摘要 衛(wèi)星遙感能快速獲取人面積、宏觀的水面輻射信息，能克服常規(guī)監(jiān)測中進(jìn)行離散點(diǎn)采樣 的不足，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域面狀水質(zhì)的監(jiān)測，在水質(zhì)遙感監(jiān)測中具有巨大的潛力。然而，從遙感傳 感器接收到的總輻射量中來自水體的信號( 離水輻射率) 甚微，9 0 以上來自丁大氣瑞利散 射、氣溶膠散射以及太陽反射。岡此，準(zhǔn)確獲取水色要素遙感信息的前提是進(jìn)行精確的大氣 校正。如何將水體信息同大氣信息分離，是水色遙感得以應(yīng)j j 的關(guān)鍵，直接影響水體組分反 演等后續(xù)分析的精度。 太湖是典型的內(nèi)陸二類水體，光學(xué)特性比清潔海水復(fù)雜得多，通常海洋水色衛(wèi)星遙感的 標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法會(huì)產(chǎn)生較大誤差，須發(fā)展適合于內(nèi)陸二類水體的大氣校正模型。本文闡述 了水色遙感大氣校正的基本原理和方法，從l a n d s a t - 5t m 和同步m o d i s 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及 同步氣象輔助數(shù)據(jù)入手，嘗試用不同的大氣校正方法提取太湖水體的遙感反射率信息，大氣 校正的效果用準(zhǔn)同步實(shí)測水體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。 本文主要研究內(nèi)容包括： 1 、結(jié)合同步氣象輔助數(shù)據(jù)，利用6 s 輻射傳輸模型法，對太湖水體影像進(jìn)行大氣校正； 2 、綜合考慮護(hù)、，、乃、巧及的影響，利用黑暗像元法對太湖水體進(jìn)行大氣 校正； 3 、在g o r d o n 單次散射算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)解決人氣瑞利散射、氣溶膠散射、臭 氧修正、白帽修正以及大氣透射率的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對太湖水體的人氣校正。 研究結(jié)果表明： l 、將同步氣象數(shù)據(jù)代入6 s 模型中，相對提高了6 s 模型的校正精度。但由于缺乏對太 湖地區(qū)氣溶膠組分的了解，所以本文選取了標(biāo)準(zhǔn)大陸型氣溶膠類型，沒有自定義氣溶膠類型， 給計(jì)算結(jié)果帶來一定的誤差。 2 、選取湖泊水體作為“暗像元”，利用黑暗像元法校正后t m 各個(gè)波段的水體反射率出 現(xiàn)過修正。相對于基于“暗像元”反推得到的大氣參數(shù)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到的值更為準(zhǔn) 確，可見同步氣象數(shù)據(jù)對于黑暗像元法是個(gè)很好的補(bǔ)充。 3 、基于g o r d o n 大氣校正模型改進(jìn)的方法計(jì)算得到t m 各個(gè)波段水體遙感反射率與實(shí) 測值比較吻合。相對于同步m o d i s 數(shù)據(jù)計(jì)算而言，基于同步氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的氣溶膠散射更 為準(zhǔn)確，校正結(jié)果的相對誤差最小，接近國際水色遙感對內(nèi)陸二類水體反演的誤著標(biāo)準(zhǔn)，但 尚須不斷的完善。 關(guān)鍵字：太湖t m 人氣校止遙感反射率 a b s t r a c t t h er e m o t e s e n s i n gc a l l o b t a i n m a c r o s c o p i cr a d i a t e i n f o r m a t i o no fl a r g ew a t e ra r e a , o v e r c o m ed e f i c i e n c i e so ft h ef i e l ds a m p l i n go fd i s c r e t ep o i n t si nr o u t i n em o n i t o r i n g ，r e a l i z et h e m o n i t o r i n go fs u r f a c ef e a t u r e ，s h o we n o r m o u sp o t e n t i a l i t yi nw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g h o w e v e r , t h eg l o b a ls o l a rr a d i a t i o nr e c e i v e db yr e m o t es e u s o ri a c l u d e sl i u l ew a t e ri n f o r m a t i o n ( w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c e ) o v e r9 0p e r c e n t si n f o r m a t i o nc o m e sf r o mr a y l e i g hs c a t t e r i n g , a e r o s o l s c a t t e r i n ga n d s o l a rr e f l e c t a n c e s ow em u s tm a k ea t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nt oo b t a i nt h e w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c ew h i c hc o n t a i n st h ei n f o r m a t i o no fw a t e rc o n s t i t u e n t s s e p a r a t i n gw a t e r i n f o r m a t i o nf r o ma t m o s p h e r i cs i g n a li st h ek e yf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h er e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e ， w h i c hi n f l u e n c e sa c c u r a c yo f f o l l o w i n ga p p l i c a t i o n ss u c ha st h ei n v e r s i o no f w a t e rc o n s t i t u e n t s t a i h ul a k eb e l o n g st oi n l a n dc a s e 1 1w a t e r , w h o s eo p t i c a lp r o p e r t i e sa r em u c hm o r e c o m p l i c a t e dt h a nc l e a na c e a nw a t e r s t a n d a r da t m o s p h e r i cc o r r e c t i o na l g o r i t h mf o ro c e a nc o l o r r e m o t es e n s i n gm a yc a u s eb i ge r r o r s i ti sn e c e s s a r yt 0d e v e l o pa t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nm o d e l sf o r i n l a n dc a s e 一1 1w a t e r t h i st h e s i sf i r s t l yd e m o n s t r a t e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so fa t m o s p h e d c c o r r e c t i o n ，b a s e do nl a n d s a t - 5t md a t a , s y n c h r o n o u sm o d i sd a t aa n dm e t e o r o l o g i cr e c o r d s ， t r i e sd i f f e r e n tm e t h o d st oo b t a i nr e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c eo fw a t e r , a n da n a l y s e st h er e s u l t so f a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nw i t hf i e l ds p e c t r a ld a t a t h em a i nc o n t e n t so f t h i ss t u d ya l ea sf o l l o w s ： 1 、m a k i n ga t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n w i t h6 sr a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l ，c o m b i n e dw i t h s y n c h r o n o u sm e t e o r o l o g i cr e c o r d s ； 2 、m a k i n ga t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nw i t ht h ed a r k - o b j e c tm e t h o d ，c o n s i d e r i n gi n f l u c e n c e so f 0 、l p 、乃、瓦a n de d ； 3 、m a k i n ga t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nw i t hi m p r o v e dg o r d o na t m o s p h e d cc o r r e c t i o na l g o r i t h m ， p l a c i n ge m p h a s i so nt h ec a l c u l a t i o no fr a y l e i g hs c a t t e r i n g , a e r o s o ls c a t t e r i n g , o x y g e nc o n t e n t , w h i t e c a pr a d i a n c ea n da t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 、i m p o r t i n gs y n c h r o n o u sm e t e o r o l o g i cr e c o r d si n t o6 sm o d e li m p r o v e si t sa t m o s p h e r i c c o r r e c t i o na c c u r a c y t h ea e r o s o lc o m p o s i t i o ni nt a l h ua r e ai s n tc l e a r , s ot h es t a n d a r dc o n t i n e n t a e r o s o lt y p ew a ss e l e c t e dh e r ef o rc o r r e c t i o n w h i c hc a u s e de r r o r st 0t h er e s u l l 2 、s e l e c t i n gd a r ko b j e c ta m o n gl a k ew a t e r sf o rd a r k - o b j e c tm e t h o dc a u s e do v e r - c o r r e c t i o no f r e f l e c t a n c ei nt mb a n d s t h ea t m o s p h e r i cp a r a m e t e r sc o m p u t e db ys y n c h r o n o u sm e t e o r o l o g i c r e c o r d sa r em o r ea c c u r a t et h a nt h a tb yt h ed a r ko b j e c ti t s e l es y n c h r o n o u sm e t e o r o l o g i cr e c o r d s a r ep r o v e dt ob eac o m p l e m e n t a r i t yf o rd a r k - o b j e c tm e t h o d 3 、t h er e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c ei n v e r s e db yi m p r o v e dg o r d o na t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n a l g o r i t h mi sc l o s e t ot h ef i e l ds a m p l i n gd a t a c o m p a r e dw i t hs y n c h r o n o u sm o d i sd a t a , s y n c h r o n o u sm e t e o r o l o g i cr e c o r d sc o m p u t e da e r o s o ls c a t t e r i n gm o r ea c c u r a t e l y t h er e l a t i v ee r r o r j t sc o r r e c t i o n i s l e a s t w h i c h i sc l o s e t o t h e i n t e m a t i o n a le r r o r c r i t e r i o n f o r i n l a n d c a s e - 1 1 w a t e r k e yw o r d s ：t a i h ul a k e ，t m ，a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n ，r e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c e 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 1 、堅(jiān)持以“求實(shí)、創(chuàng)新”的科學(xué)精神從事研究工作。 2 、本論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本論文中除引文外，所有實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實(shí)的。 4 、本論文中除引文和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其它機(jī)構(gòu) 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 5 、其他同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了聲明并表示 了謝意。 作者簽名： j ) 盤基 日 期：姿立：! ：! ； 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解南京師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué) 校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電 子版和紙質(zhì)版；有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論 文進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱；有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行檢索；有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密的學(xué)位論文在 解密后適用本規(guī)定。 作者簽名：立1 查盔 日 期：塑) 。! ：1 3 1 1 選題背景與研究意義 1 1 1 選題背景 第一章緒論 遙感技術(shù)是2 0 世紀(jì)6 0 年代迅速發(fā)展起來的- - f 綜合性對地探測技術(shù)，通過從不同高度 平臺，收集地物的電磁波信息，并加以處理，從而達(dá)到對地物的識別與監(jiān)測的日的。遙感技 術(shù)因其宏觀、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)，2 0t 日= 紀(jì)8 0 年代以來在資源、環(huán)境、水利、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等 部門已有廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測是人工實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)測，耗時(shí)耗力，且采樣所收集到的 只是點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，難以對大面積湖泊內(nèi)的水質(zhì)分布進(jìn)行推算。衛(wèi)星遙感能快速獲取大面積、宏 觀的水面輻射信息，因此能克服常規(guī)監(jiān)測中進(jìn)行離散點(diǎn)采樣的不足，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域面狀水質(zhì)的 監(jiān)測。 水色遙感是空間技術(shù)、大氣光學(xué)和遙感技術(shù)與海洋光學(xué)理論實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，屬于衛(wèi) 星遙感的一類。水色是指海洋水體在可見光一近紅外波段的光譜特性，正如人眼看到的不同 水體具有不同的顏色一樣。水體中相關(guān)組分的濃度、分布等是水色的主要決定因素。水色遙 感的主要目的是獲取水體光學(xué)特性，監(jiān)測水體組分( 葉綠索a 、懸浮物、黃質(zhì)等) 的濃度和 分布。以及按其研究對象差別，可包括內(nèi)陸( i n l a n d ) 水體、近岸( c o a s l a l ) 水體、火洋開 闊水體( o p e ns e a , o rc a s els e a ) 等的遙感。水色遙感的發(fā)展，始于1 9 7 8 年美國c z c s ( 海 岸帶水色掃描儀) 的發(fā)射。自此，水色遙感從定性麻川發(fā)展劍定量應(yīng)塒，并在全球碳循環(huán)、 海洋初級生產(chǎn)力、海洋漁業(yè)、區(qū)域環(huán)境監(jiān)測與管理等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了r 闊的應(yīng)州前景。由于 c z c s 水色遙感所獲得的意外巨人成功，九十年代以來，日益復(fù)雜的傳感器逐漸問世。第二 代水色遙感器的代表是n a s a1 9 9 7 年8 月發(fā)射成功的s e a w i f s ( 寬視場水色掃描儀) 以及 在1 9 9 9 年前后發(fā)射的m o d i s 、歐空局的m e r i s ，性能指標(biāo)較c z c s 有了很大的提高：( 1 ) 信噪比大幅度提高；( 2 ) 配置了更加合理的波段進(jìn)行大氣修正；( 3 ) 波段配置使得能夠建立更 加有效的色素反演算法，特別是半分析模型，將葉綠素、懸浮泥沙、黃色物質(zhì)的貢獻(xiàn)分離出 來。鑒于水色遙感對研究、開發(fā)與保護(hù)海洋的重要性，各國競相發(fā)展自己的水色遙感計(jì)劃。 在2 0 0 0 年前后有十幾顆載有水色遙感器的衛(wèi)星在運(yùn)轉(zhuǎn)，這些水色遙感器( 或具有水色遙感 波段的遙感器) 包括：美國的s e a w i f s 。m o d i s ( 其中9 個(gè)波段為水色專用) 、m i s r ；日本 的o c t s ，p o l d e r ，g l i ；歐空局的m e r i s ；印度的m o s 和o c m ；臺灣的o c ! ；我國的 海洋一號甲星( h y - 1 ) 等。 搭載丁遙感平臺上的傳感器在位于可見光和近紅外范圍內(nèi)的多個(gè)選定波段進(jìn)行輻射通 餐測量，因而傳感器測量的人氣頂( t o a ) 信號包含了水體和人氣中多個(gè)過程的貢獻(xiàn)，其中， 只有自水體后向散射出的信號是有用的。然而，傳感器所接受的總信號受大氣影響巨大，如 在一類水體，短波可見光波段的信號中有9 0 以上來1 3 大氣，這包括瑞利散射、氣溶膠散射 以及天空光的水表面( 菲浮爾) 反射等。精確的確定人氣散射、吸收和水表面反射的貢獻(xiàn)，并 從水色衛(wèi)星遙感總信號中予以左除，提取山有_ l j 的離水輻射率是水色遙感應(yīng)用的關(guān)鍵，直接 影響水體組分反演等后續(xù)應(yīng)圳的精度。 1 1 2 研究意義 理想的遙感模掣是沒有大氣存在，地面為朗伯體，遙感接收到的光譜直接反映地面目標(biāo) 的狀況。但是事實(shí)上，在衛(wèi)星遙感成像的過程中，地面發(fā)射的電磁波在目標(biāo)一大氣一遙感器 之間傳播途徑中，受到大氣的吸收與散射的影響，其強(qiáng)度、波譜、空間分布、方向和極化等 特性都會(huì)發(fā)生變化，使得遙感器的測量值與地物實(shí)際光譜輻射值不一致，測量值存在著輻射 火真，從而對遙感圖像的質(zhì)鼉和應(yīng)剛效果產(chǎn)生不可忽視的影響。這些影響使得基于遙感影像 的應(yīng)用研究，特別是定量化應(yīng)_ i j 受到很人的影響，因此在這些信息被成功應(yīng)用丁地球信息的 定量化研究之前，必須對遙感影像進(jìn)行人氣校正，這是定量化應(yīng)刪的前提。人氣校正就是要 研究著消除人氣條件對遙感的影響，在傳感器位置恢復(fù)地面目標(biāo)的光譜特征。 對于不同目的和性質(zhì)的遙感應(yīng)用，大氣影響的程度和重要性不同，大氣影響與當(dāng)?shù)亍?dāng) 時(shí)的大氣光學(xué)性質(zhì)，目標(biāo)特性，大氣氣溶膠成分，顆粒大小，傳感器獲取的波段，太陽一目 標(biāo)一傳感器之間的相對位置關(guān)系等都有關(guān)系。水色遙感在信息獲取方面，與陸地遙感相比， 表現(xiàn)出以下幾點(diǎn)不同： ( 1 ) 水體影像特征不明顯，傳感器獲得的能量很微弱。水體一般混合程度較好，不像陸地 景物有明顯的邊界和強(qiáng)烈的反差。因此，從反差很小而后向散射信息微弱的水體遙感影像中 獲取有用的離水輻射信息，難度較大； ( 2 ) 水體信息中的復(fù)合因素多，專題信息提取的難度高。比如水體可見光后向散射的上行 輻射中，包含了水體懸浮吲體、葉綠素、黃色物質(zhì)等信息，必須把混合在一起的這些物質(zhì)的 微弱信息分開，再提取定量數(shù)據(jù)； ( 3 ) 與陸地遙感中的穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象不同，不論在時(shí)間分布還是空間分布上，水體的動(dòng)態(tài)變化都 很人，實(shí)地測量難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的衛(wèi)星同步； ( 4 ) 大氣對水質(zhì)遙感信息的影響十分嚴(yán)重。水色遙感接收劍的總輻射量中來自水體的信號 ( 離水輻射率) 甚微，9 0 以上來自于大氣瑞利散射、氣溶膠散射以及太陽反射。只有離水 輻射率才包含了水色要素的信息，其數(shù)值只有陸地輻射量的1 1 0 。即使是很小的大氣校正誤 差也能引起很大的水質(zhì)參數(shù)反演誤差，因此提取水體定量信息要比陸地遙感復(fù)雜很多。 太湖屬于二類水體，包含浮游植物色素、懸浮顆粒以及黃色物質(zhì)等，一般來講，湖泊水 體的光學(xué)特性比海水復(fù)雜得多，通常海洋水色衛(wèi)星遙感提取一類水體葉綠素的標(biāo)準(zhǔn)算法對湖 泊等二類水體不再適用，這不僅對二類水體水色遙感的傳感器設(shè)計(jì)提出了更高的要求，而且 對其反演算法等也都提出了更高的要求。湖泊水色遙感要求傳感器不僅具有較高的光譜分辨 率，而且具有較高的空間分辨率，目前還沒有一個(gè)專f j 的湖泊水色遙感傳感器湖泊水色遙 感研究主要使用陸地衛(wèi)星傳感器如m s s ，t m 、e t m 、s p o t 、c b e r s 等。 水色遙感作為快速獲取上層水體光學(xué)特性和水體組分信息的重要技術(shù)，目標(biāo)是通過遙感 手段米了解水體的物化參數(shù)。如何精確提取水體輻射量，將p 星接收劍的反射光信號換算成 水面反射光信號是水環(huán)境遙感的關(guān)鍵，必須發(fā)展針對水質(zhì)遙感的相對精確的大氣校正模型。 1 2 研究目的 如何將水體信息同人氣信息分離，是水色遙感得以應(yīng)剛的關(guān)鍵。本文主要以美國陸地衛(wèi) 2 星l a n d s a t - 5t m 為數(shù)據(jù)源，嘗試以不同的大氣校正方法從遙感影像上提取太湖水體遙感反 射率。并與準(zhǔn)同步實(shí)測水體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以期找到一種適合內(nèi)陸二類水體的大氣 校正的方法與流程。 1 3 國內(nèi)外研究進(jìn)展 1 3 1 國外研究進(jìn)展 國內(nèi)外針對水色遙感大氣校止的方法很多，比較成熟的方法有輻射傳輸模型方法、黑暗 像元法以及基于標(biāo)準(zhǔn)一類水體校正算法發(fā)展起來的相對成熟的二類水體算法，如光譜迭代 法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析方法等。 i 輻射傳輸模型法 輻射傳輸模型法( r a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l s ) 是利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立 模型，對遙感圖像進(jìn)行大氣校正的方法?；诓煌募僭O(shè)條件和適用的范圍，目前已經(jīng)建立 了很多可選擇的大氣校正模型，如6 s 模型、l o w t r a n i v l o d t r a n 模型、t u r n e r 大氣 校正模型、a t c o r 模型等等。 ( i ) 6 s 模型( s e c o n ds i m u l a t i o no f t h e s a t e l l i t e s i g n a l i n t h es o l a rs p e c t r u m ) 6 s 模型是在5 s 模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該模型采用了最先進(jìn)的( s t a t eo f t h ea r t ) 近 似和逐次散射s o s ( s u c c e s s i v eo r d e f so f s e a t t e d n g ) 算法來計(jì)算散射和吸收，改進(jìn)了模型的 參數(shù)輸入，使其更接近實(shí)際。該模型對主要大氣效應(yīng)：h 2 0 ，0 3 ，0 2 ，c 0 2 ，c h 4 ，n 2o 等氣體的吸收，大氣分子和氣溶膠的散射都進(jìn)行了考慮。但6 s 主要開發(fā)者e r i cv e n n o t e ( 1 9 9 7 ) 認(rèn)為，6 s 在高精度要求的水色遙感中只適丁作為敏感性研究( s e n s i t i v i t ys t u d y ) 之用。 ( 2 ) l o w t r a n m o d t r a n 模型 目前流行的版本是l o w t r a n 7 ，它是以2 0 c m 。的光譜分辨率的單參數(shù)帶模式計(jì)算 o c m 。到5 0 0 0 0 c m 。的大氣透射率，大氣背景輻射，單次散射的光譜輻射亮度、太陽直射輻 射度。l o w t r a n 7 增加了多次散射的計(jì)算及新的帶模式、臭氧和氧氣在紫外波段的吸收參 數(shù)。m o r t r a n 模型在維持l o w t r a n 7 的基本程序和使用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要是對 l o w t r a n 7 模型的光譜分辨率進(jìn)行了改進(jìn)，它把光譜分辨率從2 0 c m 減少到2 - 1 c m ，發(fā)展 了一種2 c m 。光譜分辨率的分子吸收的算法利更新了對分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理。 e n v l 中提供的f l a a s h 大氣校正模型就是使用了改進(jìn)的m o r t r a n 模型的代碼。m i c h a e l w m a t l h e w 等( 2 0 0 3 ) 利用f l a a s h 模塊對a v i r i s 航空遙感影像進(jìn)行了大氣糾l 三，從影像 中獲取到比較合理準(zhǔn)確的地表反射率信息，并分析認(rèn)為能見度為中等劍清晰、人氣水汽枉含 量為低劍中等的人氣條件f ，進(jìn)行天底點(diǎn)垂直觀測獲取的影像，f l a a s h 能夠反演得到更 為精確的反射率信息。 研究表明輻射傳輸模型法計(jì)算出米的反射率精度較高，但是該類方法計(jì)算姑人。而且需 要較多參數(shù)。比如火氣中的水汽含量、臭氧含量以及空間分布，氣溶膠光學(xué)特征等等的計(jì)算。 而在常規(guī)的大氣校止中，這種參數(shù)計(jì)算很難實(shí)施。k a u f m a n ( 1 9 8 9 ) j 日f l l ：大氣校1 e 的基本方 法是獲得關(guān)于人氣光學(xué)性質(zhì)的各種參數(shù)，如人氣光學(xué)厚度、相函數(shù)、單向散射反照率、氣體 吸收率等。而入氣校正的凼難就在丁難于確定這些參數(shù)。如果測得的參數(shù)不止確將直接影響 計(jì)算的精度，所以這種方法的廣泛應(yīng)刑受到了一定限制。 2 黑暗像元法 理想的大氣輻射校正和反射率反演應(yīng)該是僅通過遙感影像信息，而不需要野外場地測量 等輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。因此，研究者提出了一些不需要大氣和地面實(shí)測數(shù)據(jù)，尤其不需要 衛(wèi)星同步觀測數(shù)據(jù)的人氣校正方法，其中被r j 泛應(yīng)用的一種方法就是黑暗像元法 ( d a r k - o b j e c tm e t h o d s ) 。用黑暗像元法進(jìn)行大氣校正主要是依靠圖像本身的信息，其他一些 不能直接在| 璺| 像上獲得的信息，可在相應(yīng)的前人研究成果的文獻(xiàn)資料中找到。黑暗像元法的 研究與應(yīng)用已經(jīng)有2 0 多年的歷史，其關(guān)鍵技術(shù)主要在于遙感圖像中黑暗像元值有效地確定 和大氣校正模型的適當(dāng)選擇。g o o n ( 1 9 7 8 ) 采用了把深且清潔的水體像元作為黑暗像元 的方法進(jìn)行 大氣校正，這種方法被認(rèn)為在海洋上具有可接受的精度。c h a v e z ( 1 9 8 8 ) 提出。 根據(jù)遙感圖像不同波段的直方圖，特別是對于可見光波段，從零亮度值對應(yīng)的像元到非零亮 度值對應(yīng)的像元數(shù)量有一個(gè)很快的上升，像元數(shù)量突然增加處所對應(yīng)的亮度值就可以當(dāng)作黑 暗像元值；或者是圖像直方圖上非零亮度值開始，逐漸隨像元個(gè)數(shù)增高，則非零亮度值開始 處對應(yīng)的亮度值就可以當(dāng)作黑暗像元值。k a u f m a n 等( 1 9 9 7 ) 發(fā)現(xiàn)，可見光波段黑暗像元的 反射率與這些像元在中紅外波段反射率存在很好的線性關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，利用中紅外波 段發(fā)現(xiàn)了可見光波段的黑暗像元，這種方法比較客觀，精度也很好。 黑暗像元法直接、簡易，其校正精度可以滿足般遙感的研究和應(yīng)_ 目j ，具有較強(qiáng)的實(shí) 用性。但由于其沒有考慮大氣的多次散射輻照作用、沒有考慮像元間的多次散射影響、沒有 考慮地形差異的影響，同時(shí)圈像中黑暗像元的確定也帶有一定的主觀性，這些都將會(huì)影響黑 暗像元法的結(jié)果精度。 3 標(biāo)準(zhǔn)一類水體大氣校正方法 標(biāo)準(zhǔn)一類水體大氣修止均采用“暗像元”假設(shè)，這樣就可以估計(jì)出近紅外的氣溶膠散射 貢獻(xiàn)，通過適當(dāng)方法將近紅外的氣溶膠信號外推到可見光，即可得到可見光的氣溶膠貢獻(xiàn)。 針對一類水體的大氣修止算法研究最初是圍繞處理c z c s 資料而開展的( g o o n ，1 9 7 8 ； v i o i l i e r 等，1 9 8 0 ：g o r d o n & c l a r k ，1 9 8 0 ；g o r d o n 等，1 9 8 3 ；g o r d o n & c a s t a n o ，1 9 8 9 ) 。c z c s 算法基于兩個(gè)假定( g o r d o n ，1 9 9 3 ) ：( i ) 海表面為水平表面，即無風(fēng)速的影響，可以忽略海 面白帽的貢獻(xiàn)；( 2 ) c z c s 共有5 個(gè)可見光通道( 4 4 3 ，4 9 0 ，5 2 0 ，5 5 0 ，6 7 0 r i m ) ，由于沒有 設(shè)置近紅外波段，對一類清潔水體，假定6 7 0 n m 處的離水輻射率為零，用單次散射理論進(jìn) 行瑞利和氣溶膠散射計(jì)算。c z c s 傳感器設(shè)計(jì)了2 0 。的傾角，這樣避開了太陽耀斑的影響。 c z c s 的大氣修正算法可用式( 1 1 ) 表示( g o r d o n ，1 9 9 0 ) ： 工( 五) = ，( 五) + 厶( 五) + ，( 五) ( 五) ( 1 1 ) 在c z c s 算法的基礎(chǔ)上，義發(fā)展了s e a w i f s 標(biāo)準(zhǔn)人氣修正算法( g o r d o n & w a n g ，1 9 9 4 a ) 。 與c z c s 相比，s e a w i f s 具有兩個(gè)近紅外波段( 7 6 5 n m 和8 6 5 n m ) ，利剛這兩個(gè)波段的信息可 以確定每個(gè)像元的光譜變化，而不必采_ l j 統(tǒng)一的參數(shù)或者利_ l l j “清潔水體”( 葉綠素濃度 0 2 5 m g m 3 ) 的近似，而且這兩個(gè)波段的離水反射率要比6 7 0 n m 的更低，另外該算法采h j 了多 次散射理論進(jìn)行瑞利和氣溶膠散射計(jì)算。 傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)一類水體大氣校止方法存在如下問題：一是在圖像中可能不存在所要求的清 潔水體；二是在幽像中，氣溶膠類璀發(fā)生變化；三是即使所有其他假垃都滿足( 單次散射) ， 4 由于氣溶膠相位函數(shù)與波長之間僅存在較弱依賴關(guān)系，也將引起某些參數(shù)的變化：四是該方 法忽略了多次散射、表面粗糙不平、垂直結(jié)構(gòu)、向帽、臭氧層變化、大氣壓強(qiáng)變化等諸多因 素；五是單次散射的假設(shè)不夠精確。 4 二類水體大氣校正方法 國際上通用的g o r d o n 標(biāo)準(zhǔn)算法在清潔人洋水體中精度較高，一般可達(dá)9 5 左右。但對 二類水體而言，該算法的一個(gè)基本假設(shè)“近紅外波段的離水輻射為零”，不再成立，從 而導(dǎo)致算法失效。 總的來說，目前國際上針對二二類水體提出的水色人氣修正算法主要有以下兒類： ( 1 ) 在g o r d o n 標(biāo)準(zhǔn)算法基礎(chǔ)上的，著重解決近紅外波段的離水輻射量。 近紅外光譜迭代算法。a m o n e 等( 1 9 9 8 ) 基于兩個(gè)假設(shè)：紅光_ 手| i 近紅外波段的水體 總吸收系數(shù)主要由純水的吸收系數(shù)決定；顆粒物后向散射在上述波段范圍內(nèi)隨光譜是線性 變化的，根據(jù)簡化的生物一光學(xué)模型提出改進(jìn)算法。但對近岸高渾濁水體而言，以上兩個(gè)假 設(shè)有可能不成立，計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差。 借用鄰近清潔水體的大氣光學(xué)特性。h u 等( 2 0 0 0 ) 提出- - 種“鄰近象元法”來解決近 岸渾濁水體的s e a w i f s 圖象大氣修正問題。算法的基本思想如下：假設(shè)氣溶膠類型在較小 的空間范圍內(nèi)( 大約5 0 1 0 0 k m ) 保持不變，然后利用鄰近清沾水體象元法來確定渾濁區(qū)域的氣 溶膠類型。雖然氣溶膠類型是同定的，但其濃度是可變的。利用這種方法可同時(shí)求得7 6 5 和8 6 5 n m 波段的氣溶膠散射平離水輻射量。 比利時(shí)唧刪( t h em a n a g e m e n tu n i tm a t h e m a t i c a lm o d e l s ) 算法( r u d d i c l c ，2 0 0 0 ) 。 它是一種針對s e a w i f s 數(shù)據(jù)的二類水體人氣校正方法。該算法假設(shè)離水輻射率的比率具有空 間一致性，研究區(qū)域內(nèi)7 6 5 n m 和8 6 5 n m 的氣溶膠散射比和離水輻射率的比率為某一確切值， 這種假設(shè)較之于之前針對c z c s 可見光波段的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系更有通用性。此外，采剛這一假設(shè)可 以避免迭代運(yùn)算，因?yàn)閮蓚€(gè)近紅外波段的離水輻射率的計(jì)算只需要同時(shí)解算兩個(gè)線性方程， 進(jìn)行運(yùn)算僅僅只需要執(zhí)行兩步程序。 ( 2 ) 優(yōu)化方法，可同時(shí)求解大氣和水色要素參數(shù)，也可以單獨(dú)求解海面離水輻射信號。 重點(diǎn)在于大氣氣溶膠模型、海面離水反射光譜模擬及誤差函數(shù)( e r r o rf u n c t i o n ) 的選取。神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型，也屬于優(yōu)化方法，但與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比非線性逼近能力更強(qiáng)，模型的推廣能 力更好，且該模型朋網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，運(yùn)算速度人大提高。s c h i l l e r & d o e r f f e r ( 1 9 9 9 ) 利j j 模擬的m e r i s l 6 個(gè)波段的大氣頂去瑞利散射后的反射率數(shù)據(jù)集，通過n n 模型反演三 要素濃度和火氣氣溶膠濃度。該模型有兩個(gè)隱含層。每層分別有4 5 和1 2 個(gè)神經(jīng)元。模擬結(jié) 果顯示，該算法對較大范麗內(nèi)的富營養(yǎng)一類水體和渾濁二類水體都適_ l i j ，而且在高渾濁水體 近紅外光譜信號不為零的情況下，該人氣修止算法也有效。 ( 3 ) 主成分分析法，主要?jiǎng)偠⊥瑫r(shí)求解人氣參數(shù)和水色要素參數(shù)。該方法以最優(yōu)加權(quán)系 數(shù)和多變量線性回歸為基礎(chǔ)，而典理二類水體的備成分與光譜之間是高度非線性相關(guān)的，岡 而限制了其在復(fù)雜二二類水體中的應(yīng)川。一般情況下，它是將人氣修正和水色要素反演看作一 個(gè)整體來完成。n e u m a n n 等( 2 0 0 0 針對m o s i r s 水色遙感數(shù)據(jù)，提出一種利川主成分分析 法進(jìn)行大氣修正和水色反演的算法。根據(jù)m o r e l 等( 1 9 8 9 ) 給出的半分析模型模擬海面離水輻 射( b o a ) ，然后利h ja n g s t r o m 指數(shù)法計(jì)算氣溶膠散射，從而獲得火氣頂去瑞利散射后的總 信號( t o a ) 。利用t o a 模型的反演結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的相對誤差在3 0 以內(nèi)。直接利h j | 海 面信號的b o a 反演模型測試結(jié)果還需要進(jìn)一步與現(xiàn)場數(shù)據(jù)作對比。 1 3 2 國內(nèi)研究進(jìn)展 在國內(nèi)的研究中，火部分研究者都是對國外的方法進(jìn)行修止雨麻圳。張玉貴( 1 9 9 4 ) 利 用t u r n e r 大氣校正模氆，利h ；i 氣象數(shù)據(jù)輔助對t m 圖像進(jìn)行了人氣校止。田慶久等( 1 9 9 8 ) 通過大氣輻射傳輸模型計(jì)算，、e 。代入人氣校正模型，算出了地物的真實(shí)反射率尺。 趙春江等( 2 0 0 7 ) 發(fā)展了基于6 s 模型對l a n d s a t 5 遙感影像進(jìn)行逐像元人氣糾l e 的反演算法， 結(jié)果表明利用查找表逐像元大氣糾正的算法，與以往常用的基于整景遙感影像獲取一個(gè)平均 氣溶膠光學(xué)厚度值，并進(jìn)行大氣糾正的算法相比，能夠更好的去除云霧對影像的影響，更加 精確的對遙感影像進(jìn)行大氣糾正并獲取地物的真實(shí)反射率。陳蕾，鄧孺孺等( 2 0 0 4 ) 針對 t m 數(shù)據(jù)，以山區(qū)陰影部分的植被為“暗像元”，反推大氣參數(shù)，從而確定大氣校正的各項(xiàng) 參數(shù)，建立了基于地面耦合的t m 影像的大氣校正模型。劉小平，鄧孺孺等( 2 0 0 5 ) 在該方 法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用迭代法對大氣程輻射率獲取技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，克服了通常黑暗像元法獲取程 輻射率誤差較大的不足。陳楚群( 1 9 9 8 ) 根據(jù)火氣糾正的原理和計(jì)算法，編制了海洋水色遙 感資料的大氣糾正程序。程序的設(shè)計(jì)思路是先判別確定“清潔海水”像元，進(jìn)而求算大氣糾 正因子和紅光波段的氣溶膠散射輻亮度；再求算整個(gè)圖幅各像元在各波段的離水輻亮度。韋 鈞等( 2 0 0 2 ) 從海洋水色資料應(yīng)用的角度出發(fā)，在借鑒了g o r d o n & m e n g h u aw a n g 以及比利時(shí) 刪m m 算法的基礎(chǔ)上，針對海洋水色衛(wèi)星s e a w i f s 資料提出了可適用于珠江1 2 1 2 2 類水體的線 性相關(guān)算法和擬合方程外推算法，即將7 6 5 和8 6 5 n m 波段氣溶膠多次散射之比和離水輻射 率之比假設(shè)為常數(shù)作為大氣校正岡子麻h | 丁j 整個(gè)區(qū)域，并在珠江口區(qū)域取得了比較合理的校 正結(jié)果。丁靜( 2 0 0 4 ) 基于黃東海區(qū)實(shí)測遙感反射率和氣溶膠反射率光譜變化的對數(shù)線性關(guān)系 模型，模擬了不同角度、8 6 5 n m 波段氣溶膠輻亮度和e ( 4 1 2 ，8 6 5 ) 情況下的瑞利散射修正后的 t o a 信號，建立了具有兩層隱含層的全連接前饋后向傳遞網(wǎng)絡(luò)，可以用8 個(gè)s e a w i f s 波段 的瑞利修正后t o a 信號，反演得到8 6 5 n m 波段氣溶膠反射率和氣溶膠參數(shù)。何賢強(qiáng)等( 2 0 0 4 ) 在分析渾濁水體離水輻亮度隨懸浮泥沙濃度變化的基礎(chǔ)上，借鑒近紅外波段離水輻亮度近似 為零的做法，假設(shè)4 1 2 n m 波段離水輻亮度可以忽略不計(jì)，采用氣溶膠單次散射近似和氣溶 膠反射率光譜變化的對數(shù)線性關(guān)系模型等，建立了一個(gè)簡單的、用于含有高濃度懸浮泥沙和 黃色物質(zhì)水體的大氣校正算法。庸軍武等( 2 0 0 5 ) 利用高精度的m o d l s 數(shù)據(jù)對c c d 相機(jī) 進(jìn)行了交叉輻射校正，在均勻清潔水體海域上，分別選擇了兩個(gè)遙感器同一天過境的具有相 同觀測區(qū)域的兩天數(shù)據(jù)，利h j 一種清沾水體人氣輻射計(jì)算方法和m o d i s 獲得的水體與氣溶 膠參數(shù)，對c b e r s 2c c d 相機(jī)的4 個(gè)通道進(jìn)行了基丁人氣層外總輻亮度的交義輻射校正 ： 作，誤著住5 左右。于中挺等( 2 0 0 6 ) 研究設(shè)計(jì)了中巴資源星c b e r s 0 2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)大氣 校上【= 的快速算法。李俊生等( 2 0 0 6 ) 改進(jìn)了g o r d o n 水色遙感人氣校止算法，提山了一種基 于同步m o d i s 數(shù)據(jù)輔助下的c b e r sc c di j l 陸水體數(shù)據(jù)人氣校止算法，取得了比較好的效 果。 6 1 3 3 小結(jié) 綜上，從遙感幽像進(jìn)行人氣校正以獲取實(shí)際的離水輻亮度或遙感反射率方法主要可歸納 為兩類：( 1 ) 直接法：利_ 【 j 標(biāo)準(zhǔn)人氣剖面數(shù)據(jù)，通過已有的大氣模型( 如6 s ，m o d t r a n ) 估算山人氣的影響，以便從遙感器所接收到的輻射鼙中求算山湖泊水體的表面的反射率。但 由于采川的標(biāo)準(zhǔn)人氣數(shù)據(jù)是一種平均狀態(tài)數(shù)據(jù)，與遙感衛(wèi)星過境的實(shí)時(shí)人氣剖面數(shù)據(jù)有很大 差異，并且不同地區(qū)的人氣剖面狀態(tài)是不同的，岡此僅僅用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人氣模擬，并據(jù)此 進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的反演誤差通常較大。( 2 ) 間接法：假設(shè)近紅外波段處的離水輻射率為0 ， 從而將人氣效應(yīng)和離水輻射分開，但這不適用1 ：懸浮物質(zhì)含量較高特別是水深較淺的二類湖 泊水體，因此一類水體現(xiàn)有的人氣校正方法不適合二類水體，必須加以改進(jìn)，比如：在近 紅外波段建立耦合水文一大氣光學(xué)模式，根據(jù)水體后向散射在近紅波段之間的關(guān)系迭代計(jì)算 近紅外波段的氣溶膠特性；假設(shè)氣溶膠類型在小范圍內(nèi)基本不變，借用鄰近較潔凈水體的 大氣條件計(jì)算渾濁水體的氣溶膠輻射率，實(shí)現(xiàn)二類水體的大氣校正。另外，適當(dāng)?shù)牟ǘ芜x擇 也可以降低或消除大氣校正誤差。針對太湖二類水體，本文嘗試不同的大氣校正方法提取水 體遙感反射率，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評價(jià)，尋求適合太湖二類水體大氣校正的方法與流 程。 1 4 研究技術(shù)路線 1 4 1 技術(shù)路線 圖1 1 技術(shù)路線圖 7 1 4 2 實(shí)施方法 以同步氣象數(shù)據(jù)、同步m o d i s 影像數(shù)據(jù)為輔助，嘗試以不同的大氣校正方法從t m 遙 感影像上提取太湖水體遙感反射率，并將校正結(jié)果與準(zhǔn)同步實(shí)測水體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分 析，具體的實(shí)施步驟如f ： l 、實(shí)測水體遙感反射率的計(jì)算 首先在a s dv i e w s p e c p r o 軟什中對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除數(shù)值異常的曲線，然后把剩余 的曲線進(jìn)行平均，并以文本格式輸出，雨把輸出的結(jié)果導(dǎo)入e x c e l 中根據(jù)公式計(jì)算水體遙感 反射率并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。 2 、t m 影像水體遙感反射率的提取 ( 1 ) 預(yù)處理：對t m 影像進(jìn)行幾何校正、圖像裁減和輻射定標(biāo)。m o d i s 每個(gè)波段為經(jīng)過輻 射定標(biāo)的大氣項(xiàng)層輻亮度，本文未對其做任何處理。 ( 3 ) 大氣校正方法的實(shí)驗(yàn)分析 6 s 輻射傳輸模型法：根據(jù)同步氣象參數(shù)，計(jì)算大氣水汽含量、臭氧含量以及5 5 0 r i m 處氣 溶膠光學(xué)厚度，結(jié)合衛(wèi)星觀測幾何等參數(shù)，輸入6 s 模型中，計(jì)算大氣校正參數(shù)，獲得大氣 校正模型，對t m 6 個(gè)波段( 除熱紅外波段) 進(jìn)行大氣校正： 黑暗像元法：在水質(zhì)相對較好的東太湖，選定“暗象元”，分別基于“暗象元”和氣象數(shù) 據(jù)計(jì)算大氣參數(shù)，代入大氣校正模型； 基于g o r d o n 大氣校正模型的改進(jìn)算法：重點(diǎn)解決大氣瑞利散射、臭氧修正、向帽修正以 及大氣透射率的計(jì)算，并嘗試以同步m o d i s 數(shù)據(jù)輔助計(jì)算t m 各波段氣溶膠散射輻射率， 最終提取有用的離水輻射，計(jì)算水體遙感反射率。 3 、人氣校正結(jié)果評價(jià) 將經(jīng)過大氣校正提取的1 5 個(gè)采樣點(diǎn)的遙感反射率與實(shí)測水體遙感反射率進(jìn)行平均相對 誤差分析，比較各模型的校正精度，評價(jià)各模型的適媚性。 8 第二章研究區(qū)與數(shù)據(jù)源 2 1 研究區(qū)概況 2 1 1 地理位置與氣候狀況 太湖流域位?。洪L江三角洲的南緣，是一個(gè)典型的碟形洼地平原。太湖位于流域中心，界 于北緯3 0 。5 5 4 0 ”3 1 03 2 。5 8 ”，東經(jīng)1 1 9 。5 3 3 2 ”1 2 0 。3 6 1 0 ”，水域面積 2 3 3 8 1 k m 2 ，平均水深1 9 m ，出入湖的河道共1 0 0 多條。 太湖作為大型淺水湖泊有以下幾個(gè)特點(diǎn)( 濮培民等，1 9 9 9 ) ：( 1 ) 湖面開闊，水淺，風(fēng) 浪較大；( 2 ) 溫?zé)釛l件好，光照充足；( 3 ) 湖底淤泥很薄，一般在2 0 3 0 e r a 左右；( 4 ) 湖 底平坦，平均坡度1 9 7 ， ；( 5 ) 太湖周圍城市圍繞，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，人口密集，湖泊生態(tài) 系統(tǒng)受人類活動(dòng)影響較大。 太湖位于北亞熱帶，屬于季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，熱量充裕，雨水豐沛，光照充足。 湖區(qū)年平均溫度為1 5 _ 3 一1 6