水色遥感数据大气校正标准方法.doc

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GordonandClark（1981）的定义，归一化离水辐亮度可表示为：

其中为波长的离水辐亮度，和分别为大气分子瑞利散射光学厚度和臭氧吸收光学厚度，为日地距离（单位为AU），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

其中为日地平均距离下的地外日射辐照度，其值为。归一化离水辐射率与归一化离水辐亮度的关系为：

其中为大气漫透过率。

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

其中为海面向下辐照度。这两者可如下近似关系：

2大气校正基本原理

在大气顶层，传感器接收到的辐亮度可线性分解为以下形式：

其中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；为太阳耀光辐亮度，是海面对太阳直射光的镜面反射；为海面白冠反射产生的辐亮度；为离水辐亮度。和分别为大气漫散射透过率和大气直射透过率。离水辐射和白冠辐射近似各向同性，可使用大气漫散射透过率描述大气对其辐射衰减作用，而太阳耀光是针对太阳直射光而言，所以用大气直射透过率描述大气对其辐射衰减作用。可进一步表示为

其中为观测天顶角的余弦。、和分别为大气分子瑞利散射光学厚度、臭氧光学厚度和气溶胶散射光学厚度。的表达式中忽略了水汽的影响，一是因为水色波段都位于大气窗口，水汽在大气窗口水汽吸收较弱，二是因为在水汽吸收较弱的情况下难以区分水汽直接吸收作用和水汽对吸湿性气溶胶衰减系数的间接作用（Fraser，1975）。

把大气顶层辐亮度转化为反射率之后，卫星接收到的反射率可变为：

要从仪器测量值推导出，必须首先计算、、和。在太阳耀光附近，值特大，会严重影响影像质量，必须识别并剔除该项；远离太阳耀光的地方，值其微小，对影响最大的项是。可分解为以下三部分

其中为无气溶胶条件下的大气瑞利多次散射反射率，为无气体分子条件下的气溶胶多次散射反射率，而为气体分子散射和气溶胶散射的交叉项（AntoineandMorel，1999）。考虑的是分子和气溶胶的相反作用，比如光子先是与大气分子发生瑞利散射，然后与气溶胶发生米散射，或者光子先于气溶胶发生米散射，后与大气分子发生瑞利散射。在大气光学厚度较低的条件下，大多数光子只与大气分子或者气溶胶发生一次散射，在这种情况下可以忽略。

水色遥感数据大气校正基本原理：对一类水体，近红外波段的离水辐射率可忽略不计，则传感器在近红外波段接收到的大气顶层反射率都来自大气程辐射。根据两个近红外波段的大气程辐射率，估算气溶胶类型及其在其它波段的大气程辐射率，然后计算得到卫星接收到的海面离水辐射率。在气溶胶类型已知的情况下，可以根据近红外波段估算出光学厚度，从而可以计算其它波段的大气漫散射透过率。在大气漫散射率已知情况下，就可以计算出海面离水辐射率。

3单次散射校正法

大气程辐射率在单次散射条件下可表示为：

根据单次散射理论，气溶胶单次散射反射率为：

其中为气溶胶散射相函数，为气溶胶单次散射反照率，为下垫面反射率。只要给出大气压强和海面风速，就可以精确计算瑞利散射（Gordon，BrownandEvans，1988；GordonandWang，1992）。

假设两个近红外波段的波段中心波长为和（MODIS两个近红外波段中心波长分别为748nm和869nm），则这两个近红外波段的气溶胶单次散射反射率之比

对于不同气溶胶类型，不同波段的构成的曲线具有不同形状。在SeaWiFS/MODIS标准方法中内置气溶胶模型有不同相对湿度下的对流层气溶胶、海洋性气溶胶和沿岸带气溶胶。对流层气溶胶由70%水溶粒子（watersoluble）和30%类尘埃粒子