CN103344570A - 一种离水辐亮度确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种离水辐亮度确定方法及装置，依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角，并依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强，再从水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，从而得到水体的离水辐亮度，可见，本实施例所述的方法及装置中，通过水体的偏振特性确定水体的离水辐亮度，因此，只需要预设观测方位角和观测天顶角即可，而不必变换传感器的观测几何，从而能够避免因变换传感器的观测几何而导致的离水辐亮度的准确度不高的问题。

Description

一种离水辐亮度确定方法及装置

技术领域

本发明涉及遥感反演领域，尤其涉及一种离水辐亮度确定方法及装置。

背景技术

通常，在利用水域遥感图像反演水域的水质的过程中，需要用到水体的离水辐亮度参数。在现有技术中，水体的离水辐亮度L_w通过公式L_w＝L_sw－r_sky*L_sky计算得到，因此，要确定离水辐亮度，需要先测量得到水体辐亮度光谱L_sw和天空光辐亮度光谱L_sky，而水体辐亮度光谱和天空辐亮度光谱的观测天顶角互为反方向，例如，水体辐亮度光谱的测量天顶角为45度，则天空辐亮度光谱的观测天顶角为-45度，因此，当使用一台传感器测量测量时，需要不断变换传感器的观测几何，如果此过程中气象条件不稳定，则得到的水体辐亮度光谱和天空辐亮度光谱难以匹配，因此，容易导致由两者确定的离水辐亮度L_w不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种离水辐亮度确定方法及装置，目的在于解决现有的离水辐亮度确定方法得到的结果不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种离水辐亮度确定方法，包括：

依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

优选地，所述光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角包括：

依据对应关系

确定与预设的入射角对应的折射角，其中，i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，n₁为空气的折射率，n₂为水的折射率。

优选地，所述依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强包括：

接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入

中，计算所述水体的水面反射光强，其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱，L_o为水面反射光强。

优选地，所述预设的观测方位角包括：

135度观测方位角；

所述预设的观测天顶角包括：

53度观测天顶角。

一种离水辐亮度确定装置，包括：

入射角确定模块，用于依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

水面反射光强确定模块，用于依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

离水辐亮度确定模块，用于通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

优选地，所述入射角确定模块包括：

入射角计算单元，用于依据对应关系

确定与预设的入射角对应的折射角，其中，i₁为进入水体的自然光的入射角，i₂为进入水体的自然光的折射角，n₁为，n₂为。

优选地，所述水面反射光强确定模块包括：

接收单元，用于接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

水面反射光强计算单元，用于通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入

中，计算所述水体的水面反射光强，其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱，L_o为水面反射光强。

优选地，所述预设的观测方位角包括：

135度观测方位角；

所述预设的观测天顶角包括：

53度观测天顶角。

本发明实施例提供的一种离水辐亮度确定方法及装置，依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角，并依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强，再从水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，从而得到水体的离水辐亮度，可见，本实施例所述的方法及装置中，通过水体的偏振特性确定水体的离水辐亮度，因此，只需要预设观测方位角和观测天顶角即可，而不必变换传感器的观测几何，从而能够避免因变换传感器的观测几何而导致的离水辐亮度的准确度不高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种离水辐亮度确定方法的流程图；

图2为本发明实施例公开的又一种离水辐亮度确定方法的流程图；

图3为不同观测方位角和观测天顶角下，水面反射光强的去除效率的示意图；

图4为使用本发明实施例公开的一种离水辐亮度确定方法去除水面反射光强的光谱曲线、两次去除水面反射光强的光谱曲线及未去除水面反射光强的光谱曲线的示意图；

图5为本发明实施例公开的一种离水辐亮度确定装置的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的又一种离水辐亮度确定装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开的一种离水辐亮度的确定方法及装置，其核心发明点在于，通过水体的偏振特性确定水面反射光强，从而确定水体的离水辐亮度，目的在于提高离水辐亮度的准确性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开的一种离水辐亮度确定方法，如图1所示，包括：

S101：依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

S102：依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

光具有波粒二象性，因此具有偏振特性，水体具有明显的偏振特性，即当自然光入射水体时，镜面反射光的垂直分量总是大于水平分量。因此，水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间具有约束关系，本发明的实施例中，即利用此约束关系，确定水面反射光强。

S103：通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

空光是由大气中的颗粒对太阳光进行散射及本身的热辐射而形成的天空中的光。天空光在入射到水体表面后，发生透射和反射现象。其中，透射部分进入水体与水体发生作用后又重新返回水面“离开水体”的辐射，称为离水辐射；反射部分称为水面天空光反射，由于其几乎不带有水体内部组分信息，但是会随离水辐射一起进入遥感传感器，因此需要去除。

现有技术中，为了去除水面天空光反射，需要测量得到水体辐亮度光谱L_sw和天空光辐亮度光谱L_sky，而水体辐亮度光谱和天空辐亮度光谱的观测天顶角互为反方向，当使用一台传感器测量测量时，需要不断变换传感器的观测几何，如果此过程中气象条件不稳定，则得到的水体辐亮度光谱和天空辐亮度光谱难以匹配，因此，容易导致由两者确定的离水辐亮度L_w不准确，由此可见，现有的去除水面天空光反射方法中所需的参与计算的参数受到测量方式的限制，精度较低，因此，得到的离水辐亮度L_w的准确性会收到影响。

而本实施例所述的方法，通过水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系确定水面反射光强，这与现有的确定水面发射光强的方法截然不同，因此，不再需要变换传感器的观测几何，所以，能够保证离水辐亮度不会因为数据获取的测量过程而降低准确性。

本发明实施例公开的又一种离水辐亮度确定方法，如图2所示，包括：

S201：依据对应关系

确定与预设的入射角对应的折射角；

其中，i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，n₁为空气的折射率，n₂为水的折射率。

对应关系

由水体的物理特性决定。

S202：接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

在实际应用中，不同观测方位角和观测天顶角下，水面反射光强的去除效率如图3所示，图3中显示，从方位角来看，按照去除效率从高到底的排序为：135°>90°>0°；从天顶角来看，按照去除效果从高到底的排序为：53°>37°。当观测方位角为135°，观测天顶角为53°时，去除效率高于80%；当观测方位角为135°，观测天顶角37°时，去除效率高于60%；而当观测方位角为90°，观测天顶角为37°时，该波段去除效率为40%。由此可见，最佳的观测几何为观测方位角为135°，观测天顶角为53°，因此，本实施例中，所述预设的观测方位角可以为135度观测方位角，所述预设的观测天顶角可以为53度观测天顶角，即本实施中的偏振光谱为观测几何设定为观测方位角为135°，观测天顶角为53°遥感传感器获取的。

在实际应用中，0度偏振光谱和90度偏振光谱可以通过在传感器上加载偏振棱镜获取。

实际应用中，可以使用汤姆森偏振棱镜。

S203：通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入中，计算所述水体的水面反射光强L_o；

其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱。

公式的物理依据为菲涅尔反射折射公式，推导过程如下：

设空气与水的折射率分别为n₁和n₂。光从大气入射，在气水界面上会发生反射和折射。将入射的自然光分解成振动方向相互垂直和振幅相等的两个独立分量，一个为振动面平行于入射面的线偏振光（简称为平行分量或P分量），另一个为振动面垂直于入射面的线偏振光（简称为垂直分量或S分量），则菲涅尔反射折射公式为：

$r_s=\frac{E_{1s}^{\′}}{E_{1s}}=-\frac{\sin (i_1-i_2)}{\sin (i_1+i_2)}---\left(1\right)$

$r_p=\frac{E_{1p}^{\′}}{E_{1p}}=\frac{\tan (i_1-i_2)}{\tan (i_1+i_2)}---\left(2\right)$

$t_s=\frac{E_{2s}^{\′}}{E_{1s}}=\frac{2\cos i_1\sin i_2}{\sin (i_1+i_2)}---\left(3\right)$

$t_p=\frac{E_{2p}^{\′}}{E_{1p}}=\frac{2\cos i_1\sin i_2}{\sin (i_1+i_2)\cos (i_1-i_2)}---\left(4\right)$

其中，E′_1s为反射光S分量的光矢量，E_1s为入射光S分量的光矢量，r_s为S分量的振幅反射比，E′_1p为反射光P分量的光矢量，E_1p为入射光P分量的光矢量，r_p为P分量的振幅反射比，E′_2s为透射光S分量的光矢量，t_s为S分量的振幅透射比，E'_2p为透射光P分量的光矢量，i₁和i₂分别为入射角和折射角；由以上四式可知，当i₁+i₂=π/2时，r_p=0，P分量没有反射光，此时的入射角i₁即为水的布儒斯特角。如果此时在传感器前加一个偏振片，其透光轴与光的入射平面平行（即为0°偏振，透光轴与光的入射平面垂直时称90°偏振），那么S分量的线偏振光将完全无法通过偏振片进入传感器，此时由传感器得到的将是带有水体内部信息的离水辐射能量。

当i₁+i₂≠π/2时，由菲涅尔反射折射公式可知，反射光中的P分量与部分S分量可重新合称为自然光，而剩余的部分S分量则仍然是线偏振光。这时，水面反射光为自然光和线偏振光组成的部分偏振光。设部分偏振光中自然光强L_n，线偏振光为L_l，则水面反射光L₀可以表示为：

L₀=L_n+L_l        (5)

又设从水体中散射出的光的强度为L_i，那么传感器可得到的总光强为：

L=L₀+L_i=L_n+L_l+L_i         (6)

在此，假设水中散射出的光看作自然光，由于自然光通过偏振片后的光强减半，所以在90°偏振时，有：

在0°偏振时，有：

由式(7)和(8)可得知：

L_l=L_90°-L_0°=L_s-L_p         (9)

式中，L_s为水面反射光的S分量光；L_p为水面反射光P分量光。由于光强与振幅的平方成正比，又由于入射光为自然光，所以E_1s=E_1p，从而有，

$\frac{L_s}{L_p}=\frac{{\left|r_s\right|}^2}{{\left|r_p\right|}^2}=\frac{|\frac{E_{1s}^{\′}}{E_{1s}}{|}^2}{{\left|\frac{E_{1p}^{\′}}{E_{1p}}\right|}^2}={\left[\frac{\cos (i_1-i_2)}{\cos (i_1+i_2)}\right]}^2---\left(10\right)$

设水面反射光的偏振度为P，则由偏振度的定义可得：

$P=\frac{L_l}{L_0}=\frac{L_s-L_p}{L_s+L_p}---\left(11\right)$

由式(9)-(11)可得：

则水面反射光强L_o为：

S204：通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

图4中显示为去除水面反射光强的光谱曲线、未去除水面反射光强的光谱曲线、及两次去除水面反射光强的光谱曲线，从中可以看出，在可见光波段内，未去除水面反射光强的光谱曲线与去除水面反射光强的光谱曲线有明显区别。而利用偏振测量两次去除水面反射光强的光谱曲线与去除水面反射光强的光谱曲线接近，这说明利用偏振测量两次去除水面反射光强的方法能够较好地去除水表天空光反射对水体光谱曲线的影响。

需要说明的是，因为离水辐亮度受光照条件影响较大，遥感反射率受光照条件影响相对较小，更有利于遥感反演算法的构建，因此，离水辐亮度可以用于计算遥感反射率Rrs=离水辐亮度Lw与水面入射辐照度Ф的比值。所以，在本实施例中，在确定离水辐亮度的同时，还可以获取参考板的光谱，从而计算计算得到水面入射辐照度。

本实施例所述的方法，测量过程不需要变换观测几何，仅仅通过对水体的光谱测量即可实现水表反射天空光的去除。因此操作较为简单，同时减少了更改观测几何造成的测量误差。另外，由于可以连续对水体进行测量，当应用于监测站点或低空飞行监测时，即使短时间内气象条件变化较大，但是测量可以在很短的时间内完成，几乎不会受到气象条件变化影响。

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种离水辐亮度确定装置，如图5所示，包括：

入射角确定模块501，用于依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

水面反射光强确定模块502，用于依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

离水辐亮度确定模块503，用于通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

本实施例所述的装置，能够通过水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系确定水面反射光强，这与现有的确定水面发射光强的方法截然不同，因此，不再需要变换遥感传感器的观测几何，所以，能够保证离水辐亮度不会因为数据获取的测量过程而降低准确性。

本发明实施例还公开的又一种离水辐亮度确定装置，如图6所示，包括：

入射角计算单元601，用于依据对应关系

确定与预设的入射角对应的折射角；

其中，i₁为进入水体的自然光的入射角，i₂为进入水体的自然光的折射角，n₁为，n₂为。

接收单元602，用于接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

本实施例中，所述预设的观测方位角为135度观测方位角，所述预设的观测天顶角为53度观测天顶角。

水面反射光强计算单元603，用于通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入

中，计算所述水体的水面反射光强；

其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱。

离水辐亮度确定模块604，用于通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

本实施例所述的装置，能够通过简便的操作确定水体的离水辐亮度，并且不受气象条件变化的影响。

本实施例所述的装置确定离水辐亮度的方法与上述方法实施例相同，这里不再赘述。

本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备（可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种离水辐亮度确定方法，其特征在于，包括：

依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角包括：

依据对应关系确定与预设的入射角对应的折射角，其中，i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，n₁为空气的折射率，n₂为水的折射率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强包括：

接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入

中，计算所述水体的水面反射光强，其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱，L_o为水面反射光强。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述预设的观测方位角包括：

135度观测方位角；

所述预设的观测天顶角包括：

53度观测天顶角。

5.一种离水辐亮度确定装置，其特征在于，包括：

入射角确定模块，用于依据光进入水体的折射角与入射角的关系，确定与预设的入射角对应的折射角；

水面反射光强确定模块，用于依据水面反射光强与光进入水体的反射角、折射角及预设角度的偏振光谱之间的约束关系，通过在预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱，确定所述水体的水面反射光强；

离水辐亮度确定模块，用于通过从测量得到的所述水体的光谱辐亮度中去除所述水面反射光强，确定所述水体的离水辐亮度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述入射角确定模块包括：

入射角计算单元，用于依据对应关系

确定与预设的入射角对应的折射角，其中，i₁为进入水体的自然光的入射角，i₂为进入水体的自然光的折射角，n₁为，n₂为。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水面反射光强确定模块包括：

接收单元，用于接收预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱；

水面反射光强计算单元，用于通过将所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱和90度偏振光谱、所述入射角及所述折射角代入

中，计算所述水体的水面反射光强，其中，所述i₁为进入水体的光的入射角，i₂为进入水体的光的折射角，L_90°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的90度偏振光谱，L_0°为所述预设的观测方位角和观测天顶角下测量得到的水体的0度偏振光谱，L_o为水面反射光强。

8.根据权利要求5、6或7所述的装置，其特征在于，所述预设的观测方位角包括：

135度观测方位角；

所述预设的观测天顶角包括：

53度观测天顶角。

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