0.193m〜。a1.,(1998)H1得到：r，，卜g［崩］BurenkovetJK(490):i0(—o—761—1328.x+o口83.z‘)㈤a1.(2001)‘射：刚90)=0.022+O.1水下光谱漫射衰减系数半分析遥感模型9［锱】a日(4)半分析遥感模型反演水下光谱漫射衰减系数主要是参考ZhongpingLee(2002)等的水体固有光学特性反演方法。由Gordon(1983)n1公式：kd以)=业必〜。COS日…(5)式中，口似)和bb何)是总吸收系数和总后项散射系数，轧为水中太阳入射角。我们假设太阳在天项，即COS秒。=1.0,则有：屯以)二口s)+玩以)由Gordon(1988)饽1建立的水次表面遥感反射率与水体固有光学量的关系式：(6)(7)kQ)=g。甜O)+g°lQ汗式中，£，。)=刁瓦bFb(硼A)，(7)得到：为水体的固有光学量：go=o.0895，gl=o.1247.U以)由式“似)：二鱼土kZ土垒盘丝烂一291(8)%以)可由水上表面的遥感反射率(R。)计算得到，因此甜0)也可以由上式计算得到。下面直接给出水下光谱漫射衰减系数的反演步骤：由大气校正后获得的水上表面遥感反射率计算水次表面的遥感反射率％似)：151计算水体固有光学量,迤)：删二端“S)：二量！土睦！！=±鱼垒垡逍(10)计算490nm波长的水体光漫射衰减系2数g,：K(490)=0.016+0.15甜5［崩f—%o(490)=u(490)K(490)—b抑(490)(12)(4)计算波长为490nm的水体颗粒后向散射系数6幼(490)：计算颗粒后向散射系数光谱指数Y：瑚.21—1.2ex{—o—9矧)(13)计算其它波长的后向散射系数％以)：计算出水下光谱漫射衰减系数K(五)：砌)：帮bbp(2)=%(490)(爿(14)(15)K(490)的验证利用NASA的标准水体漫射衰减系数遥感产品K(490)与本模式反演得到的K(490)产品进行比较，以验证其反演产品的可靠性及精度。下图分别是1998年8月的模式反演得到的K(490)遥感产品(图1)和NASA从SeaWiFS数据中反演的K(490)遥感产品(图2)。152陶1、本模式反演的K(490)月平均产一目，图2、NASA反演的K(490)月平均产品通过比较这2个K(490)产品，可咀得到他们其对应点的散点I划如下1划翔3、图1和图2的K(490)比较的散点蚓通过计算，这2个遥感产品的相关系数为0.975，相对平均误差为10.7%，总样本数为27284，说明本模式反演得到的K(490)遥感产品是可靠的，其反演精度基本上与NASA反演的K(490)遥感产品精度接近。水下光谱漫射衰减系数反演模式验证利用陈楚群等1999年在南海测得的水下光场剖面数据及我们建立的水下光谱漫射衰减系数反演模型，得到在412rim，443nm，490nm，510nm，520nm，555r删，565nm七个波段的光谱漫射衰减系数，并与实测数据做比较。七个波段的平均相对误差分别为：15.4%,12.6%,13.3%,10.2%,11.9%,9.8%,10.3%，说明给出的水下光谱漫射衰减系数反演模型是可行的。但由于上述实测数据均为清洁的一类水体数据，验证的结果也只能说明在一类水体的情况，对二类水体情况还需要进一步检验。以下是七个波段的反演误差散点图：一零)Joo叱aKd(412)(m'1)一零)Joo；wI叱bKd(443)(m‘')154C一紧)Jom芷Kd(510)(m-1)fKd(520)(m°1)155零orooo.>肖苟叱Kd(555)(m一)8w面芷皇磊gKd(565)(m一)图4、七个波段光谱衰减系数反演误差散点图(a)412nm,(b)443nm,(c)490rub,(d)510nm,(e)520nm,(f)555r皿，(g)565nm.结论本文在ZhongpingLee(2002)水体固有光学量半分析遥感算法的基础上，建立了水下光谱漫射衰减系数的半分析遥感反演模型。利用1999年在南海测得的水下光场剖面数据进行验证，结果表明七个波段(412nm,443nm,490nm,510ma,520nm,555r衄和565nm)的平均相对误差分别为：15.4%,12.6%,13.3%,10.2%,11.9%,9.8%,10.3%，说明本文建立的水下光谱漫射衰减系数反演模型是可行的。由于上述实测数据均为清洁一类水体数据，对二类水体的适用情况还需要进一步检验。感谢感谢.本研究得到了国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项资金项目HY—1B卫星资料应用的关键技术研究(JT0805)的支持。156参考文献[1]AUSTINRw,PETz0LDT.Thedeterminitionofthediffuseattenuationcoefficientofzoneseawaterusingthecoastalcolorscanner[A].GOWERJFR.0ceanographyfromSpace[M].NewYork：PlenumPress.1981.239—256[2]SMITHRC,BAKERKS0pticalpropertiesoftheclearestnaturalwaters(200—800nm)[J].AppliedOpticso1981,20：177-184.[3]MUELLERJL°FARGI0NGS.0Cean0pticsProtocolsforSatellite0CearlColorSensorValidation[M],ReVision3NASATechMemoGreenbelt,Maryland•GoddardSpaceF1ightSpaceoCenter,2002308[4]KSPrasad,RLBernstein,MKahruandBG•Mitchell“OCEAN

WATERCLARITY(SECCHIDEPTH)FR伽SeaWiFS^.presenteddttheC0nference,Qingda0,China,28—31COLORLGORITHMSFORESTIMATING4thPacificOceanRem0teSensingJu1y1998.tch,0•V.,andSheberst0V,0fbi0—0ptica1characteristics[5]Burenk0V,V•I.,Yerdernik0V,V.I,Ersh0Va,S•V•,K0pe1eVi[6]S.V.(2001).Useofsate11ite0ceanc010rdataf0rassessmentintheBarentSea.Okean010giya41:485—492•:7Lee,z.P.,Carder,K.L.,andArnone.R•(2002).Derivinginherent0ptica1pr0Perties[8]fr0mwaterc010r：Amu1ti一bandquasi—ana1ytica1a1g0rithmf0roptica11ydeepwaters.App1.Opt41：5755.—■5772:9]G0rd0n,H.R.,andM0re1,A•(1983).Rem0teassessment0f0cear