CN114544452B - 一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法。本发明提供的大气校正方法利用矢量辐射传输模型构建了针对中低浑浊度水体下的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率索引查找表，在校正过程中针对离水辐射偏振分量进行了准确的校正，最终根据离水辐射线偏振分量精确获得水体悬浮颗粒物浓度以及气溶胶光学厚度、浓度和粒径谱分布。通过本发明提供的大气校正方法，能够使卫星遥感探测的图像质量更高，探测结果更加准确。

Description

一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法

技术领域

本发明属于遥感图像处理领域，具体涉及一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法。

背景技术

大气是影响水色遥感定量分析与应用的重要因素，在大气顶所接收到的辐射强度信息中，大气信号占据90%左右，因此消除大气效应是决定水色遥感分析精度的重要前提。偏振图像的大气校正，对于获取水体真实的偏振信息有着重要的意义。

H.Xianqiang等人在The atmospheric correction algorithm for HY-1A/COCTS, SPIE Remote Sensing (SPIE, 2005), Vol. 5977一文叙述了我国 HY-1A/COCTS海洋遥感卫星所采用的大气校正方法，该方法的主要的缺陷在于仅考虑了离水辐射强度分量的大气校正过程，没有考虑离水辐射偏振分量在大气中传输时所对应的大气漫射透过率，然而离水辐射偏振分量对于充分利用离水辐射信息探究水体组分以及海况情况非常重要，如果针对其的大气校正过程不够准确，会极大的影响后续的相关水色组分探究。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，针对离水辐射线偏振分量进行了准确的大气校正。具体技术方案如下：

一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，主要包括以下步骤：

S1：利用辐射传输模型，模拟计算海水的光学特性为全吸收性水体时的海面之上的线偏振分量S_1,0+以及大气顶处的线偏振分量S_1,TOA；

S2：利用辐射传输模型，模拟计算不同的影响因子取值条件下的水面之上的线偏振分量S_2,0+，及大气顶处的线偏振分量S_2,TOA；

S3：根据步骤S1、S2的模拟计算结果，按照公式（1）计算得到不同的影响因子取值状态下离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，从而构建由不同的影响因子取值状态以及相应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S构建形成的索引查找表；

（1）

S4：应用上述索引查找表对多角度偏振水色遥感器采集的遥感数据进行大气校正。

其中，辐射传输模型选自OSOAA辐射传输模型、PCOART辐射传输模型或MOMO辐射传输模型，也可以使用其他的辐射传输模型，使用的辐射传输模型应当考虑了偏振情况，并且考虑了海气耦合。索引查找表主要围绕中低浑浊度水体进行构建，遍历中低浑浊度水体条件下所选取影响因子的不同取值状态，从而使所述索引查找表具有实际操作价值。

离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S可能由多种影响因子决定。但发明人通过研究发现，所述影响因子主要包括气溶胶模式SFModel、气溶胶光学厚度τ _a、太阳-遥感器观测几何（包括遥感器观测天顶角θ_v，太阳天顶角θ₀，以及太阳-传感器观测相对方位角φ）和模拟波长λ。因此，优选以上述6项参数作为影响因子，并计算得到各种取值情况下相应的的T_S，从而构建所述索引查找表。

具体的，所述步骤S4中应用上述索引查找表对多角度偏振水色遥感器采集的遥感数据进行大气校正，至少包括以下步骤：

S41：导入多角度偏振水色遥感器采集的多个波段的Stokes矢量辐射强度，扣除水面白沫反射辐亮度，并进行臭氧双层吸收修正，得到经修正的Stokes矢量辐射强度L′_t(λ)，其中λ表示模拟波长；

S42：利用辐射传输模型，得到Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)；

S43：计算大气程辐射辐亮度L_path(λ)；

S44：确定所述影响因子的取值，根据所述索引查找表确定对应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，获得水面之上的归一化离水辐射强度的线偏振分量。

在校正得到归一化离水辐射强度的线偏振分量后，即可根据根据经验公式，计算并发布水体悬浮颗粒物浓度以及气溶胶光学厚度、浓度以及粒径谱分布产品。

通过本发明提供的大气校正方法，在校正过程中充分考虑了离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率，对离水辐射线偏振分量进行了准确的大气校正，从而使卫星遥感探测的图像质量更高，探测结果更加准确。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了不同的水体无机颗粒物浓度下线偏振分量大气漫射透过率的误差变化情况；

图2示出了实施例中构建的索引查找表的插值精度示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些例举性的实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本发明提供了一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，该校正方法的第一个方面主要在于构建由不同的影响因子取值状态以及相应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S构建形成的索引查找表。以下用OSOAA辐射传输模型为例进行说明：

1. 导入OSOAA辐射传输计算模型;

2. 设置sea.depth=0.05，sea.bottype=1，sea.botalb=0，phyto.chl=0，sed.csed=0，det.abs440=1e5，ys.abs440=1e5，计算全吸收性水体(Black ocean)下的水面之上以及大气顶的Stokes矢量辐射强度，其中各参数的含义如下：

sea.depth：水深 (m)；sea.bottype：底质的反照率类型，取值为1时表示由用户自己设定具体的底质反照率值；sea.botalb：底质反照率具体的值，0表示全吸收，不发生底质的反射；phyto.chl：海表叶绿素浓度 (mg/m³)；sed.csed：海表无机颗粒物浓度 (mg/L)；det.abs440：有机碎屑440 nm吸收系数 (m^-1)；ys.abs440：黄色物质 440 nm吸收系数(m^-1)。

3. 设置sea.depth=100，sea.bottype=1，sea.botalb=0，phyto.chl=0.05，sed.csed=0，det.abs440=0，ys.abs440=0，计算大洋清洁水体下的水面之上以及大气顶的Stokes矢量辐射强度；

4. 设置sea.depth=100，sea.bottype=1，sea.botalb=0，phyto.chl=2.0，sed.csed=0，det.abs440=0.5，ys.abs440=0.5，计算富营养化水体下的水面之上以及大气顶的Stokes矢量辐射强度；

5. 设置sea.depth=100，sea.bottype=1，sea.botalb=0，phyto.chl=0，sed.csed=500，det.abs440=0，ys.abs440=0，计算浑浊水体下的水面之上以及大气顶的Stokes矢量辐射强度；

6. 利用以上步骤计算得到的Stokes矢量辐射强度以及步骤2得到的Stokes矢量辐射强度，根据T_S的计算公式，计算得到清洁、富营养化、浑浊水体下的离水辐射偏振分量大气漫射透过率分布；

7. 改变大气气溶胶参数条件，重复步骤2-6，计算不同的大气条件下，清洁、富营养化、浑浊水体下的离水辐射偏振分量大气漫射透过率分布情况，并由此发现离水辐射偏振分量大气漫射透过率的主要影响因子是气溶胶模式(SFModel)、气溶胶光学厚度(τ_a)、太阳-传感器观测几何(θ₀，φ，θ_v)、模拟波长(λ)；

8. 遍历中低浑浊度水体条件下的离水辐射偏振分量大气漫射透过率的主要影响因子范围，利用合适的影响因子步长，构建针对中低浑浊度水体的离水辐射线偏振分量大气漫射透过率的索引查找表。

图1示出了在不同的水体无机颗粒物浓度(C_sed=1.00, 10.00, 100.00, 300.00mg L^-1) 下，Stokes矢量辐射强度的Q和U线偏振分量大气漫射透过率相对于C_sed = 10 mgL^-1时的相对误差变化情况，其中，RE_Q|Q1表示Q线偏振分量的相对误差，RE_U|U1表示U线偏振分量的相对误差，C50气溶胶模式表示相对湿度50%的大陆型气溶胶；M99气溶胶模式表示相对湿度99%的海洋型气溶胶模式。可见，当无机颗粒物浓度发生变化时，Stokes矢量辐射强度的Q和U线偏振分量大气漫射透过率发生明显的变化，无机颗粒物浓度是离水辐射线偏振分量的主要影响因子之一。

选择正确的影响因子，并利用合适的影响因子步长，可以构建形成具有实际操作价值的查找表。如图2所示，通过以上具体实施方式构建形成的索引查找表具有很高的插值模拟精度。其中，横轴表示查找表插值结果，纵轴表示OSOAA辐射传输模型反演计算结果。图2给出了在441nm（图2中的a、c）和549nm（图2中的b、d）下的反演结果。可以发现，本算法所构建的针对中低浑浊度水下的离水辐射线偏振分量大气漫射透过率查找表精度较高，1000次Monte-Carlo模拟结果RMSE<0.05，同时R²>0.95，查找表插值结果和OSOAA辐射传输模型反演计算结果具有很高的一致性。

本发明提供的校正方法的第二个方面在于应用上述索引查找表对多角度偏振水色遥感器采集的遥感数据进行大气校正，主要包括以下步骤：

S41：导入多角度偏振水色遥感器采集的多个波段的Stokes矢量辐射强度，扣除水面白沫反射辐亮度，并进行臭氧双层吸收修正，得到经修正的Stokes矢量辐射强度L′_t(λ)，其中λ表示模拟波长；

S42：利用辐射传输模型，得到Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)；

S43：计算大气程辐射辐亮度L_path(λ)；

S44：确定所述影响因子的取值，根据所述索引查找表确定对应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，获得水面之上的归一化离水辐射强度的线偏振分量。

本具体实施方式以OSOAA模型为例进行示例性的说明：

步骤S41中的水面白沫反射辐亮度具体通过公式（2）确定：

（2）

其中，t_Iv(λ)L_wc(λ)为水面白沫反射辐亮度，L_wc(λ)为水面白沫反射在水面之上所对应的辐亮度，c(λ)为水体吸收修正系数，R_wc(λ)为白沫反射率，F₀(λ)为大气顶太阳辐照度，θ₀为太阳天顶角，t_Iv(λ)为Stokes矢量辐射强度的I分量从水面到遥感器的大气漫射透过率，t_Is(λ)为I分量从大气顶到水面的大气漫射透过率；其中，水体吸收修正系数c(λ)的取值如表1所示：

[表1] 白沫反射水体吸收修正系数波段

波段	1	2	3	4	5	6	7	8
									c值	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	0.889225	0.760046	0.644950

白沫反射率R_wc(λ)由公式（3）计算得到：

（3）

式中，W为水面10 m高处的风速，单位为m/s；t_Iv(λ)和t_Is(λ)由公式（4）计算得到：

（4）

式中，τ_oz(λ)为表示臭氧吸收光学厚度，θ_v为遥感器观测天顶角，τ_r(λ)为Rayleigh散射光学厚度。

具体的，步骤S41中的臭氧双层吸收修正通过公式（5）进行修正：

（5）

式中，L_t(λ)表示多角度偏振水色遥感器采集的多个波段的Stokes矢量辐射强度，L′_t(λ)表示经修正的Stokes矢量辐射强度。

具体的，所述步骤S42中通过以下方法得到Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)：

利用预先生成的Rayleigh散射查找表，根据当前像元的海面风速W、太阳天顶角θ₀、遥感器观测天顶角θ_v和太阳-传感器观测相对方位角φ，插值并进行气压修正，得到相应的Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)。

具体的，所述步骤S43中通过以下方法计算得到大气程辐射辐亮度L_path(λ)：

预设近红外两个波段λ_nir1和λ_nir2的离水辐亮度为0，其中λ_nir1小于λ_nir2，则此两波段的大气程辐射辐亮度和Rayleigh散射辐亮度的比值为：

(6)

利用预先生成的气溶胶散射查找表，根据当前像元的太阳天顶角θ₀、遥感器观测天顶角θ_v和太阳-传感器观测相对方位角φ，插值获得20种气溶胶模式对应的L_path(λ)/L_r(λ)展开为气溶胶光学厚度τ_a的二次多项式系数a(λ)、b(λ)和c(λ)：

(7)

根据R(λ_nir2)，计算获得20种气溶胶模式对应的λ_nir2波段气溶胶光学厚度τ_a(λ_nir2)：

(8)

由τ_a(λ_nir2)计算20种气溶胶模式对应的第λ_nir1波段气溶胶光学厚度τ_a(λ_nir1)：

(9)

式中，c_ext为气溶胶衰减截面；

由τ_a(λ_nir1)和系数a(λ_nir1)、b(λ_nir1)、c(λ_nir1)，根据公式(7)计算20种气溶胶模式对应的第λ_nir1波段大气程辐射亮度和大气Rayleigh散射辐亮度比值R_model(λ_nir1)；根据R(λ_nir1)值，从20种气溶胶模式中找到R_model(λ_nir1)最接近R(λ_nir1)值的两种气溶胶模式mod1和mod2，并由公式(10)计算第一种气溶胶模式的权重：

(10)

根据公式(9)，由τ_a(λ_nir2)分别计算气溶胶模式mod1和mod2对应的可见光波段气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，再根据公式(7)计算获得对应的R_mod1(λ)、R_mod2(λ)值；利用两种气溶胶模式的权重，插值获得可见光波段的气溶胶光学厚度τ_a(λ)以及大气程辐射亮度与Rayleigh散射辐亮度的比值R(λ)：

(11)

由R(λ)及L_r(λ)，计算得到可见光波段大气程辐射辐亮度L_path(λ)。

具体的，步骤S44中确定所述影响因子的取值，根据所述索引查找表确定对应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，是指：

根据遥感器观测天顶角

及两种气溶胶模式mod1、mod2对应的气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，查找所述索引查找表并插值获得气溶胶模式mod1和mod2的上行大气漫射透过率t_vmod1(λ)、t_vmod2(λ)，并利用两种气溶胶模式的权重插值获得上行大气漫射透过率t_v(λ)：

(12)

根据太阳天顶角θ₀及两种气溶胶模式mod1、mod2对应的气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，查找所述索引查找表并插值获得气溶胶模式mod1和mod2的下行大气漫射透过率t_smod1(λ)、t_smod2(λ)，并利用两种气溶胶模式的权重插值获得下行大气漫射透过率t_s(λ)：

(13)

将所述上行大气漫射透过率t_v(λ)和下行大气漫射透过率t_s(λ)作为离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S。

具体的，步骤S44中通过以下公式获得水面之上的归一化离水辐射强度的线偏振分量：

(14)

式中，L_wn(λ)表示水面之上的归一化离水辐射强度的线偏振分量，r是瞬时日地距离，R是平均日地距离，L_w(λ)通过公式（15）确定：

（15）。

在得到归一化离水辐射强度的线偏振分量后，即可根据经验公式，按照本领域已有的方法计算并发布水体悬浮颗粒物浓度以及气溶胶光学厚度、浓度以及粒径谱分布产品，本发明在此不作赘述。

以上已经描述了本公开的各实施例，本领域技术人员应当理解上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用辐射传输模型，模拟计算海水的光学特性为全吸收性水体时的海面之上的线偏振分量S_1,0+以及大气顶处的线偏振分量S_1,TOA；

S2：利用辐射传输模型，模拟计算不同的影响因子取值条件下的水面之上的线偏振分量S_2,0+，及大气顶处的线偏振分量S_2,TOA；

S3：根据步骤S1、S2的模拟计算结果，按照公式（1）计算得到不同的影响因子取值状态下离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，从而构建由不同的影响因子取值状态以及相应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S构建形成的索引查找表；

（1）

S4：应用上述索引查找表对多角度偏振水色遥感器采集的遥感数据进行大气校正；

所述应用上述索引查找表对多角度偏振水色遥感器采集的遥感数据进行大气校正，至少包括以下步骤：

S41：导入多角度偏振水色遥感器采集的多个波段的Stokes矢量辐射强度，扣除水面白沫反射辐亮度，并进行臭氧双层吸收修正，得到经修正的Stokes矢量辐射强度L′_t(λ)，其中λ表示模拟波长；

S42：利用辐射传输模型，得到Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)；

S43：计算大气程辐射辐亮度L_path(λ)；

S44：确定所述影响因子的取值，根据所述索引查找表确定对应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，获得水面之上的归一化离水辐射强度的线偏振分量。

2.根据权利要求1所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述影响因子包括气溶胶模式、气溶胶光学厚度、太阳-遥感器观测几何和模拟波长中的一种或多种。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述辐射传输模型选自OSOAA辐射传输模型、PCOART辐射传输模型或MOMO辐射传输模型。

4.根据权利要求1所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述步骤S41中的水面白沫反射辐亮度通过公式（2）确定：

（2）

其中，t_Iv(λ)L_wc(λ)为水面白沫反射辐亮度，L_wc(λ)为水面白沫反射在水面之上所对应的辐亮度，c(λ)为水体吸收修正系数，R_wc(λ)为白沫反射率，F₀(λ)为大气顶太阳辐照度，θ₀为太阳天顶角，t_Iv(λ)为Stokes矢量辐射强度的I分量从水面到遥感器的大气漫射透过率，t_Is(λ)为I分量从大气顶到水面的大气漫射透过率；其中，白沫反射率R_wc(λ)由公式（3）计算得到：

（3）

式中，W为水面10 m高处的风速，单位为m/s；t_Iv(λ)和t_Is(λ)由公式（4）计算得到：

（4）

式中，τ_oz(λ)为臭氧吸收光学厚度，θ_v为遥感器观测天顶角，τ_r(λ)为Rayleigh散射光学厚度。

5.根据权利要求4所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述步骤S41中的臭氧双层吸收修正通过公式（5）进行修正：

（5）

式中，L_t(λ)表示多角度偏振水色遥感器采集的多个波段的Stokes矢量辐射强度，L′_t(λ)表示经修正的Stokes矢量辐射强度。

6.根据权利要求5所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述步骤S42中通过以下方法得到Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)：

利用预先生成的Rayleigh散射查找表，根据当前像元的海面风速W、太阳天顶角θ₀、遥感器观测天顶角θ_v和太阳-传感器观测相对方位角φ，插值并进行气压修正，得到相应的Rayleigh散射辐亮度L_r(λ)。

7.根据权利要求6所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，所述步骤S43中通过以下方法计算得到大气程辐射辐亮度L_path(λ)：

预设近红外两个波段λ_nir1和λ_nir2的离水辐亮度为0，其中λ_nir1小于λ_nir2，则此两波段的大气程辐射辐亮度和Rayleigh散射辐亮度的比值为：

(6)

利用预先生成的气溶胶散射查找表，根据当前像元的太阳天顶角θ₀、遥感器观测天顶角θ_v和太阳-传感器观测相对方位角φ，插值获得20种气溶胶模式对应的L_path(λ)/L_r(λ)展开为气溶胶光学厚度τ_a的二次多项式系数a(λ)、b(λ)和c(λ)：

(7)

根据R(λ_nir2)，计算获得20种气溶胶模式对应的λ_nir2波段气溶胶光学厚度τ_a(λ_nir2)：

(8)

由τ_a(λ_nir2)计算20种气溶胶模式对应的第λ_nir1波段气溶胶光学厚度τ_a(λ_nir1)：

(9)

式中，c_ext为气溶胶衰减截面；

由τ_a(λ_nir1)和系数a(λ_nir1)、b(λ_nir1)、c(λ_nir1)，根据公式(7)计算20种气溶胶模式对应的第λ_nir1波段大气程辐射亮度和大气Rayleigh散射辐亮度比值R_model(λ_nir1)；根据R(λ_nir1)值，从20种气溶胶模式中找到R_model(λ_nir1)最接近R(λ_nir1)值的两种气溶胶模式mod1和mod2，并由公式(10)计算第一种气溶胶模式的权重：

(10)

根据公式(9)，由τ_a(λ_nir2)分别计算气溶胶模式mod1和mod2对应的可见光波段气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，再根据公式(7)计算获得对应的R_mod1(λ)、R_mod2(λ)值；利用两种气溶胶模式的权重，插值获得可见光波段的气溶胶光学厚度τ_a(λ)以及大气程辐射亮度与Rayleigh散射辐亮度的比值R(λ)：

(11)

由R(λ)及L_r(λ)，计算得到可见光波段大气程辐射辐亮度L_path(λ)。

8.根据权利要求7所述的一种多角度偏振水色遥感器卫星大气校正方法，其特征在于，步骤S44中确定所述影响因子的取值，根据所述索引查找表确定对应的离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S，是指：

根据遥感器观测天顶角θ_v及两种气溶胶模式mod1、mod2对应的气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，查找所述索引查找表并插值获得气溶胶模式mod1和mod2的上行大气漫射透过率t_vmod1(λ)、t_vmod2(λ)，并利用两种气溶胶模式的权重插值获得上行大气漫射透过率t_v(λ)：

(12)

根据太阳天顶角θ₀及两种气溶胶模式mod1、mod2对应的气溶胶光学厚度τ_amod1(λ)、τ_amod2(λ)，查找所述索引查找表并插值获得气溶胶模式mod1和mod2的下行大气漫射透过率t_smod1(λ)、t_smod2(λ)，并利用两种气溶胶模式的权重插值获得下行大气漫射透过率t_s(λ)：

(13)

将所述上行大气漫射透过率t_v(λ)和下行大气漫射透过率t_s(λ)作为离水辐射线偏振分量的大气漫射透过率T_S。

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