专利名称：一种Ⅱ类水体离水辐亮度反演方法
技术领域：
本发明属于卫星遥感数据处理技术领域，特别涉及一种II类水体离水辐亮 度反演方法。
背景技术：
目前通用的业务化水色遥感大气校正方法都依赖被动式卫星传感器实现， 主要是利用水体在近红外波段吸收强的特点，假定近红外波段离水辐亮度为零， 通过两个近红外大气校正波段进行气溶胶辐射的光谱扩展，最终实现水色遥感 大气校正。这种方法比较成熟，数据处理方面己经建立了水色遥感标准大气校 正算法。但该方案对于浑浊水体却并不适用，原因是因为浑浊水体中的悬浮泥 沙、叶绿素浓度较高，在近红外波段的后向散射比较强，从而使得近红外波段
离水辐亮度为零的假设不能成立。在本技术领域，浑浊水体一般称为n类水体， 包括近岸浑浊n类水体和内陆浑浊n类水体。相对于清洁i类水体来讲，n类 水体与人们的生活最为相关，因此开展n类水体大气校正研究对于我国海洋环
境监测、渔业资源管理等都具有重要意义。相关文献有Hu， C., K. L. Carder, and R E. Miiller-Karger, Atmospheric correction of SeaWiFS imagery over turbid coastal waters: a practical method. Remote Sensing of Environment, 2000， 74， 195-206
星载大气气溶胶探测激光雷达是一种新兴的主动式探测技术。2006年4月 28日发射的CALIPSO (The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星是"A-Train"观测计划中的一颗极轨卫星，其主要的科学任务是从太空向地球探测气溶胶和云的垂直分布及其光学特性。其上搭载的 CALIOP传感器不像现行的其他星载传感器，它以主动遥感方式探测大气气溶胶 光学特性，受天气情况影响较小，在高地面反射率地区，依然能获取有效的气
溶胶观测值。相关文献有Winker David M., Hostetler Chris A.，Vanghan M A， Omar A H, CALIOP Algorithm Theoretical Basis Document, Part 1: CALIOP Instrument, and Algorithms Overview, 2006。但该激光雷达传感器的科学任务是获取大气气溶 胶的消光系数和廓线分布，无法实现对地面和水体参数的探测。
发明内容
本发明目的在于提供一种II类水体离水辐亮度反演方法，以解决II类水体 的水色遥感大气校正问题。
本发明的技术方案为
首先，将II类水体和其附近的低反射地区作为研究区域，针对研究区域进 行初步反演，包括以下3个步骤，
步骤l.l，结合大气模式和激光雷达方程，求解出主动式卫星传感器的大气气溶 胶消光系数，并对其进行积分得出研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值； 步骤1.2，利用与主动式卫星传感器观测值时空准同步的被动式卫星遥感影像， 对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行去云处理；
步骤1.3，对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行噪声去除处理,所述研究 区域的气溶胶光学厚度主动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚度主动观 测值和低反射地区的气溶胶光学厚度主动观测值；
然后，利用主动式卫星遥感气溶胶光学厚度与被动式卫星遥感气溶胶光学 厚度的相关关系求解II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据，并计气溶胶辐射影响，最终得到n类水体离水辐亮度，具体包括以下5个步骤，
步骤2.1，通过被动式卫星传感器获取研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值， 所述研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚 度被动观测值和低反射地区的气溶胶光学厚度被动观测值；根据低反射地区的 气溶胶光学厚度被动观测值对步骤1.3所得低反射地区的气溶胶光学厚度主动
观测值进行校准处理，建立主动式卫星遥感气溶胶光学厚度和被动式卫星遥感
气溶胶光学厚度的校准关系式；
步骤2.2，利用步骤2.1所得校准关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度主动
观测值进行校准处理以求得气溶胶光学厚度主动观测值的近似真值；
步骤2.3，对主动观测值的近似真值与相应的II类水体上空的气溶胶光学厚度被
动观测值进行相关性分析，建立相关关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度
被动观测值进行修正处理，得到II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据；
步骤2.4，根据II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据计算气溶胶辐射影
响；
步骤2.5，根据气溶胶辐射影响，实现II类水体离水辐亮度的反演。
而且，对于邻近区域有清洁I类水体的近岸浑浊II类水体，将清洁I类水体 作为低反射率地区，将近岸浑浊II类水体和清洁I类水体作为研究区域，浑浊 II类水体与清洁I类水体的划分利用浑浊水体指数实现;对于内陆浑浊II类水体， 将其邻近的浓密植被区域作为低反射率地区，将内陆浑浊II类水体和浓密植被 区域作为研究区域。
而且，所述主动式卫星传感器采用CALIPSO卫星上搭载的CALIOP传感器； 所述被动式卫星传感器采用Aqua卫星上搭载的MODIS传感器。而且，进行步骤2.1的具体方式为，每一个MODIS像元对应三个CALIOP 激光雷达点数据，从三个CALIOP激光雷达点数据中去除异常偏高的点数据， 剩下两个点数据取平均值，通过该平均值与相应的气溶胶光学厚度被动观测值 建立所述校准关系式。
本发明针对现有水色遥感技术所用的业务化大气校正算法中存在的问题， 提出利用主动式探测技术受地表信息影响较小的优势，将主被动遥感方式结合 进行II类水体离水辐亮度反演。本发明提供的技术方案可以得到精确的II类水 体离水辐亮度，能够实现II类水体的水色遥感大气校正。
图1为本发明实施例的CALIOP气溶胶光学厚度反演值校准处理示意图； 图2为本发明实施例的II类水体水色遥感大气校正流程示意图。
具体实施例方式
本发明所提供实施例的主动式卫星传感器采用CALIPSO卫星上搭载的 CALIOP传感器，被动式卫星传感器采用Aqua卫星上搭载的MODIS传感器。 CALIOP传感器波长较短通道的中心波长为532nm，与水色遥感所用的被动式卫 星传感器中用于叶绿素浓度探测的531nm波段的中心波长仅仅相差lnm，在光 谱设置上具有一定的一致性，因此可以方便地利用两者之间的这种一致性，采 用CALIOP气溶胶光学厚度反演值去改进水色遥感数据的气溶胶光学厚度反演 结果，进而实现II类水体区域的水色卫星遥感影像较高精度的大气校正。特别 是对过境时间与CALIPSO卫星仅相差1分30秒左右的MODIS/Aqua传感器来 讲，两种传感器获取的气溶胶数据在时间上可以看作是同步的，实施更为方便， 改进效果更为明显。对于过境时间和波长设置有差异的传感器，也可以采用本发明所提供技术方案处理，只是在空间扩展时需要考虑时间变化引起的气溶胶 光学特性变化；在光谱扩展时，利用其他辅助信息获取较为准确的光谱依赖指 数即可。
以下结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细描述
首先，将II类水体和其附近的低反射地区作为研究区域。对于邻近区域有 清洁I类水体的近岸浑浊II类水体，实施时可以将清洁I类水体作为低反射率地 区，将近岸浑浊II类水体和清洁I类水体作为研究区域，浑浊II类水体与清洁I 类水体的划分利用浑浊水体指数实现；对于内陆浑浊II类水体，实施时可以将 其邻近的浓密植被区域作为低反射率地区，将内陆浑浊II类水体和浓密植被区 域作为研究区域。针对研究区域进行初步反演，包括以下3个步骤， 步骤l.l，结合大气模式和激光雷达方程，求解出主动式卫星传感器的大气气溶 胶消光系数，并对其进行积分得出研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值；
CALIOP传感器获取的532nm通道的削弱后向散射系数A'3v(")满足方程
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，风z)为532mn通道的后向散射系数；
r2(z)为532nm通道的双向透过率。其中<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，tr(O是大气消光系数；
r(O是r范围内的大气光学厚度。 大气的散射和消光是由大气分子、气溶胶共同引起的，因此
<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 9</formula> (4)
<formula>formula see original document page 9</formula> 3
^是大气分子的消光-后向散射系数比。大气分子后向散射系数/ (0和消光系数 (0可以由大气模式和测量得到，本发明实施例采用1976年美国海洋和大气局 (NOAA)提出的大气模式，该大气模式是卫星遥感数据处理技术领域的常用手 段，AW用下式计算
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，义是以nm为单位的中心波长。本实施例中，对CALIOP激光雷达532nm 通道数据进行处理时，；i=532nm， H=8.3km，海表标准大气密度户。=2.5xl0'9cm'3。
根据实地调查所获取的参数和邻近站点气象参数确定大气气溶胶消光-后向散 射系数比&之后，联立方程1 5，计算可得CALIOP传感器的大气气溶胶消光 系数 W。对于在距地z,高度垂直星下点观测的星载激光雷达，r是与海拔相 关的量，z是距海平面的高程，r = z,-z。因为海拔40km以上的消光过程基本 可以忽略，所以具体实施时CALIOP传感器探测得到的研究区域的气溶胶光学 厚度主动观测值z^u。p (简称CALIOP反演值)能用大气气溶胶消光系数cr。(0从 0 40km的积分来求得
、證=〖V(，' (6) 由此，便得到了 532nm通道的气溶胶光学厚度主动观测值^^。p。 步骤1.2，利用与主动式卫星传感器观测值时空准同步的被动式卫星遥感影像， 对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行去云处理；
由于具体实施时，可能会有CALIOP观测得到的部分数据受云影响较为严 重，对常见光学传感器遥感监测水体参数没有什么意义，因此需要对CALIOP反演值进行去云处理。具体实施时可以采用以下步骤实现对准同步的
MODIS/Aqua影像进行预处理，检测出MODIS/Aqua影像上受云覆盖较为严重 的区域；找出MODIS/Aqua影像云覆盖区域对应的CALIOP反演值，确定阈值； 根据确定的阈值，对CALIOP反演值进行去云处理。
步骤1.3，对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行噪声去除处理，所述研 究区域的气溶胶光学厚度主动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚度主动 观测值和低反射地区的气溶胶光学厚度主动观测值；
由于具体实施时，白天的激光雷达数据受太阳背景光等噪声影响较为严重， 去云处理后的CALIOP反演值可能还含有较大误差，因此需要对其进行去噪声 处理。地表40km以上，基本不存在气溶胶粒子，但由于太阳背景光噪声的影响， CALIOP传感器白天获取的40km以上的削弱后向散射系数并不为零，对该部分 数据进行处理，可以实现CALIOP气溶胶光学厚度数据的去噪声处理。由于反 演过程中所用的大气气溶胶消光-后向散射系数比&是一个经验值，因此去噪处
理后的CALIOP气溶胶光学厚度可能还存在一定的误差，常常用低反射率区域 上空的气溶胶光学厚度被动观测值对其进行校准处理。
然后，利用主动式卫星遥感气溶胶光学厚度与被动式卫星遥感气溶胶光学 厚度的相关关系求解II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据，并计算其 辐射影响，最终得到II类水体离水辐亮度，包括以下5个步骤， 步骤2.1，通过被动式卫星传感器获取研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值， 所述研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚 度被动观测值和低反射地区的气溶胶光学厚度被动观测值；根据低反射地区的 气溶胶光学厚度被动观测值对步骤1.3所得低反射地区的气溶胶光学厚度主动观测值进行校准处理，建立主动式卫星遥感气溶胶光学厚度和被动式卫星遥感 气溶胶光学厚度的校准关系式；
MODIS水色遥感大气校正算法是以水色遥感大气校正基本方程为基础的，
MODIS水色遥感大气校正基本方程可以表述为
丄,A(;i)+AjA)+T(;i)，+"季,(;i)+,(歌(A) (7)
式中，Z,(义)为MODIS水色传感器接收到的总辐射量；^(A)为来自大气分子的 瑞利散射；4。("为大气气溶胶散射、瑞利-气溶胶之间的多次散射之和；T(义)为 太阳直射透过率；Zg(A)为直射太阳光在海洋表面的反射(又称太阳耀斑)； 为大气漫射透过率；丄,(/l)为白帽反射影响；k(A)为待求离水辐亮度。方程(7) 左边丄,(A)可以直接由MODIS影像DN值通过辐射定标获取；方程(7)右边所 有参量中，除4(A)、 k。(义)外，方程(7)右边其他各个参数都可以通过数值模 拟手段精确计算。在近红外波段离水辐亮度为零的假设条件下，通过以上MODIS 水色遥感标准大气校正算法的扩展方案就可以求解出气溶胶光学厚度，即 MODIS反演值。此处输出的清洁I类水体上空的被动式传感器MODIS气溶胶 光学厚度、自。^，精度较高，可以满足大气校正需求。但此处输出的II类水体 上空的被动式传感器MODIS气溶胶光学厚度^。,w」^由于近红外波段离水辐
射信号的干扰，精度不高，不能满足大气校正需求，因此需要修正处理。对于 浓密植被区域，被动式传感器MODIS气溶胶光学厚度、，自是采用暗像元方法
求解得到的，其精度也较高，能满足大气校正要求。因此可以用低反射率地区 的MODIS反演值对CALIOP反演值进行校准处理以进一步消除CALIOP反演 过程中的误差。
CALIOP反演值的水平空间分辨率为333米，而常用MODIS水色影像的空间分辨率为l千米。因此每一个MODIS水色影像像元有三个CALIOP激光雷达 点数据与之对应。经研究发现三个中有一个值往往偏高正常值很远，另外两个 值的平均值可以在一定程度上能反映气溶胶光学厚度的空间分布，因此可以采 用这两个值的平均值^n^来与低反射率地区的MODIS反演值建立关系，清
洁I类水体上空的气溶胶光学厚度记为rwatCT。。lOT ;浓密植被区域上空的气溶胶光学 厚度记为r，tati。n 。首先选取待研究II类水体附近的"清洁I类水体"或"浓密植 被"上空与CALIOP反演值对应的MODIS反演值数据；对照选择的MODIS反 演值，剔除最大值，用剩下的两个较小值计算得到平均值^」 。分析u，。, 和、^。,。r (或r，f)，用一个线性函数描述两者之间的相关关系
<formula>formula see original document page 12</formula>式中，a和b是回归系数。(8)式即为校准关系式。
本发明实施例采用的校准处理方式可参见附图1: (a)与被动式CALIOP 反演值对应的每个MODIS像元如I、 ni均对应有3个点数据，其中一个异常偏 高，如像元I的3号点，像元III的6号点；(b)去掉异常值，如3号和6号点 被剔除；(c)求取l、 2号点的平均值，4、 5号点的平均值，实现校准。 步骤2.2，利用步骤2.1所得校准关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度主动 观测值进行校准处理以求得气溶胶光学厚度主动观测值的近似真值；
具体实施时，所述校准关系式即公式(8)。 步骤2.3，对主动观测值的近似真值与相应的II类水体上空的气溶胶光学厚度被 动观测值进行相关性分析，建立相关关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度 被动观测值进行修正处理，得到II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据；
利用2.2步骤求得的近似真值只是II类水体激光雷达扫描线上点数据对应的MODIS像元上的值，要对其进行空间扩展，才能实现整个II类水体区域的大气
校正。因此还需要建立近似真值C。,与相应的MODIS反演值~。皿 之间的
关系式
其中，c和d分别为描述；。,—。c与之间关系的乘常数、加常数，可以 通过两者之间的线性回归运算获得。利用(9)式对步骤2.1所求得的整个II类 水体区域的MODIS反演值数据进行处理，就可得到II类水体上空的气溶胶光学 厚度分布改进数据。
步骤2.4，根据II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据计算气溶胶辐射影 响；
气溶胶单次散射丄。,(义,)的计算公式可以表示如下<formula>formula see original document page 13</formula>
cos《士 = ±coseo cosP —sin61。 sinPcos(^-( 12) 其中，《A《,A,)是散射角为a的气溶胶单次散射相函数；w。(A,)为气溶胶单次 散射反照率；F。为大气层外垂直入射的太阳辐照度；K^)是入射角为^的菲涅耳 反射率。《和-。分别是太阳天顶角和方位角；与之类似，^和-分别是传感器天 顶角和方位角。
根据改进的气溶胶光学厚度就可计算得到丄。,(义,)，且气溶胶辐射4。W)与 ;、^)之间存在近似的线性关系
<formula>formula see original document page 13</formula>
根据标准业务化算法中的气溶胶辐射查找表，确定系数《[义,k(/1)]，便可求得4。")。
步骤2.5，根据气溶胶辐射影响，实现n类水体离水辐亮度的反演。
根据方程(7)，离水辐亮度^(义,)可以用下式计算得到
"'卜 ^ 步骤2.1中已经描述瑞利散射、太阳耀斑、白帽影响可以用数值模拟手段精确计
算，因此，利用计算得到的将瑞利散射、太阳耀斑、白帽影响，将步骤2.4中计 算得到的气溶胶辐射影响代入方程(14)，就可实现II类水体大气校正。
参见附图2，本发明提供了实施例的大气校正流程以供实施参考
1、 对CALIOP原始数据进行处理以获取CALIOP反演值，并对其进行去云、去 噪处理；
2、 利用辅助气象参数，对卫星遥感影像进行大气校正预处理，并反演出低反 射地区抑谈水体上空的MODIS反演值，计算出II类水体区域的瑞利散射、 太阳耀斑、白帽影响，得到大气校正初步结果，该大气校正结果中，瑞利 散射、太阳耀斑、白帽影响已经去除，但还残留有气溶胶影响，本步骤中 所用的辅助气象参数，由美国国家环境预测中心(NCEP)通过美国国家航空 航天局(NASA)网站提供；
3、 利用去云、去噪处理后的CALIOP反演值，与相应的低反射率地区MODIS 反演值，建立校准关系式；
4、 利用低反射率地区的校准关系式进行CALIOP气溶胶光学厚度校准处理， 求解出II类水体CALIOP气溶胶光学厚度近似真值；
5、 利用CALIOP气溶胶光学厚度近似真值，与常用业务化标准算法输出的II 类水体气溶胶光学厚度，进行对比分析，建立修正公式，进行气溶胶光学厚度修正处理，得到II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据，并估
算气溶胶辐射影响，获取n类水体气溶胶影响估计值，执行大气气溶胶校 正处理以消除大气校正初步结果中的气溶胶辐射影响，得到离水辐亮度。
权利要求
1.一种II类水体离水辐亮度反演方法，其特征在于首先，将II类水体和其附近的低反射地区作为研究区域，针对研究区域进行初步反演，包括以下3个步骤，步骤1.1，结合大气模式和激光雷达方程，求解出主动式卫星传感器的大气气溶胶消光系数，并对其进行积分得出研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值；步骤1.2，利用与主动式卫星传感器观测值时空准同步的被动式卫星遥感影像，对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行去云处理；步骤1.3，对研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值进行噪声去除处理，所述研究区域的气溶胶光学厚度主动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚度主动观测值和低反射地区的气溶胶光学厚度主动观测值；然后，利用主动式卫星遥感气溶胶光学厚度与被动式卫星遥感气溶胶光学厚度的相关关系求解II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据，并计气溶胶辐射影响，最终得到II类水体离水辐亮度，具体包括以下5个步骤，步骤2.1，通过被动式卫星传感器获取研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值，所述研究区域的气溶胶光学厚度被动观测值包括II类水体上空的气溶胶光学厚度被动观测值和低反射地区的气溶胶光学厚度被动观测值；根据低反射地区的气溶胶光学厚度被动观测值对步骤1.3所得低反射地区的气溶胶光学厚度主动观测值进行校准处理，建立主动式卫星遥感气溶胶光学厚度和被动式卫星遥感气溶胶光学厚度的校准关系式；步骤2.2，利用步骤2.1所得校准关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度主动观测值进行校准处理以求得气溶胶光学厚度主动观测值的近似真值；步骤2.3，对主动观测值的近似真值与相应的II类水体上空的气溶胶光学厚度被动观测值进行相关性分析，建立相关关系式对II类水体上空的气溶胶光学厚度被动观测值进行修正处理，得到II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据；步骤2.4，根据II类水体上空的气溶胶光学厚度分布改进数据计算气溶胶辐射影响；步骤2.5，根据气溶胶辐射影响，实现II类水体离水辐亮度的反演。
2. 根据权利要求1所述的II类水体离水辐亮度反演方法，其特征在于对于 邻近区域有清洁I类水体的近岸浑浊II类水体，将清洁I类水体作为低反射率 地区，将近岸浑浊II类水体和清洁I类水体作为研究区域，浑浊II类水体与清洁i类水体的划分利用浑浊水体指数实现；对于内陆浑浊n类水体，将其邻近的浓密植被区域作为低反射率地区，将内陆浑浊II类水体和浓密植被区域作 为研究区域。
3. 根据权利要求2所述的II类水体离水辐亮度反演方法，其特征在于所述 主动式卫星传感器采用CALIPS0卫星上搭载的CALI0P传感器；所述被动式卫星 传感器采用Aqua卫星上搭载的M0DIS传感器。
4. 根据权利要求3所述的II类水体离水辐亮度反演方法，其特征在于进行 步骤2. 1的具体方式为，每一个M0DIS像元对应三个CALI0P激光雷达点数据， 从三个CALI0P激光雷达点数据中去除异常偏高的点数据，剩下两个点数据取平 均值，通过该平均值与相应的气溶胶光学厚度被动观测值建立所述校准关系式。
全文摘要
本发明涉及一种II类水体离水辐亮度反演方法，利用主动式卫星传感器探测大气时受地表信号影响较小的优势，结合被动式卫星传感器探测结果，通过低反射地区上空的两种探测方式所得气溶胶光学厚度之间的相关关系分析，求取II类水体上空高精度的大气气溶胶光学厚度分布改进数据，并根据其得出气溶胶辐射影响，从而实现了II类水体离水辐亮度的反演，达到了主被动卫星遥感方式结合辅助水色遥感数据大气校正的目的。该方案有业务化推广应用的前景，其精度要高于现行其它业务化方法。
文档编号G01S17/88GK101308215SQ20081004797
公开日2008年11月19日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者于之锋, 伟 张, 朱忠敏, 田礼乔, 陆建忠, 陈晓玲, 陈莉琼, 马盈盈, 威 龚 申请人:武汉大学