第五章 海洋水色遥感 - 海洋遥感

5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(4)离水辐射度Lw的计算
Lw ( ,v ) Lw ( ,0)
(1 ) Ed ( ,0 ) Ed ( ,0 ) 1 rR

Ed (,0 )
t i Lu ( ,0 ) (nw ) 2

Lw

r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
或
R (bsc a) /(bsc a)
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(3)水次表面向上辐照度与辐射度 的关系
Eu (,0 ) Q Lu (,0 ) Ed (,0 )
Lw

r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
R
体积散射相函数Q为散射光方向的辐射度与辐照度之比，它与介质对 光子散射的空间分布有关。对于光学上各向同性的介质，Q等于π。在可见 光和近红外光波段，海水的Q约等于4.55；当接近中午太阳天顶角较小时， Q约等于 2016/1/20 5.0。
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段 设置
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5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
• 全球气候变化（包括海洋碳通量研究）
• 海岸带管理与（工程）环境评价
• 海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护 • 海洋污染环境的监测 • 海洋动力环境研究 • 海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究
• Gordon双通道算法
其它情况：
C 3.33(
Lu (443 ,0 ) B R(443,0 ) B ) 或 C A( ) ※. NASA的另一种方法： C A( Lu (550,0 ) R(550,0 )
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
融解有机物 DOM的光谱吸 收曲线
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
e. 海洋初级生产力
初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光 合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为 mg· m-2· d-1。 反演算法有：经验算法、解析算法。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
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第五章 海洋水色遥感
概述


海洋水色遥感机理
生物-光学算法的物理基础 海洋水色要素浓度反演 赤潮现象的遥感监测与反演
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
1970年，Clarke等成功的验证了利用航空光谱遥 感水体表层叶绿素浓度的可行性。 • CZCS（Nimbus-7） • SeaWifs（SeaStar） • MODIS（Terra-Aqua） • COCTS（HY-1A、HY-1B）
WN ( ) LWN ( ) E0 ( )
归一化离水反射率：
归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达 到海面的辐照度无关，只与当时当地的海洋内部各种粒 子的成分和浓度有关。
※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
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※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
������ 以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例， 设置了大气校正通道7（765nm） 和8（865nm）。这二 个波段的离水辐射度近似为0。
第8波段气溶胶散射 计算n值
其它波段气溶胶散射
（3）水色要素反演-(生物光学算法、经验公式法）
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
- 在全球碳循环研究中比较重要
海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳POC和融 解的有机碳DOC。 海水中的有色融解有机物（CDOM） 被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。 一般定义黄色物质浓度为：
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※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
单位：Sr-1
5.3 生物-光学算法的物理基础
2.归一化离水辐射度
（1）物理意义：当太阳位于天顶处，且消除大气的影响时， 海表离水辐射度的近似表达。
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
a. 海洋水体分类
根据Morel等提出的双向分类法，可分为：
- Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定； - Ⅱ类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，
还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非 线性方式来影响。
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La Lpath
Lt rLsta Lwta Lpath
Lt Lwts rLstd Lr La
Lr
ta , td , t s
Lwc
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
Lt Lwts rLstd Lr La
Lw (ti / n )Lu
2 w
Ls ti , r , nw
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
b. 海水的光学特性
海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。 表观光学量由光场和水中的成分而定，包括向下辐照 度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等， 以及这些量的衰减系数。 固有光学量与光场无关，只与水中成分分布及其光学 特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系 数；散射系数；体积散射函数等。
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )

Eu (,0 ) Q Lu (,0 )

R
综合以上诸式可得：
ti REd ( ,0 ) ti (1 ) R Lw ( ,v ) E0 ( ) cos st ( , s ) 2 2 Qnw Qnw (1 rR)
生物-光学算法已经扩展到了水中其它组分及海水光学性质的研究。
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5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(1)水面上的下行辐照度
Ed (,0 ) Ed (,0 )
Lw

r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
（2）水面向下的辐照度
Ed (,0 )
（2）计算（Gordon）：
r ( ) Lw ( ) LWN ( ) cos s exp( ( oz ( )) / cos s ) 2
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5.3 生物-光学算法的物理基础
3.离水反射率
离水反射率：
Lw ( ) r ( ) w ( ) WN ( ) exp(( oz ( )) / cos s ) E0 cos s 2
• 基于模型的解析算法
－利用生物-光学模型描述水体要素与水体光谱辐 射特征之间的相关性，建立二者之间的关系。
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5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
－也称为半分析型生物光学算法。
固有光学量与遥 感反射率的关系
2 Lw ( ) bb Rrs ( ) g ( ) i Ed ( ,0 ) i 1 a bb
利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰 从蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。 2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b. 经验算法（★）- 最早针对CZCS设计的
C>1.5mg/m3：
C 1.13( Lw (443) 1.71 ) Lw (550) Lw (520) 2.44 ) Lw (550)
R
Ed (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rEu (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rREd (,0 )
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
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Ed ( ,0 )
(1 ) Ed ( ,0 ) 1 rR
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5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
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5.2 海洋水色遥感机理
※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同
TOA
BOAபைடு நூலகம்
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5.2 海洋水色遥感机理
2.具体的模型描述
- 水气辐射传输模型
a. 简化模型 b. a模型细化
Lt
太阳 传感器
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
c. 海水的色素
叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素 a， 在蓝光（420-500nm）和红光（600-700nm）波段具有两 个强吸收谷。 荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光， 该值可作为植物健康状况的标志。 色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用C表示。
Carder，1996；
g1 0.0949 i, g 2 0.0794 i
辐射因子i为海气透射比与海水折射率之比；
总吸收系数和后向散射系数：
a aw ag ad a ph , bb bbw bbp
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以上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。