CN106198460A - 应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，考虑了实际海洋大气条件下太阳入射角度、海面风速、叶绿素浓度、海表面粗糙度、大气浑浊度以及折射率的波长依赖性等多维元素的复合影响，同时考虑了实际海洋环境下白帽和飞沫对海表反照率的影响效应。基于海洋‑大气耦合辐射传输理论和实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率实现了多维元素的参数化，实现了0.2‑14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，结果精度和计算效率均可满足气候、遥感及海洋空间光电工程的应用需求。

Description

应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法

技术领域

本发明涉及海洋光学海表反射特性参数辐射计算领域，具体是一种应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法。

背景技术

复杂海洋环境背景下，海表反照率不仅具有入射光波长依赖性，还受海洋水体类型、海洋表面环境、太阳入射的角度以及海水折射率等诸多因素的影响。其中，不同的水体类型，因其内部所含浮游生物及衍生物种类和浓度不同，对一定波长的光具有不同的吸收系数以及综合后向散射系数；不同的海洋表面环境对海表反照率的影响主要是海洋表面是否出现的飞沫以及白帽对反照率的影响。对于占地球表面积约70％的海洋，在大空间尺度上通过洋流和大气环流的形式改变着能量的分布，是影响地球气候的主要因素。而目前的地球观测卫星发布的地表反照率产品几乎都是针对陆地，海洋反照率难以获取，限制了海色、海洋气溶胶等遥感产品的精度。在气候模拟及海空光电工程应用中，因无法获取海表反照率参数，缺乏了解海表反照率的分布特征，而难以掌握模拟结果的精度评估和工程应用效能的影响机理。

海面风速驱使海面飞沫和白帽的产生，已有的观测均表明这些因素在可见至近红外波段对海洋反照率影响较大，数值和反照率本身相当。另一方面，全球海洋水体特征并不相同，占全球海洋的99％左右几乎都符合I类水体的特征，还有一小部分是II类水体特征。此外，目前还没有一台光学仪器(无论是地基还是空间光学探测器)具备从紫外到热红外(0.2-14.3微米)的高光谱探测能力。以上这些复杂因素，都使得在全谱段准确获取海表反照率是一项严峻的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，以解决现有技术中海表反射特性定量提取中的精度和应用局限性的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，其特征在于：基于海洋-大气耦合辐射传输理论，考虑不同海水折射率、不同太阳入射角度、不同海洋环境对太阳直射海表面时的反照率的贡献，并结合实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率进行多维元素的参数化，实现了0.2-14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，具体过程如下：

对于无白帽和飞沫的海洋环境，其海表反照率计算方法如公式(1)：

α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1-f_λ,diff)α_λ,dir

(1)

公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波长λ处，无海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，f_λ,diff表示入射辐射场中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括发生在海表面处的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面处的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面对直射辐射的反射部分和海水内部体散射贡献的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$

其中ρ_F可用菲涅尔反射公式计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$

公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示不同入射角度的太阳倾顶角；η(θ_s,σ)是利用多元回归技术得到的回归函数；

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$

公式(5)中，贴水层下表面辐照度反射率R_λ,w利用下式获得：

$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

其中，b_λ,b为不同类型水体的综合后向散射系数，a_λ表示不同类型水体的吸收系数；

对于有白帽和飞沫的海洋环境，白帽和飞沫对太阳直射海表面时的反照率的贡献需要考虑，考虑到白帽覆盖率在足够持续的海风情况下是随风速的立方变化的，所以对于实际海洋环境，通过基于不同风速下海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam的有效计算，可得到海洋飞沫和白帽影响下的随机起伏海面光谱反照率α_λ：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_λ，foam (7)

α_{λ，foam_free}表示波长λ处，有海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，其中，海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam用下式计算：

$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$

公式(8)中，U₁₀为距离海表面10米高度处的海风风速，至此便实现了高精度随机起伏海表面可见-近红外光谱反照率的理论计算；

对于0.2-14.3微米谱段的海表反照率α_λ，结合实际海洋多光学平台实测海洋飞沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater观测数据，通过下式计算：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam (9)

通过光谱插值运算，可获取0.2-14.3微米波段任意波长处海表反照率的计算。

本发明考虑了海水类型、海表风速造成的不同海水折射率、吸收系数以及后向散射系数、以及海表面粗糙度等多种复杂因素的复合影响，结合了实际海洋环境下白帽和飞沫的发生概率及其反射特性对海表反照率的影响，可应用于随机起伏海洋表面光反射特性的理论计算，适应范围更广；可适应于I类水体和II类水体；同时，利用海洋-大气耦合辐射理论计算与实测数据相结合的方式，并利用光谱插值，可实现0.2-14.3微米光谱区间任意波长处海表反照率的计算。为任何涉及海表-大气耦合辐射传输的高精度计算和海天背景下特征目标的辐射修正提供唯一下垫面反射特性接口参数支持。为提高海洋卫星遥感产品的地面真实性检验、临近空间海空光电系统的实时标校和海洋背景信号的有效剥离提供了全谱段海表面反射信息。

本发明的原理是：依据海洋-大气耦合辐射机理以及海洋光学理论，融合空-天-地多光学平台的海洋探测数据，通过前向辐射传输模型的理论计算和实测数据的比对分析，在太阳入射角度(即太阳天顶角)、海表风速(决定海面粗糙度)、水体叶绿素浓度和大气浑浊度四维空间实现海表反照率的高精度参数化，通过实测数据对参数化方法进行验证和优化，从而解决海表反照率全谱段获取的技术难题。

本发明研发了一种新型的应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，以弥补现有模型在不同风速(海况通用性)、不同海域(区域通用性)、不同季节(季节适用性)、不同光谱范围以及计算精度等方面的不足，更好地满足气候研究及海洋环境光电工程对海表参数的应用需求。

与现有技术相比本发明具有的积极效果在于：

1)由于考虑了海洋飞沫和白帽的发生率以及不同风速下的海面粗糙度，因此对实际海洋环境的适用性更强，具有精度上的技术优势；

2)由于海表反照率全谱段计算方法考虑了不同水体的叶绿素含量和不同地理位置太阳入射的几何变化等主要参数，对于不同纬度的海域的区域应用性更强；

3)由于考虑了不同海洋大气浑浊度，同时对海洋气溶胶和云的影响也进行了合理的考虑，因此，针对海洋大气条件的适用性更强；

4)由于考虑了多光学平台的实测数据，运用了光谱插值和优化方法，因此，覆盖光谱维度方面更具有全面性。

附图说明

图1是本发明的模块结构图。

图2是本发明的技术流程。

具体实施方式

应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，其特征在于：基于海洋-大气耦合辐射传输理论，考虑不同海水折射率、不同太阳入射角度、不同海洋环境对太阳直射海表面时的反照率的贡献，并结合实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率进行多维元素的参数化，实现了0.2-14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，具体过程如下：

对于无白帽和飞沫的海洋环境，其海表反照率计算方法如公式(1)：

α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1-f_λ,diff)α_λ,dir

(1)

公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波长λ处，无海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，f_λ,diff表示入射辐射场中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括发生在海表面处的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面处的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面对直射辐射的反射部分和海水内部体散射贡献的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$

其中ρ_F可用菲涅尔反射公式计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$

公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示太阳天顶角；η(θ_s,σ)是利用多元回归技术得到的回归函数；

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$

公式(5)中，贴水层下表面辐照度反射率R_λ,w利用下式获得：

$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

其中，b_λ,b为不同类型水体的综合后向散射系数，是纯海水、浮游生物及衍生物等物质综合后向散射系数，a_λ表示不同类型水体的吸收系数；

对于有白帽和飞沫的海洋环境，白帽和飞沫对太阳直射海表面时的反照率的贡献需要考虑，考虑到白帽覆盖率在足够持续的海风情况下是随风速的立方变化的，因此，本发明采用Morahan&O’Muircheartaigh(1980)的白帽覆盖率计算方法，可有效避免美国海军研究室海洋光学部提供的参数化方案在较高风速时出现覆盖率大于1的不合理现象。所以对于实际海洋环境，通过基于不同风速下海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam的有效计算，可得到海洋飞沫和白帽影响下的随机起伏海面光谱反照率α_λ：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_λ，foam (7)

α_{λ，foam_free}表示波长λ处，有海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，其中，海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam用下式计算：

$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$

公式(8)中，U₁₀为距离海表面10米高度处的海风风速，至此便实现了高精度随机起伏海表面可见-近红外光谱反照率的理论计算；

对于0.2-14.3微米谱段的海表反照率α_λ，结合实际海洋多光学平台实测海洋飞沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater观测数据，通过下式计算：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam (9)

通过光谱插值运算，可获取0.2-14.3微米波段任意波长处海表反照率的计算。

本发明应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，考虑了不同水体类型、海水折射率和不同海表风速造成的不同海表面粗糙度等多种复杂因素的复合影响，考虑了实际海洋环境下白帽和飞沫的发生概率及其反射特性对海表反照率的影响，可应用于随机起伏海洋表面光反射特性的理论计算。由于考虑了I类水体的特征，所述方法对与全球99％的海洋区域均适用。由于II类水体通常位于近海岸，该类水体的成分和光学特性异常复杂。但海水的体散射在可见谱段非常有限，且通常小于菲涅尔反射率，尤其在低太阳高度角的情况下。因此，所述方法也适用于近海海域海表反照率的估算。

本发明利用海洋-大气耦合辐射理论计算与实测数据相结合的方式，并利用光谱插值，可实现0.2-14.3微米光谱区间任意波长处海表反照率的计算。为任何涉及海表-大气耦合辐射传输的高精度计算和海天背景下特征目标的辐射修正提供唯一下垫面反射特性接口参数支持。为提高海洋卫星遥感产品的地面真实性检验、临近空间海空光电系统的实时标校和海洋背景信号的有效剥离提供了全谱段海表面反射信息。

参见图1，应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，包括有5个大模块：

模块1是控制参数输入模块，包括所需计算的波长大小或波长间隔、叶绿素浓度大小或范围、风速大小或变化区间、太阳入射角度数值或范围、大气状况(能见度或光学厚度)。

模块2海洋-大气前向辐射传输理论计算和实测数据同化模块，该模块中涉及到融合模块1中输入参数的驱动模型计算。

模块3是参数化模块，包括基于风速的白帽覆盖率计算、不同波长处的折射率计算以及菲涅尔反射系数的计算等功能。

模块4是核心计算模块，分别计算海表面直射反照率和漫射反照率。

模块5是输出模块，根据用户输入的控制指令输出计算结果，生成报表。

本发明主要技术流程图如图2所示。为了提高应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法的运行效率，本发明预先根据海洋-大气辐射传输模型计算结果和实测数据对海表反照率关键参数进行参数化，大幅提高模块4中的运算速度，0.2-14.3微米的细分连续光谱的海表反照率通过光谱维快速插值得到。

本发明主要实现了应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，高精度的技术优势主要体现在综合考虑了实际海洋大气条件下太阳入射角度、风速、叶绿素浓度、海表面粗糙度、大气浑浊度以及折射率随波长变化的特征等多维元素的复合影响，同时考虑了实际海洋环境下白帽和飞沫对海表反照率的影响效应，高效率主要体现在对关键参数的预先建立了参数化模型，使得运算效率大幅提高。该计算方法有助于推进国家对海洋区域海表光反射特性时空变化的规律性认知，促进全面掌握关键海域海表面参数信息，为我国海色遥感、海洋气溶胶特征参数的定量获取、气候研究及相关海洋空间光电工程应用提供重要参数支撑。

Claims (2)

1.应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，其特征在于：基于海洋-大气耦合辐射传输理论，考虑不同海水折射率、不同太阳入射角度、不同海洋环境对海表反照率的贡献，并结合实际海洋多光学平台观测数据，对海表反照率进行多维元素的参数化，实现了0.2-14.3微米波谱区间全谱段海表反照率的计算，具体过程如下：

对于无白帽和飞沫的海洋环境，其海表反照率计算方法如公式(1)：

α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1-f_λ,diff)α_λ,dir (1)

公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波长λ处，无海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，f_λ,diff表示入射辐射场中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括发生在海表面处的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面处的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面对直射辐射的反射部分和海水内部体散射贡献的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$

其中ρ_F可用菲涅尔反射公式计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$

公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示太阳天顶角；η(θ_s,σ)是利用多元回归技术得到的回归函数；

公式(2)中，用下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$

公式(5)中，贴水层下表面辐照度反射率R_λ,w利用下式获得：

$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

其中，b_λ,b为不同类型水体的综合后向散射系数，a_λ表示不同类型水体的吸收系数；

对于有白帽和飞沫的海洋环境，白帽和飞沫对太阳直射海表面时的反照率的贡献需要考虑，考虑到白帽覆盖率在足够持续的海风情况下是随风速的立方变化的，所以对于实际海洋环境，通过基于不同风速下海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam的有效计算，可得到海洋飞沫和白帽影响下的随机起伏海面光谱反照率α_λ：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_λ，foam (7)

α_{λ，foam_free}表示波长λ处，有海洋飞沫和白帽发生的海表面光谱反照率，其中，海表面飞沫和白帽覆盖率C_foam用下式计算：

$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$

公式(8)中，U₁₀为距离海表面10米高度处的海风风速，至此便实现了高精度随机起伏海表面可见-近红外光谱反照率的理论计算；

对于0.2-14.3微米谱段的海表反照率α_λ，结合实际海洋多光学平台实测海洋飞沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater观测数据，通过下式计算：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam (9)

通过光谱插值运算，可获取0.2-14.3微米波段任意波长处海表反照率的计算。

2.根据权利要求1所述的应用于海洋环境的随机起伏海表面反照率全谱段计算方法，其特征在于：所述的不同类型水体包括I类水体和II类水体。