一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法与流程

本发明涉及一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法，属于海洋技术领域，在水色遥感技术研究和定量化应用方面具有重要意义。

(二)

背景技术：

自然界大型水体(包括海洋、湖泊、河流与水库等)的底质类型主要分为：沙质型、淤泥型、水草型、珊瑚礁型以及上述类型的混合型。相对于其他水底类型，沙质型水底具有较强的反射特性，对光学浅水遥感信号产生显著的影响。因此，科学认识沙质型水底的二向反射特性对于海洋浅水水质精确反演、水深遥感反演等方面具有非常重要的意义。

二向性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性，而且这种方向性还与入射方向、物体表面结构特征及物质组成等具有密切的关系。不同物体表面将入射的电磁波朝四面八方散射(除吸收外)，形成散射通量不同的空间分布，反射的方向性是其空间结构特征与材料波谱特征的函数。物体的反射特性通常用二向性反射分布函数(bidirectionalreflectancedistributionfunction,brdf)加以精确描述。

大量事实与研究表明，地表存在着不同程度的非朗伯体特性。植被、土壤的二向反射特性及基于二向反射特性的地球化学参数与地表物质结构参数反演研究在国内外取得了长足的进展，并发展出一些比较成熟的土壤及植物冠层的二向反射分布模型。但在海洋学中，水体的二向反射特性研究相对较少。这主要是由于影响海洋光谱方向性的因素较多，海上原位测量比较困难，风浪、船体与仪器设备的阴影、入射光照条件等都能引起较大误差，难以通过实验精确测量。以往的诸多相关研究多侧重于沙质型水底反射率数值大小的测量，通常认为水底是朗伯反射体，而不考虑沙质型水底反射的方向性。实际上沙质型水底往往并非平坦，在水动力作用下往往形成一定的水底形态，如沙脊与水下沙丘等典型水下地貌类型，水下地表的起伏必然对水下入射光的反射产生显著的影响，因此需要对真实的沙质型水底的brdf特性进行合理地描述。

本研究借鉴典型的陆地表面土壤brdf模型(hapke模型)，mie散射模型、耦合水体生物光学模型，构建一种新型的适用于沙质型水底的brdf模型，对于海洋水色遥感中正确估算离水辐亮度，实现水底反射贡献与水柱散射贡献的分离具有非常重要的研究意义。

(三)

技术实现要素：

本发明涉及一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法，技术解决方案如下：基于hapke土壤brdf模型描述裸露沙地的二向反射特性，构建光学浅水水体生物光学模型以刻画水柱衰减对水底反射信号的影响，最后将裸土brdf模型与光学浅水水体生物光学模型进行耦合，实现对沙质型水底方向反射特性的描述与量化。其具体步骤如下：

1一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法。其特征在于包含以下步骤：

2步骤一：利用hapke模型模拟裸露沙质土壤光谱的方向反射特性，具体技术流程如下：

3第一步：根据太阳入射方向与观测方向计算在该观测几何下的散射角：

4

5其中，φ为散射角，θs为太阳天顶角，θv为观测天顶角，为太阳方位角，为观测方位角；

6第二步：采用henyey-greenstein相函数计算土壤颗粒的平均散射相函数：

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8其中，g表示不对称因子，取值范围为[-1,1]，其中，-1对应于后向散射，+1对应于前向散射；

9第三步：考虑散射的后向热点效应，计算土壤后向散射效应如下：

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11其中，h表示与热点宽度相关的经验性参数，h＝tan(hwhm/2)，hwhm表示热点峰值一半处的半角宽度；

12第四步：计算土壤颗粒间的多次散射过程，用h(x,ω)表示：

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14其中ω为颗粒物的平均单次散射反照率；

15第五步：计算裸露沙地光谱的方向反射率：

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其中，sh表示后向散射的热点峰值；

17步骤二：基于mie散射模型计算单次散射反照率与散射相函数不对称因子，作为hapke模型的输入参数，从而实现mie散射模型与hapke模型之间的耦合；

18步骤三：构建光学浅水的水体生物光学模型，叠加水体背景于裸露沙地表面，构建沙质型水底的浅海辐射场景；海表层上表面遥感反射比rrs表示为：

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20其中，为水—气交界因子，t-为从海表层下表面到上表面的透过率，t+为从海表层上表面到下表面的透过率，n为海水的折射率；γ＝qγ，γ是水—气界面内反射系数，q＝eu-/lu-，ζ与γ的值由hydrolight水体光学辐射传输模型导出，分别为0.518和1.562；

21将光学浅水的海表层下表面遥感反射比rrs分解为水体反射与水底反射的贡献之和，即

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23式中，第一项为海水水体的散射贡献，第二项为海底的反射贡献，为光学深水的海表层下表面遥感反射比，kd为下行辐照度的垂直平均漫射衰减系数，为水体上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，为海底上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，ρ为海底辐照度反射率，h为海底深度，a0,a1为系数；

24光学深水的遥感反射率可表示为

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27式中，a，bb分别为海水总吸收系数和后向散射系数；g0,g1为和海水各组分的相位函数相关的参数；当垂直观测时，对于清洁水体，g0≈0.0949,g1≈0.0794；对于浑浊水体，g0≈0.084,g1≈0.17；对于清洁水体和浑浊水体并存的区域，取其均值，分别为g0≈0.0895,g1≈0.1247；

28令

29α＝a+bb

30任意漫射衰减系数k能用一个近似分布函数d表示，即

31k＝dα

32对于特定类型的分布函数：

33kd＝ddα,

34由于α是固有光学性质，所有与k有关的量转化为与分布函数d有关，

35

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38由上可知，光学浅水遥感反射率可以重新表达为

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40根据精确的数值模拟可得，a0,a1分别为1.032和0.309；d0,d1,d2,d3分别为1.03、2.4、1.04和5.4；

41步骤四：耦合底质hapke模型与光学浅水水体生物光学模型，形成一种沙质型水底光谱方向反射特性描述的技术方案；将hapke模型计算得到的ρ(θv,θs,)作为光学浅水遥感反射率模型的输入，代替模型中的反照率ρ，由此可得沙质型水底光谱方向反射特性的描述方法如下：

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本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的技术通常是将水底当作朗伯反射体，不考虑水底反射的方向性，本发明将方向性反射特性引入到沙质型水底的光场描述，相比现有的技术更为精确，具有显著的创新性，丰富了水体光学与水色遥感理论。

(2)本发明利用半经验的土壤brdf模型与半分析的光学浅水生物光学模型，相比于辐射传输模型，本发明的模型方法物理概念清晰、计算方便、速度快、可操作性强，且具有可靠的精度保证。

(四)附图说明

图1为本发明的技术流程。

图2为基于本发明的模型，定量分析太阳入射天顶角、热点宽度与高度、水深、水体组分浓度等因素对沙质型水底方向反射特性的影响，其中图2(a)为太阳天顶角对沙质型水底反射率的影响；图2(b)为单次散射反照率对沙质型水底反射率的影响；图2(c)水深对沙质型水底反射的影响；图2(d)为悬浮物浓度对沙质型水底反射的影响。

(五)具体实施方式

为了更好地说明本发明涉及的一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法，利用本发明的模型进行了测试与分析，取得了良好的效果，具体实施方法如下：

(1)基于mie散射模型计算土壤颗粒物的单次散射反照率与散射相函数不对称因子；

(2)将mie散射计算得到的单次散射反照率、散射相函数的不对称因子，设定热点宽度与热点高度，输入到hapke模型，计算得到裸露土壤的二向反射率数据；

(3)给定水体组分(叶绿素a、无机悬浮物、黄色物质)浓度、水体深度、水底反照率与太阳入射天顶角，构建光学浅水水体生物光学模型；

(4)将hapke模型的输出结果作为光学浅水水体生物光学模型的水底反射率的输入，由此可计算得到在特定的水体组分浓度、水深、水底反照率与地形粗糙度等情形下，沙质型水底的二向反射率分布。

实验结果如图2所示，基于本发明的模型，可以定量探讨太阳入射天顶角、热点宽度与高度、水深、水体组分浓度等因素对沙质型水底方向反射特性的影响。