海洋水色遥感监测的大气校正
(完整版)海洋遥感总结
1. 狭义广义遥感狭义遥感：主要指从远距离、高空以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。
（利用电磁波进行遥感）广义遥感：利用仪器设备从远处获得被测物体的电磁波辐射特征（光，热），力场特征（重力、磁力）和机械波特征（声，地震），据此识别物体。
（除电磁波外，还包括对电磁场、力场、机械波等的探测）两者探测手段不一样2. 遥感技术系统信息源－信息获取－信息纪录和传输－信息处理信息应用3. 遥感的分类（1）按照探测电磁波的工作波段分类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等（2）按照传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感4. 遥感的应用内容上可概括：资源调查与应用、环境监测评价、区域分析规划、全球宏观研究5. 海洋遥感的意义（1）海洋气候环境监测的需要海洋占全球面积约71%，海洋是全球气候环境变化系统中不可分割的重要部分厄尔尼诺、拉尼娜、热带气旋、大洋涡流、上升流、海冰等现象都与海洋密切相关。
厄尔尼诺是热带大气和海洋相互作用的产物，它原是指赤道海面的一种异常增温，现在其定义为在全球范围内，海气相互作用下造成的气候异常。
（2）海洋资源调查的需要海洋是人类最大的资源宝库，是全球生命支持系统的基本组成部分，海洋资源的重要性促使人们采用各种手段对其进行调查研究海岸带是人类赖以生存和进行生产活动的重要场所，海岸带资源的相关调查对于沿海资源的合理开发与利用非常重要（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性海洋遥感具有大范围、实时同步、全天时、全天候多波段成像技术的优势可以快速地探测海洋表面各物理量的时空变化规律。
它是20 世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一。
重要性体现在：是海洋科学的一个新的分支学科；为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集，并开辟了新的考虑问题的视角；多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展1. 海洋遥感的概念（重点）、研究内容海洋遥感：指以海洋及海岸带作为监测、研究对象，利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理来观测和研究海洋的遥感技术。
遥感大气校正
遥感⼤⽓校正实验四遥感图像的⼤⽓校正实验⽬的：通过实习操作，掌握遥感图像⼤⽓校正的基本⽅法和步骤，掌握遥感图像波段计算及其应⽤。
实验内容：环境⼩卫星的数据读取；辐射定标、图像配准、⼤⽓校正；植被反演、植被覆盖变化监测1、实验相关知识及背景◆传感器定标就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值或者反射率或者表⾯温度等物理量的处理过程；传感器定标可分为绝对定标和相对定标，绝对定标是获取图像上⽬标物的绝对辐射值等物理量。
◆遥感图像的⼤⽓校正⽅法很多，这些校正⽅法按照校正后的结果可以分为2种：绝对⼤⽓校正⽅法：将遥感图像的DN(Digital Number)值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的⽅法。
相对⼤⽓校正⽅法：校正后得到的图像，相同的DN值表⽰相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。
◆ENVI下FLAASH⼤⽓校正⼯具是基于MODTRAN4+辐射传输模型，FLAASH对图像⽂件有以下⼏个要求：（1）数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：（µW）/（cm2*nm*sr）。
（2）数据带有中⼼波长（wavelenth）值，如果是⾼光谱还必须有波段宽度（FWHM），这两个参数都可以通过编辑头⽂件信息输⼊（Edit Header）。
（3）数据类型⽀持四种数据类型：浮点型（floating）、长整型(long integer )、整型（integer）和⽆符号整型(unsigned int)。
数据存储类型：ENVI标准栅格格式⽂件，且是BIP或者BIL。
（4）波谱范围：400－2500nm◆浑善达克地区位于内蒙古草原锡林郭勒⾼原中部。
近年来频频发⽣在京津地区的沙尘暴与该地区⽣态环境恶化相关。
据统计，京津地区沙尘暴70%的沙源来⾃于这个区域。
通过对该区域植被覆盖度的定量反演，植被覆盖的变化检测，可以实现草原植被的⾼频率、⼤范围、⾼实时的变化监测。
2、实验步骤根据环境⼩卫星CCD数据特点及草原植被变化监测的要求，采⽤以下处理流程：⼀、数据预处理：/doc/dd3ded9f02d8ce2f0066f5335a8102d277a26100.html D数据读取；2.辐射定标；3.⼤⽓校正；4.研究区裁剪；⼆、反演模型建⽴1.归⼀化植被指数；2.植被覆盖度；三、植被变化监测1.植被覆盖区提取；2.植被变化检测；四、后期处理与应⽤◆数据读取和定标（1）安装环境⼩卫星数据读取和定标补丁ENVI_HJ1A1B_Tools.sav⽂件放在home\ITT\IDL\IDL80\products\envi48\save_add⽬录下。
水色遥感数据大气校正标准方法
水色遥感数据大气校正标准方法陈克海1 归一化离水辐射率水色遥感数据大气校正的目的是为精确获取海面归一化离水辐亮度或者归一化离水辐射率。
根据Gordon and Clark （1981）的定义，归一化离水辐亮度N w L )]([λ可表示为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-⊕002cos 1)(2)(exp cos )]([)(θλτλτθλλz o r N w w L a L 其中 )(λw L 为波长λ的离水辐亮度，)(λτr 和)(λτz o 分别为大气分子瑞利散射光学厚度和臭氧吸收光学厚度，⊕a 为日地距离（单位为AU ），0θ为太阳天顶角。
根据定义，归一化离水辐亮度为无大气效应、太阳在日地平均距离（1AU ）和垂直入射条件下的离水辐亮度。
归一化离水辐亮度已消除大气分子和太阳天顶角对离水辐射的影响，能够较客观地描述水下成分对离水辐亮度的影响。
目前，所有水色遥感算法及其水色产品都是基于归一化离水辐亮度。
为方便处理，一般采取反射率来代替辐亮度。
归一化离水辐射率定义为N w N w L F )]([)()]([0λλπλρ= 其中0F 为日地平均距离下的地外日射辐照度，其值为02F a ⊕。
归一化离水辐射率与归一化离水辐亮度的关系为：),()]([cos 1)(2)(exp )]([)(00λθλρθλτλτλρλρt N w o r N w w z =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-= 其中),(0λθt 为大气漫透过率。
有些算法采用遥感反射率代替归一化离水辐射率。
遥感反射率定义为)()()(λλλd w rs E L R = 其中d E 为海面向下辐照度。
这两者可如下近似关系：)(][λπρrs N w R = 2大气校正基本原理在大气顶层，传感器接收到的辐亮度)(i t L λ可线性分解为以下形式： )()()()()()()()(i w i i wc i i g i i path i t L t L t •L T L L λλλλλλλλ+++= 其中)(i path L λ为大气程辐射辐亮度，是不经过海面而由大气散射到传感器的辐亮度和太阳漫散射光经过粗糙海面镜面反射回到传感器的辐亮度的总和；)(i g L λ为太阳耀光辐亮度，是海面对太阳直射光的镜面反射；)(i wc L λ为海面白冠反射产生的辐亮度；)(i w L λ为离水辐亮度。
海洋遥感复习知识点
名词解释、填空1.海面亮温：低于实际物体的温度指物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。
2.发射率：观测物体的辐射能量与同观测物体具有相同热力学温度的黑体的辐射能量之比根据发射率，=1黑体，0~1灰体3.大气气溶胶：悬浮在空气中的来自地球外表的小的液体或固体颗粒。
气溶胶类型：海洋型、陆地型、火山爆发自然〔陆地海洋火山〕；人为〔汽车尾气、污染物〕4.瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。
对可见光的影响较大。
米散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
气溶胶引起的，对波长依赖性很小无选择散射：云，所有光都被散射回来5.大气层结构简答，根据温度分布，垂向划分：对流层、平流层、中间层、热成层、外大气层1)对流层：有各种天气现象，强烈对流/温湿分布不均匀/航空活动区，对遥感最重要2)平流层/同温层：天气现象少/空气稳定/水汽、沙尘少，温度随高度增加而增加3)中间层：温度随高度增加而减少，对遥感的辐射传递几乎没影响4)热成层：温度随高度增加而增加，高度电离状态，短波电磁波被电离层折返回地面6.一类水体：浮游植物及其共变的碎屑主导海水光谱特性；二类水体：除浮游植物外的其他物质在海水光谱特性中起主导作用海洋初级生产力：把无机碳变成有机碳的单位时间的速率，和叶绿素浓度、光照、光照时间、光穿透距离有关7.遥感反射比〔可见光、海色遥感〕：公式、向上辐亮度和向下辐照度之比，Rw和Ed之比归一化离水辐亮度：假设太阳在正上，把大气分子散射衰减消除的离水辐亮度8.黄色物质：有色可溶有机物，陆源〔植被，棕黄酸〕，海洋〔动物死亡分解〕9.生物光学算法：通过离水辐亮度去推导海水中的各主分浓度的算法。
由海水上面的离水辐亮度推导叶绿素浓度、泥沙浓度、k490衰减系数、透明度等。
10.大气校正：由传感器接收到的辐亮度计算出离水辐亮度的过程Lt是卫星接收的总辐射；第一项是离水辐亮度，接下来三项是大气路径辐射，分别是气溶胶的，分子的，两者都有的，Lwc是白冒，Lsr是太阳耀斑。
海洋水色遥感大气校正算法研究进展
第27卷 第1期海洋环境科学V o l.27,N o.1 2008年2月M A R I N EE N V I R O N M E N T A L S C I E N C E F e b.2008海洋水色遥感大气校正算法研究进展杨建洪1,王 锦1,2,赵冬至1(1.国家海洋环境监测中心,辽宁大连116023;2.大连水产学院,生命科学与技术学院,辽宁大连116023)摘 要:本文针对Ⅱ类水体的光谱特性和海洋现象的特点,综述了Ⅰ类水体及近岸Ⅱ类水体的主要大气校正算法,并介绍了各种算法的适应范围和优缺点。
通过对水色卫星传感器的技术发展现状的介绍,详细整理了目前主要卫星的大气校正算法,概述了Ⅱ类水体水色反演算法的研究现状和发展方向。
并根据我国近海的水体特点提出了水色遥感研究需要解决的关键问题。
关键词:水色遥感;近岸Ⅱ类水体;大气校正中图分类号:X87 文献标识码:A 文章编号:1007-6336(2008)01-0097-04R e v i e wo nt h e a t m o s p h e r i c c o r r e c t i o no f o c e a n c o l o r r e m o t e s e n s i n gY A N G J i a n-h o n g1,W A N GJ i n1,2,Z H A OD o n g-z h i1 (1.N a t i o n a l M a r i n e E n v i r o n m e n t M o n i t o r i n g C e n t e r,D a l i a n116023,C h i n a;2.L i f es c i e n c e s c o l l e g e,D a l i a nF i s h e r i e s U n i v e r s i-t y,D a l i a n116023,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i s p a p e r,a d e t a i l e d r e v i e wo nt h e m e t h o d s o f a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nf o r t h e c a s e1a n d2w e r e m a d e.T h e a n a l y s i s o fa d v a n t a g e s,d i s a d v a n t a g e s a n d a d a p t ab i l i t y w a s d o n e,a n d i t a p p l ic a t i o nw a s i n t r od u ce d i n C h i n a a n da b r o a d.T h e d e t a i l e dr e v i e wo nt h e d e v e l o p m e n t o f t h e c o l o r r e m o t e s e n s i n g w a s m a d e,a n dt h e m a i n m e t h o do f a t m o s p h e r i c s c o r r e c t i o n f o r s a t e l l i t e w a s i n t r o d u c e d b y n o w.B a s e d o n t h ew a t e r c h a r a c t e r i s t i c s,s o m e b e n e f i c i a l s u g g e s t i o n s o f t h em a r i n e o p t i c a l r e m o t es e n s i n g a p p l i c a t i o na r e d i s c u s s e d.K e y w o r d s:o c e a n c o l o r r e m o t e s e n s i n g;c a s e2w a t e r;a t m o s p h e r i c c o r r e c t i o n 水色(w a t e r c o l o r)是指太阳光经水体或海水散射后,可见光和近红外辐射计检测到的散射光的颜色。
第五章-海洋水色遥感---海洋遥感
R Eu ( ,0 ) / Ed ( ,0 )
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或
Ed ( ,0 )
(1 )
Ed ( ,0 )
1 rR
R (bsc a) /(bsc a)
5.3 生物-光学算法的物理基础
Lwc
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
Lw (ti / n ) Lu
Ls
2
w
ti , r , nw
Lt Lwt s rLs t d Lr La
rLs Lsr
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Lwc t s Lru
Lu
水中物质
海表
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
（1）辐射定标
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）
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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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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。
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归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达
近海海洋水色遥感技术对赤潮的监测
近海海洋水色遥感技术对赤潮的监测我国近海区域海水水质随着沿海经济的发展呈现变坏的趋势，近几十年发生过多次赤潮，其主要原因就是水体富营养化。
在渔业上，赤潮直接带来了巨大损失，有时候赤潮还威胁到人类与动物的生命。
因此，找到发生赤潮的规律及赤潮产生的原因至关重要，这就需要对近海区域海水水质进行长时间的监测，除了现场采集海水样品进行分析研究之外，利用卫星遥感数据对海水水质的监测越来越受到人们的重视。
1 水体富营养化富营养化是指水体在自然因素和（或）人类活动的影响下，大量营养盐（如氮、磷等）随着流水流入到湖泊、水库、河口、海湾等水体，使水体在比较短的时间内由贫营养状态向的富营养状态变化的一种现象。
在不受人类干扰或很少受到人类干扰的自然条件下，湖泊这种从贫营养状态过渡到富营养状态的自然过程非常缓慢，一般需要上千年或更长时间；而人为排放的工业废水与生活污水中含有大量的使水体富营养化的营养物质，因此在短时间内可以使水体富营养化，且这种状态会持续较长时间。
其最主要的表现是：藻类及其它浮游生物的繁殖速度变快，藻类等大量生物越来越多，使水体含氧量下降，水质逐渐恶化，因为缺少氧气而使得鱼类及其他生物大量死亡。
水体出现富营养化现象时的最主要表现是：浮游藻类大量繁殖，即所谓的“水华”。
由于占优势的浮游藻类因种类不同而拥有不同的颜色，水面往往呈现不一样的颜色：例如蓝色、红色、棕色、乳白色等。
海洋中的“赤潮”就是海水中出现了这样的现象。
评价水体富营养化的方法主要有：营养状态指数法，营养度指数法和评分法。
营养状态指数法中根据水体透明度制定的卡尔森指数是最常用的评价水体富营养化的方法之一。
后来，日本的相崎守弘等人提出了修正的营养状态指数（TSIM），即以叶绿素a浓度为基准的营养状态指数。
这也是近海水域海水水质监测使用最多的一个指数。
除了浮游植物对水色的影响，悬浮物和黄色物质对海洋水色也会产生一定的影响。
因此，在研究近海海洋水色时，也要考虑到这些因素。
大气校正
二类水体大气校正算法说明书子模块介绍：该模块的主要任务是针对太湖流域二类水体水质，通过对遥感器水色波段的大气校正，计算出可见光波段的归一化离水辐射率，为水体水色信息的提前做准备。
1.输入数据:MODIS TERRA 几何校正后产品MODIS产品中太阳和卫星天顶角、方法角数据集大气辅助数据产品（臭氧含量、压强）CE318太阳光度计辅助数据（用于大气气溶胶光学厚度计算）2.输出数据海洋水色产品（离水辐射率）3.算法说明3.1大气校正模块说明来自大气外层的太阳光通过大气的瑞利散射和气溶胶散射，其中一部分返回到卫星水色扫描仪，一部分直射和漫散射到达海面．到达海面的直射光，一部分由于镜面反射可能会穿过大气到达卫星水色扫描仪，另一部分经水面折射穿过水面，受到水色因子如叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等颗粒的散射后，再经水面折射穿过大气到达卫星水色扫描仪．水次表面的另一部分继续向下到达真光层深度或到达海底又部分反射。
经折射回到卫星水色扫描仪．因此，可能到达卫星水色扫描仪的总辐射量为（为简洁，省略波长 ）：L t=L r+L a+t L f+T L g+t L w（1）式中：L r－大气分子单次和多次散射；L a－气溶胶单次和多次散射以及气溶胶与大气分子间的多次散射；L f －白帽散射；L g－太阳耀斑；T－大气直射透过率；L w－离水辐亮度；t－大气漫射透过率。
对于太阳耀斑Lg，若像元处在耀斑区，则其值非常大，无法准确的去除其影响，实际上这一块图象数据是无效的；而在非耀斑区，其值又比较小，可以忽略不计。
故本算法未考虑其影响，则上式可表示为：L t=L r+L a+t L f+t L w（2）水色大气校正的目的是从传感器接收到的辐亮度值中去除大气的散射贡献，从而计算得到载有水体信息的离水辐亮度。
由于大气分子成分及含量比较稳定，L r已能比较精确的计算得到。
关键是气溶胶散射，由于气溶胶含量在空间域及时间域上变化较大，要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。
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海洋水色遥感监测的大气校正
NOAA美国国家海洋和大气局NESDIS国家环境卫星数据和信息服务STAR
IOCCG国际海洋水色专家组
讲座大纲
1 引言
简单介绍历史
海洋水色方法的基本概念
为什么需要大气校正
2 radiometry辐射测量和光学性质
基本的辐射测量量
表面的光学性质
固有的光学性质
3 大气的光学性质
分子的吸收与散射
气溶胶的性质与类型
----无或弱吸收性气溶胶
----强吸收性气溶胶(粉尘,烟雾等)
4 辐射传输
radiative transfer equationRTE辐射传递方程
连续的排序的散射方法
单散射近似值
5 大气校正
定义和检查各种学术用语
海平面的影响
大气散射透过率
归一化离水辐射效应
公海例子:使用NIR波段进行大气校正
海滨和内陆水
----对各种方法的简单回顾
---基于SWIR 大气校正
MODIS-Aqua测量的例子
6 介绍强吸收性气溶胶的问题
强吸收性气溶胶的问题
解决吸收性气溶胶的一些方法
使用MODIS-Aqua和CALIPSO 数据的粉尘气溶胶大气校正的例子
7 对于未来海洋水色卫星传感器的展望
历史:
1 由宇宙飞船获得的海洋彩色照片(Apollo 等1960s)
2 Clarke等(1970)表示出了从飞机获得的海洋水色光谱辐射的系统的测量,表明了探测海洋上层的Chlorophyll叶绿素浓度的是有可能的.他们还表明了大气对测量信号的影响.
3 Tyler&Smith(1970)发现了在不同水体中的上下光谱辐照度的领域测量.之后,出现了许多类似的在原位的水光谱测量.
4 .在Gordon等的辐射传递的框架in the frame of中得出原位反射的测量的解释,也涉及到Morel
和Prieur(1977)和Smith和Baker(1978)的光学重要的水体物质.
5 Gordon(1978,1980)开发出了一种单散射大气校正算法,用于处理NASA美国国家航空航天局CZCS海岸带水色扫描仪的海洋水色数据,表明了卫星海洋水色遥感的可行性. Feasibility
6 改进了的大气校正算法(Gordon和Wang)用来运用于各种不同的更多sophisticated复杂的海洋水色卫星传感器.例如SeaWiFS,OCTS,MODIS等,进而带来了海岸带水色扫描仪概念任务的证据.
7 最近几年来,大气校正方面的努力正在解决了更复杂的海岸带和内陆水的特性,也包括强吸收
性气溶胶.
卫星海洋水色测量
卫星海洋水色遥感是由可能实现的因为:
1 海洋水色(光谱辐射/反射)数据---水离辐射/反射光谱---是与水的特性有关的,例如,叶绿素2-a 浓度.换句话说,水的光学性质和水的生物/生物化学性质等等存在各种相关性.
2 通过大气校正来推导出精确的来自卫星测量的水辐射/反射光谱数据.
大气校正
在卫星的高度,90% 的传感器方法的海洋信号都来自大气和海平面. 所以,获取精确的大气校正和传感器校准是十分重要的.
0.5%的大气校正或校准误差,对应5%的来自海洋水离辐射度的误差. 我需要的是0.1% 的传感器校准精度。
海洋水色遥感：通过精确的除去大气和海平面的影响来推导出海洋离水辐射亮度。
海洋性质：例如，叶绿素2-a 浓度，在490nm波段散射衰减系数，可以从海洋水离辐射光谱。