CN103389494B - 一种ii类水体水色遥感数据大气校正新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种II类水体水色遥感数据大气校正新方法。本发明利用短波红外瑞利校正反射率不受悬浮物影响并存在波长的指数函数变化关系的特征（在清洁水体近红外和短波红外波段都存在此关系），利用短波红外外插的方法计算近红外波段的气溶胶反射，并以此为基础采用Wang和Gordon提出的大气校正方法逐步实现所有可见光波段的大气校正。本发明能够成功实现II类水体（浑浊水体）的大气校正，其在清洁水体区域上的校正结果与SeaDAS的结果一致，由此说明本发明的大气校正新方法是可靠的。
Description
技术领域：
本发明涉及一种II类水体水色遥感数据大气校正新方法。
背景技术：
海洋水色遥感中，卫星传感器测量的可见光波段的辐射超过90%来自大气散射辐射和表面反射辐射，去除大气散射影响的过程就是大气校正。大气散射主要包括瑞利散射和气溶胶散射。由于大气分子产生的瑞利散射已能通过多次散射模型精确计算，而引起海面直接反射的太阳耀斑区域通常被屏蔽，泡沫引起的白冠反射也被忽略不计，因此大气校正的关键是气溶胶散射的估算。由于气溶胶在空间域及时间域上的变化较大，准确计算其散射比较困难，各种大气校正方法的不同也主要体现在对气溶胶散射的处理上。
根据光学性质可以将海水分为I类水体和II类水体。I类水体为大洋水体，II类水体为受陆源排放影响较严重的内陆及近岸混浊水体。目前对I类水体的大气校正非常成功，而II类水体的大气校正往往出现失败现象。图1为SeaDAS软件对2010年10月28日覆盖珠江口区域的Terra/MODIS数据大气校正的结果，近岸黑色区域为大气校正失败区域。近岸浑浊水体区水色遥感数据的大气校正一直以来是海洋水色遥感界的热点研究课题和世界性难题。近岸海域是人类活动非常频繁的区域，是生态环境监测最感兴趣的区域，该区域水色遥感数据大气校正的失败，严重影响了水色遥感技术的应用。因此，开发适合于II类浑浊水体区域的大气校正方法具有非常重要意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种能成功实现II类水体水色遥感数据大气校正新方法。
本发明的II类水体水色遥感数据大气校正新方法，是利用短波红外瑞利校正反射率不受悬浮物影响并存在波长的指数函数变化关系的特征（在清洁水体近红外和短波红外波段都存在此关系），利用短波红外外插的方法计算近红外波段的气溶胶反射，并以此为基础采用Wang和Gordon提出的大气校正方法逐步实现所有可见光波段的大气校正，其特征在于，包括以下步骤：
a、将待研究的海洋II类水体的MODIS各波段卫星遥感数据进行瑞利散射校正，校正后的数据称为“瑞利校正反射率”（瑞利散射是大气分子散射，可以通过理论计算，对其进行精确校正，校正方法属于常规知识）；
b、利用不受悬浮物影响的3个波段：1.240，1.640和2.130μm的瑞利校正反射率进行指数函数拟合曲线，并以此指数拟合函数外推到近红外波段，此拟合曲线就是水体在无悬浮物情况下的近红外到短波红外的模拟瑞利校正反射率，拟合曲线上对应于悬浮物影响波段0.748μm和0.869μm的值，就是0.748μm和0.869μm波段无悬浮物影响的模拟瑞利校正反射率，其包括气溶胶辐射和离水辐射；
c、比较步骤a瑞利校正反射率和步骤b的拟合曲线的拟合值，就可以知道MODIS数据受悬浮物影响的各个波段的“瑞利校正反射率”高于指数函数拟合曲线的部分则是由悬浮物贡献的反射率，由此得到用于大气校正的近红外波段不受悬浮物影响的水体模拟瑞利校正反射率ρef，其包括水体离水反射及气溶胶反射；
d、根据Gordon和Wang，大气顶层反射率可以被分解为不同的反射贡献：
ρt(λ)=ρr(λ)+ρa(λ)+t(λ)ρw(λ) （1）
在清洁水体上，离水反射为0，因此有
ρa(λ)=ρt(λ)-ρr(λ)。 （2）
瑞利校正反射率ρc定义为：
ρc(λ)=ρt(λ)-ρr(λ)=ρa(λ)+t(λ)ρw(λ)， （3）
引入大气校正因子ε(λ7,λ8)：
ε(λ7,λ8)≡ρa(λ7)/ρa(λ8)=ρc(λ7)/ρc(λ8)， （4）
用ρef替换ρc，因此公式(4)重写为：
ε(λ7,λ8)≡ρef(λ7)/ρef(λ8)， （5）
Wang和Gordon发现ε(λi,λ8)和波长λ的关系可以用一个指数形式来表达：
ε(λi,λ8)=exp[c(λi-λ8)]。 （6）
在一个小范围内及同一种气溶胶类型下，公式（6）中的c是一个常数，因此首先利用近红外波段0.748μm和0.869μm计算得到c，再按照这个指数外推的方法依次计算其他可见光波段的气溶胶反射率，最终可完成大气校正。
本发明能够成功实现II类水体（浑浊水体）的大气校正，其在清洁水体区域上的校正结果与SeaDAS的结果一致，由此说明本发明的大气校正新方法是可靠的。
附图说明：
图1为2010年10月28日SeaDAS处理的珠江口Terra/MODIS（0.488μm）离水辐射图像；
图2-图15是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的瑞利校正反射率图；
图16-图29是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的气溶胶反射率图；
图30-图40是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869μm波段的归一化离水辐射率图；
图41：（a）为2010年10月28日珠江口Terra/MODIS彩色合成图。红色点R1，R2，R3表示浑浊水体，蓝色点B1，B2，B3表示清洁水体。（b）为瑞利校正反射率曲线。为了对比浑浊水体中悬浮物对近红外及可见光波段的反射影响，瑞利校正反射率采取了归一化处理（所有选择点的瑞利校正反射率减去B1点的瑞利校正反射率）；
图42为指数函数拟合曲线；
图43为2010年10月28日不同方法实现的珠江口Terra/MODIS归一化离水辐射图像。(NIR、NIR-SWIR及MUMM分别表示选用SeaDAS软件中不同的大气校正算法计算的离水辐射，SWIRE为本发明提出的新方法)；
图44为2010年12月17日珠江口Terra/MODIS彩色合成图；
图45-图58是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的瑞利校正反射率图；
图59-图72是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的气溶胶反射率图；
图73-图83是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869μm波段的归一化离水辐射率图；
图84为2010年12月17日不同方法实现珠江口Terra/MODIS归一化离水辐射图像，其中NIR、NIR-SWIR和MUMM为SeaDAS中三种不同大气校正算法，SWIRE为本发明的方法。
图85为图84（a）中沿线A提取的3个波段的归一化离水辐射的剖面图，其中NIR、NIR-SWIR和MUMM为SeaDAS中三种不同大气校正算法，SWIRE为本发明的方法。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
按照公式（1）中对大气顶部反射率的分解，对MODIS混浊水体的大气校正处理分步执行，最终得到可见光波段的水色产品。
（1）辅助参数计算：太阳辐射日地距离及臭氧吸收校正。
（2）大气顶部反射率：提取MODIS可见光、近红外波段及短波红外波段的大气顶部反射率（表观反射率），并进行再定标处理。
（3）瑞利反射率：通过Gordon和Wang计算的查找表获取MODIS的可见光、近红外波段及短波红外波段的瑞利校正反射率，本算法中直接利用SeaDAS计算。
（4）消除悬浮物影响：利用1.240、1.640和2.130μm三个波段的瑞利校正反射率构建指数函数，得到消除悬浮物影响的高浓度混浊水体区域的两个近红外波段（0.748和0.869μm）的模拟瑞利校正反射率ρef，该外插计算得到的模拟瑞利校正反射率已剔除了悬浮物的影响。
（5）气溶胶估算：引入大气校正因子ε(λi,λj)，代入模拟瑞利校正反射率ρpf，利用Wang和Gordon提出的e指数方法对大气校正因子ε(λi,λj)进行外推计算，完成可见光波段的气溶胶估算。
（6）完成大气校正处理：按照大气顶部反射率的分解公式，剔除瑞利反射率和气溶胶反射率，并去除大气漫射透过率的影响，可以获得离水反射率，并计算归一化离水辐射率以及遥感反射率等相关水色产品。
实施例1：对2010年10月28日MODIS数据（图1和图41）用本发明的方法进行处理；
a、辅助参数的计算以及大气顶部反射率的计算都是遥感数据处理的基本步骤。本算法中使用的瑞利反射率直接利用SeaDAS软件计算的结果，SeaDAS的瑞利反射计算通过Gordon和Wang查找表实现。从大气顶部反射率中减去瑞利反射率就得到瑞利校正反射率（图2-图15是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的瑞利校正反射率图）。
b、然后利用1.240、1.640和2.130μm三个波段的瑞利校正反射率逐像元构建波长与瑞利校正反射率之间的指数函数拟合曲线（图42），根据该指数函数进行外插得到两个近红外波段0.748和0.869μm的模拟瑞利校正反射率，该外插计算得到的模拟瑞利校正反射率已剔除了悬浮物的影响，其包括气溶胶辐射和离水辐射。
c、比较步骤a的瑞利校正反射率和步骤b的指数函数拟合曲线的拟合值（模拟瑞利校正反射率），就可以知道MODIS数据受悬浮泥沙影响的各个波段的“瑞利校正反射率”高于指数函数拟合曲线的部分则是由悬浮物贡献的反射率，由此得到用于大气校正的近红外波段不受悬浮物影响的水体的模拟瑞利校正反射率ρef，其包括水体的离水反射及气溶胶反射；
d、将外插得到的模拟瑞利校正反射率计算大气校正因子，并结合Wang和Gordon提出的e指数方法进行外推计算，逐步完成可见光波段的气溶胶估算（图16-图29是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的气溶胶反射率图）。
c、最后按照大气顶部反射率的分解公式，剔除瑞利反射率和气溶胶反射率，并去除大气漫射透过率的影响，可以获得离水反射率，并计算归一化离水辐射率以及遥感反射率等相关水色产品（图30-图40是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869μm波段的归一化离水辐射率图）。
为了对本发明提出的方法在近岸浑浊水体大气校正的有效性进行说明，将本发明的方法实现的结果与SeaDAS中三种不同算法的结果进行对比（参见图43），从图43可以看出，NIR方法过校正现象最严重，失败区域也最多，SWIR方法比NIR方法失败区域稍少，MUMM方法相对较好，但是在特别浑浊水体区仍然有校正失败区域。而本发明提出的方法，在浑浊水体区几乎没有校正失败区域，在清洁水体区域的校正结果与SWIR和MUMM方法的结果基本一致。
实施例2：对2010年12月17日的数据（图44）用新旧方法进行处理；
实施例2数据的处理方法和实施例1完全一样，具体如下：
a、首先计算个波段瑞利校正反射率（图45-图58是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的瑞利校正反射率图）。
b、然后利用1.240、1.640和2.130μm三个波段的瑞利校正反射率逐像元构建波长与瑞利校正反射率之间的指数函数，并依据此指数函数进行外插，得到两个近红外波段0.748和0.869μm的模拟瑞利校正反射率，该外插计算得到的模拟瑞利校正反射率已剔除了悬浮物的影响，其包括水体的离水反射及气溶胶反射。
c、比较步骤a的瑞利校正反射率和步骤b的指数函数的拟合值（模拟瑞利校正反射率），就可以知道MODIS数据受悬浮泥沙影响的各个波段的“瑞利校正反射率”高于指数函数拟合曲线的部分则是由悬浮物贡献的反射率，由此得到用于大气校正的近红外波段不受悬浮物影响的水体的模拟瑞利校正反射率ρef，其包括水体的离水反射及气溶胶反射；
d、将外插得到的模拟瑞利校正反射率计算大气校正因子，并结合Wang和Gordon提出的e指数方法进行外推计算，逐步完成可见光波段的气溶胶估算（图59-图72是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869、1.240、1.640、2.130μm波段的气溶胶反射率图）。
c、最后按照大气顶部反射率的分解公式，剔除瑞利反射率和气溶胶反射率，并去除大气漫射透过率的影响，可以获得离水反射率，并计算归一化离水辐射率以及遥感反射率等相关水色产品（图73-图83是0.412、0.443、0.469、0.488、0.531、0.547、0.555、0.645、0.748、0.859、0.869μm波段的归一化离水辐射率图）。
为了对本发明提出的方法在近岸浑浊水体大气校正的有效性进行说明，将本发明的方法实现的结果与SeaDAS中三种不同算法的结果进行对比（图84）。此外在84（a）中沿剖线A提取了3个波段的归一化离水辐射并绘制剖面图（图85），可以看出在浑浊水体区域SeaDAS的三种算法大气校正基本都是失败，在清洁水体区域本发明提出的方法处理的结果与SeaDAS的SWIR和MUMM算法的结果保持一致，由此说明本发明的大气校正新方法是可靠的。
Claims (1)
1.一种II类水体水色遥感数据大气校正新方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将待研究的海洋II类水体的MODIS各波段卫星遥感数据进行瑞利散射校正，校正后的数据称为“瑞利校正反射率”；
b、利用不受悬浮物影响的3个波段：1.240，1.640和2.130μm的瑞利校正反射率进行指数函数拟合，并以此指数拟合函数外推到近红外波段，此拟合曲线就是水体在无悬浮物情况下的近红外到短波红外的模拟瑞利校正反射率，拟合曲线上对应于悬浮物影响波段0.748μm和0.869μm的值，就是0.748μm和0.869μm波段无悬浮物影响的模拟瑞利校正反射率，其包括气溶胶反射率和离水反射率；
c、比较步骤a瑞利校正反射率和步骤b的拟合曲线的拟合值，就可以知道MODIS数据受悬浮物影响的各个波段的“瑞利校正反射率”高于指数函数拟合曲线的部分则是由悬浮物贡献的反射率，由此得到用于大气校正的近红外波段不受悬浮物影响的水体模拟瑞利校正反射率ρef，其包括水体离水反射率及气溶胶反射率；
d、大气顶层反射率可以被分解为不同的反射贡献：
ρt(λ)＝ρr(λ)+ρa(λ)+t(λ)ρw(λ) (1)
在清洁水体上，离水反射为0，因此有
ρa(λ)＝ρt(λ)-ρr(λ) (2)
瑞利校正反射率ρc定义为：
ρc(λ)＝ρt(λ)-ρr(λ)＝ρa(λ)+t(λ)ρw(λ)， (3)
引入大气校正因子ε(λ7,λ8)：
ε(λ7,λ8)≡ρa(λ7)/ρa(λ8)＝ρc(λ7)/ρc(λ8)， (4)
用ρef替换ρc，因此公式(4)重写为：
ε(λ7,λ8)≡ρef(λ7)/ρef(λ8)， (5)
ε(λi,λ8)和波长λ的关系可以用一个指数形式来表达：
ε(λi,λ8)＝exp[c(λi-λ8)] (6)
在一个小范围内及同一种气溶胶类型下，公式(6)中的c是一个常数，因此首先利用近红外波段0.748μm和0.869μm计算得到c，再按照这个指数外推的方法依次计算其他可见光波段的气溶胶反射率，最终可完成大气校正。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103389494A (zh) | 2013-11-13 |
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