CN115855882B - 利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，属于脉冲技术和机械振动或超声波、声波或次声波的测量技术领域，用于反演水体遥感反射率，包括计算大气漫射透过率，星载激光雷达的总背景噪声建模，星载激光雷达的大气校正，水体遥感反射率的计算。本发明基于互易性角度，将星载激光雷达的太阳背景噪声转换为激光雷达窄带滤光片对应波段的水色遥感相机信号，通过构建星载激光雷达总背景噪声模型，移除大气与水面的噪声贡献，进而获取对应的离水噪声项并反演水体遥感反射率，将“无用的”星载激光雷达背景噪声数据合理利用，为给定星载激光雷达在待测海域获取水体遥感反射率提供新的方法。
Description
技术领域
本发明公开利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，属于脉冲技术和机械振动或超声波、声波或次声波的测量技术领域。
背景技术
几十年来，以被动接收太阳光反射、散射信号的水色遥感卫星在全球范围内获取水体光学参数、叶绿素浓度、浮游植物生物量底图，测量海洋生态系统等方面展现出了前所未有的潜力，给全球海洋生物学和生物地球化学方面带来了前所未有的科学认知和基础数据源。星载激光雷达通过主动发射激光脉冲，并探测被目标散射、反射回的微弱信号，为获取海洋次表层光学特性提供了新的探测手段。ICESat-2 (Ice, Cloud, and landElevation Satellite-2)携带了世界上第一个星载单光子激光雷达，能够对微弱的海洋散射信号进行响应。
太阳辐射是被动水色遥感卫星的信号源，然而在主动激光雷达系统中却是日间最主要的噪声源。激光雷达在日间工作时，来自持续的太阳辐射且与激光雷达波长相同的光子也可能会穿过光学窄带滤光片，到达光电探测器被捕获和记录，形成噪声光子点云。被动水色光学卫星可以获取多波段离水辐亮度Lw(λ)，由海面上方的下行太阳辐照度Ed(λ)归一化后表示为遥感反射率Rrs(λ)。遥感反射率Rrs也是被动水色光学卫星最重要的基础数据产品，为叶绿素和固有光学参数等许多衍生产品的算法提供了基本输入。将星载激光雷达所探测的太阳背景辐射噪声光子经过合理的信号处理和物理转换，可以转换或等效为激光雷达窄带滤光片对应波段的水色遥感相机信号，即水体遥感反射率Rrs(λ)，其中λ对应光学窄带滤光片的中心波长，对激光雷达系统而言，通常λ也是发射激光的中心波长。
发明内容
本发明的目的在于提供利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，以解决现有技术中，水体遥感反射率难以计算的问题。
利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，包括：
S1: 计算大气漫射透过率
；
S2: 星载激光雷达的总背景噪声建模；
S3: 星载激光雷达的大气校正；
S4: 水体遥感反射率的计算；
S1包括：
大气漫射透过率包含瑞利散射漫射透过率
、气溶胶漫射透过率
以及臭氧引起漫射透过率
的贡献：
其中θ为任意角度，臭氧引起的漫射透过率为：
其中，τO3为臭氧层吸收的光学厚度，τO3(λ)=kO3(λ)q，q是大气臭氧柱状密度，kO3(λ)是臭氧吸收系数，对应给定波长和臭氧吸收系数通过查表法获取；
瑞利散射的漫射透过率为：
瑞利散射光学厚度τR取决于大气粒子的数量，粒子数量与海平面大气压P成正比，任意大气压下的瑞利散射光学厚度
表示为:
其中，τR0表示在标准大气压P0 、温度288.15K、二氧化碳浓度360 ppm时的瑞利光学厚度，对应给定波长
计算为：
其中λ对应光学窄带滤光片的中心波长，对激光雷达系统而言λ也是发射激光的中心波长，单位为微米，大气气溶胶漫射透过率表示为：
τa为气溶胶光学厚度，wa为气溶胶单次反照率，wa=(-0.0032AM+0.972)×exp(3.06×10-4RH)，AM为气溶胶类型，范围为从典型公海气溶胶到典型陆地气溶胶，RH为大气相对湿度，Fa为前向散射率，通过式（7）计算：
其中
表示不对称性散射因子，
=0时表示各向同性散射，当
趋向于1时，前向散射增大；当
趋向于-1时，后向散射增强。
S2包括：
星载激光雷达在大气层顶所探测的总背景噪声ft由大气散射噪声fatm、水面反射噪声fsurf、离水噪声fw以及探测器暗计数噪声fd组成：
其中探测器暗计数率直接忽略，Lw TOA为离水辐亮度，即来自水体或水底的辐亮度，Lsurf TOA为水面反射辐亮度，Latm为大气散射辐亮度，包含了瑞利散射光子、气溶胶以及气溶胶与分子之间的相互作用，上标TOA是指卫星探测器的位置位于大气层顶，A是经标定后的激光雷达系统参数，取决于星载激光雷达的接收及探测硬件系统，表示为：
其中，F为激光雷达系统的标定系数，ηr为接收光学系统效率，ηq为探测器量子效率，Δλ为滤光片带宽，θr为接收孔径的半视场角，Ar为接收望远镜有效面积，hv为对应波长的单个光子能量。
S3包括：
星载激光雷达的大气校正为从测量的总噪声率中去除水面反射和大气散射的贡献，得到离水噪声率的过程，将水体遥感反射率Rrs定义为，离水辐亮度Lw与下行辐照度Ed的比值，即Rrs=Lw/Ed，其中Ed表示为Ed=Nλcos(θs)t(θs)，大气层顶接收的离水噪声fw表示为：
其中，Nλ代表对应光学窄带滤光片的中心波长的太阳光大气顶部光谱辐照度，θs为太阳天顶角，θv为激光雷达视场光轴对应的天底角，t(θs)为从太阳到地面的大气漫射衰减系数，t(θv)为从地面到卫星的大气漫射衰减系数，通过步骤S1计算获取；
为获取水体遥感反射率Rrs，需要获取对应的离水噪声fw，即来自大气与水面的噪声贡献需要从传感器接收的总噪声中去除fw=fall-fatm-fsurf =fall-fother，其中fother为大气校正项，借助给定地点和时间的辅助数据，即Rrs,aux计算获取：
其中fall为给定原位实测位置处所探测的大气层顶总噪声率，整个遥感反射率反演流程只需要1个原位实测点，即一个Rrs,aux数据，或者在百公里的范围内只需要1个原位实测点，则可反演出整个星载激光雷达沿轨测量的遥感反射率，当不存在实测遥感反射率时，使用大洋遥感反射率为默认值代替实测值。
S4包括：
结合公式（10）与公式（11）水体遥感反射率计算为：
fall为星载激光雷达在研究区域探测的总噪声率，fother为步骤S3中使用单个位置实地遥感水色数据获取的大气校正值，分母的所有项都使用系统参数和环境参数计算。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用星载激光雷达所探测的大气层顶总噪声率数据定量获取水体遥感反射率，基于互易性角度，星载激光雷达的太阳背景噪声转换为激光雷达窄带滤光片对应波段的水色遥感相机信号，通过构建星载激光雷达总背景噪声模型，移除大气与水面的噪声贡献，进而获取对应的离水噪声项并反演水体遥感反射率，将“无用的”星载激光雷达背景噪声数据变废为宝，为给定星载激光雷达在待测海域获取水体遥感反射率提供一种新的技术方案；给定星载激光雷达的系统硬件参数、测量区域的背景噪声数据以及环境参量（包括海表大气压、相对湿度、大气臭氧密度、太阳天顶角）条件下获取离水噪声项并反演激光雷达卫星过境区域和时刻的水体遥感反射率，可以在未来激光/光学主被动数据融合与相互验证中发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2是ICESat-2卫星搭载的单光子激光雷达所探测的水体遥感反射率与实测水体遥感反射率的对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，包括：
S1: 计算大气漫射透过率
；
S2: 星载激光雷达的总背景噪声建模；
S3: 星载激光雷达的大气校正；
S4: 水体遥感反射率的计算；
S1包括：
大气漫射透过率包含瑞利散射漫射透过率
、气溶胶漫射透过率
以及臭氧引起漫射透过率
的贡献：
其中θ为任意角度，臭氧引起的漫射透过率为：
其中，τO3为臭氧层吸收的光学厚度，τO3(λ)=kO3(λ)q，q是大气臭氧柱状密度，kO3(λ)是臭氧吸收系数，对应给定波长和臭氧吸收系数通过查表法获取；
瑞利散射的漫射透过率为：
瑞利散射光学厚度τR取决于大气粒子的数量，粒子数量与海平面大气压P成正比，任意大气压下的瑞利散射光学厚度
表示为:
其中，τR0表示在标准大气压P0 (1013.25 hPa)、温度288.15K、二氧化碳浓度360ppm时的瑞利光学厚度，对应给定波长
计算为：
其中λ对应光学窄带滤光片的中心波长，对激光雷达系统而言λ也是发射激光的中心波长，单位为微米，大气气溶胶漫射透过率表示为：
τa为气溶胶光学厚度，wa为气溶胶单次反照率，wa=(-0.0032AM+0.972)×exp(3.06×10-4RH)，AM为气溶胶类型，范围为从典型公海气溶胶到典型陆地气溶胶，RH为大气相对湿度，Fa为前向散射率，通过式（7）计算：
其中
表示不对称性散射因子，
=0时表示各向同性散射，当
趋向于1时，前向散射增大；当
趋向于-1时，后向散射增强。
S2包括：
星载激光雷达在大气层顶所探测的总背景噪声ft由大气散射噪声fatm、水面反射噪声fsurf、离水噪声fw以及探测器暗计数噪声fd组成：
其中探测器暗计数率直接忽略，Lw TOA为离水辐亮度，即来自水体或水底的辐亮度，Lsurf TOA为水面反射辐亮度，Latm为大气散射辐亮度，包含了瑞利散射光子、气溶胶以及气溶胶与分子之间的相互作用，上标TOA是指卫星探测器的位置位于大气层顶，A是经标定后的激光雷达系统参数，取决于星载激光雷达的接收及探测硬件系统，表示为：
其中，F为激光雷达系统的标定系数，ηr为接收光学系统效率，ηq为探测器量子效率，Δλ为滤光片带宽，θr为接收孔径的半视场角，Ar为接收望远镜有效面积，hv为对应波长的单个光子能量。
S3包括：
星载激光雷达的大气校正为从测量的总噪声率中去除水面反射和大气散射的贡献，得到离水噪声率的过程，将水体遥感反射率Rrs定义为，离水辐亮度Lw与下行辐照度Ed的比值，即Rrs=Lw/Ed，其中Ed表示为Ed=Nλcos(θs)t(θs)，大气层顶接收的离水噪声fw表示为：
其中，Nλ代表对应光学窄带滤光片的中心波长的太阳光大气顶部光谱辐照度，θs为太阳天顶角，θv为激光雷达视场光轴对应的天底角，t(θs)为从太阳到地面的大气漫射衰减系数，t(θv)为从地面到卫星的大气漫射衰减系数，通过步骤S1计算获取；
为获取水体遥感反射率Rrs，需要获取对应的离水噪声fw，即来自大气与水面的噪声贡献需要从传感器接收的总噪声中去除fw=fall-fatm-fsurf =fall-fother，其中fother为大气校正项，借助给定地点和时间的辅助数据，即Rrs,aux计算获取：
其中fall为给定原位实测位置处所探测的大气层顶总噪声率，整个遥感反射率反演流程只需要1个原位实测点，即一个Rrs,aux数据，或者在百公里的范围内只需要1个原位实测点，则可反演出整个星载激光雷达沿轨测量的遥感反射率，当不存在实测遥感反射率时，使用大洋遥感反射率为默认值代替实测值。
S4包括：
结合公式（10）与公式（11）水体遥感反射率计算为：
fall为星载激光雷达在研究区域探测的总噪声率，fother为步骤S3中使用单个位置实地遥感水色数据获取的大气校正值，分母的所有项都使用系统参数和环境参数计算。
本发明的技术流程如图1所示，实施例以ICESat-2(Ice, Cloud, and landElevation Satellite-2)搭载全球首颗星载单光子激光雷达ATLAS(Advance TopographicLaser Altimeter System)的系统参数和所获取背景噪声数据作为样例。ICESat-2/ATLAS向地表发射6束532nm波长绿激光，激光脉冲重复频率10kHz，其ATL03产品提供了沿卫星飞行轨迹所探测的点云数据（包含具体时间、经纬度、高程信息等），并提供了对应地理位置和时刻的大气层顶总太阳背景噪声率ft和太阳天顶角θs数据。
样例具体选择ICESat-2星载激光雷达在2021年5月22日飞跃北大西洋海域（中心位置的坐标为48.926°N, 14.82°W）所获取的总太阳背景噪声率ft和太阳天顶角θs数据，选择全球范围再分析数据集提供的环境参量，包括海表大气压P、大气臭氧密度q、相对湿度RH，根据ICESat-2过境的地理位置（经纬度）和时刻（UTC，Coordinated Universal Time时间），通过空间双线性内插和时间线性内插获得。
针对ICESat-2/ATLAS，其系统硬件参数为已知值，实施例中这些参数的取值为：λ=532 nm，Δλ=0.038 nm，Ar=0.503 m2，θr=87.5/2 μrad，θv=0.38°，F=0.52；同时，ICESat-2的ATL03产品提供了参数Bret，包含了探测器量子效率ηq，接收光学系统效率ηr以及532 nm对应的单个光子能量hv，即：Bret=ηrηq/hv。对于ICESat-2臭氧吸收系数在532nm时为0.065cm-1，AM选择1即典型公海气溶胶，
选择0.74，对于ICESat-2所搭载激光雷达采用的532 nm波长Nλ=1.832w/m2·nm。
ICESat-2卫星搭载的单光子激光雷达所探测的水体遥感反射率与实测水体遥感反射率的对比如图2所示，图中黑色点为根据本发明方法计算的ICESat-2水体遥感反射率，灰色三角形为原位实测水体遥感反射率，五角星为进行大气校正（计算fother项）的一个实测水体遥感反射率数据，此实施例中选择图2中五角星位置处的实测Rrs数据进行大气校正（即计算fother项），其余位置的实测数据（图2中三角形位置）用于验证。
在实施例中使用ICESat-2卫星所搭载激光雷达获取的背景噪声数据及其相应系统硬件参数，结合NCEP所提供的海表大气压P、大气臭氧密度q、相对湿度RH数据，最终反演计算了北大西洋待测海域的水体遥感反射率。ICESat-2反演的水体遥感反射率与实测水体遥感反射率（从SeaBASS现场原位数据集中获取）进行了对比验证。如图2所示，黑色点为根据此方法计算的ICESat-2水体遥感反射率，灰色三角形为原位实测水体遥感反射率，沿纬度方向的均方根误差（RMSE, Root Mean Squared Error）为5.99×10-4sr-1，绝对值比例误差（MAPE, Mean Absolute Percentage Error）为17.53%。因此，本发明可以通过星载激光雷达飞越不同海域所获取的背景噪声数据，快速准确的反演待测海域的水体遥感反射率，将“无用的”噪声数据变废为宝，扩展了星载激光雷达背景噪声数据的应用范围。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，其特征在于，包括：
S1: 计算大气漫射透过率
；
S2: 星载激光雷达的总背景噪声建模；
S3: 星载激光雷达的大气校正；
S4: 水体遥感反射率的计算；
S1包括：
大气漫射透过率包含瑞利散射漫射透过率
、气溶胶漫射透过率
以及臭氧引起漫射透过率
的贡献：
其中θ为任意角度，臭氧引起的漫射透过率为：
其中，τO3为臭氧层吸收的光学厚度，τO3(λ)=kO3(λ)q，q是大气臭氧柱状密度，kO3(λ)是臭氧吸收系数，对应给定波长和臭氧吸收系数通过查表法获取；
瑞利散射的漫射透过率为：
瑞利散射光学厚度τR取决于大气粒子的数量，粒子数量与海平面大气压P成正比，任意大气压下的瑞利散射光学厚度
表示为:
其中，τR0表示在标准大气压P0 、温度288.15K、二氧化碳浓度360 ppm时的瑞利光学厚度，对应给定波长
计算为：
其中λ对应光学窄带滤光片的中心波长，对激光雷达系统而言λ也是发射激光的中心波长，单位为微米。
2.根据权利要求1所述的利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，其特征在于，S1包括：
大气气溶胶漫射透过率表示为：
τa为气溶胶光学厚度，wa为气溶胶单次反照率，wa=(-0.0032AM+0.972)×exp(3.06×10-4RH)，AM为气溶胶类型，范围为从典型公海气溶胶到典型陆地气溶胶，RH为大气相对湿度，Fa为前向散射率，通过式（7）计算：
其中
表示不对称性散射因子，
=0时表示各向同性散射，当
趋向于1时，前向散射增大；当
趋向于-1时，后向散射增强；
S2包括：
星载激光雷达在大气层顶所探测的总背景噪声ft由大气散射噪声fatm、水面反射噪声fsurf、离水噪声fw以及探测器暗计数噪声fd组成：
其中探测器暗计数率直接忽略，Lw TOA为离水辐亮度，即来自水体或水底的辐亮度，Lsurf TOA为水面反射辐亮度，Latm为大气散射辐亮度，包含了瑞利散射光子、气溶胶以及气溶胶与分子之间的相互作用，上标TOA是指卫星探测器的位置位于大气层顶，A是经标定后的激光雷达系统参数，取决于星载激光雷达的接收及探测硬件系统，表示为：
其中，F为激光雷达系统的标定系数，ηr为接收光学系统效率，ηq为探测器量子效率，Δλ为滤光片带宽，θr为接收孔径的半视场角，Ar为接收望远镜有效面积，hv为对应波长的单个光子能量。
3.根据权利要求2所述的利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，其特征在于，S3包括：
星载激光雷达的大气校正为从测量的总噪声率中去除水面反射和大气散射的贡献，得到离水噪声率的过程，将水体遥感反射率Rrs定义为，离水辐亮度Lw与下行辐照度Ed的比值，即Rrs=Lw/Ed，其中Ed表示为Ed=Nλcos(θs)t(θs)，大气层顶接收的离水噪声fw表示为：
其中，Nλ代表对应光学窄带滤光片的中心波长的太阳光大气顶部光谱辐照度，θs为太阳天顶角，θv为激光雷达视场光轴对应的天底角，t(θs)为从太阳到地面的大气漫射衰减系数，t(θv)为从地面到卫星的大气漫射衰减系数，通过步骤S1计算获取；
为获取水体遥感反射率Rrs，需要获取对应的离水噪声fw，即来自大气与水面的噪声贡献需要从传感器接收的总噪声中去除fw=fall-fatm-fsurf =fall-fother，其中fother为大气校正项，借助给定地点和时间的辅助数据，即Rrs,aux计算获取：
其中fall为给定原位实测位置处所探测的大气层顶总噪声率，整个遥感反射率反演流程只需要1个原位实测点，即一个Rrs,aux数据，或者在百公里的范围内只需要1个原位实测点，则可反演出整个星载激光雷达沿轨测量的遥感反射率，当不存在实测遥感反射率时，使用大洋遥感反射率为默认值代替实测值。
4.根据权利要求3所述的利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法，其特征在于，S4包括：
结合公式（10）与公式（11）水体遥感反射率计算为：
fall为星载激光雷达在研究区域探测的总噪声率，fother为步骤S3中使用单个位置实地遥感水色数据获取的大气校正值，分母的所有项都使用系统参数和环境参数计算。
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