第七章-可见光和近红外辐射计与水色遥感--卫星海洋学课件

第七章第七章 辐射计和水色遥感（辐射计和水色遥感（Radiometer&Ocean Color Remote Sensing）7.1 辐射计（辐射计（Radiometers）7.2 水色遥感简介（水色遥感简介（Introduction to Ocean Color Remote Sensing）7.3 大气校正（大气校正（Atmospheric Correction）7.4 水色遥感术语（水色遥感术语（Scientific Terms of Ocean Color Remote Sensing）7.4.1 离水辐亮度（离水辐亮度（Water-Leaving Radiance）7.4.2 遥感反射率（遥感反射率（Remote Sensing Reflectance）7.5 海洋水色要素的生物光学算法（海洋水色要素的生物光学算法（Bio-Optical Algorithms of Ocean Color Elements）7.6 二类水体水色反演算法（二类水体水色反演算法（Algorithms of Ocean Color Retrieval for Case 2 Waters）7.1 辐射计（Radiometers）辐射计（radiometer）是一种根据被动遥感理论（passive remote sensing theory）制作的传感器。辐射计本身并不发射电磁波，它只接收地球表面反射和散射的太阳光或者地球表面包括陆地、海面和大气层的自发辐射；人们依靠反演算法可从辐射计测量数据中提取有关地球表面、海洋和大气的物理信息。7.2 水色遥感简介水色遥感简介水色水色:太阳光经水体散射后，监测到的散射光的颜色。太阳光经水体散射后，监测到的散射光的颜色。水色三要素是指浮游植物的叶绿素（chlorophyll）、无机的悬浮物（inorganic suspended matter）和有机的黄色物质（yellow substance或gelbstoff;水色遥感的直接目的是监测海水中浮游植物的叶绿素浓度、无机的悬浮物浓度和有机的黄色物质浓度。水色遥感的主要任务是估计海洋初级生产力和开展全球碳循环研究。海洋初级生产力的估计是通过水色传感器对浮游植物叶绿素的遥感完成的。叶绿素的遥感涉及到对海面的离水辐亮度和大气衰减的理解。海面的离水辐亮度与海水的水体类型、悬浮物、黄色物质和叶绿素浓度密切相关。光在大气中的衰减与水汽、气溶胶和臭氧浓度密切相关。SeaWiFS提供13种资料产品 叶绿素-a浓度（Chlorophyll-a concentration）（单位是mg/m3）在波长490 nm的漫衰减系数（Diffuse attenuation coefficient at 490 nm）（单位是m-1）悬浮物浓度（Suspended matter concentration）气溶胶指数（Aerosol index）在波长865 nm的气溶胶光学厚度（Aerosol optical thickness at 865 nm）云覆盖度（Cloud fraction）海面荧光（Ocean surface fluorescence）溶解的有机物碎屑的吸收系数（Dissolved detritus absorption coefficient）颗石藻份额（Coccolithophore fraction）毛状藻份额（Trichodesmium fraction）粒子后向散射系数（Particulate backscatter coefficient）光合有效辐射（Photo-synthetically active radiation）归一化差值陆地植被指数（Normalized difference land vegetation index）“海洋卫星一号”（HY-1）十波段的中国海洋水色和温度扫描仪COCTS。资料产品包括6个波段的离水辐亮度（412、443、490、510、555和670nm波段）、3个波段的气溶胶辐射（670、750和865nm波段）、叶绿素-a浓度分布、海表面温度分布、CZCS色素浓度、2个波段的（750和865nm波段）气溶胶辐射比、气溶胶光学厚度（865nm波段）、悬浮泥沙含量分布和漫衰减系数等共16种。初级生产力 描述在单位面积海面以下的水柱内浮游植物通过光合作用固定碳的净速率(碳元素的增长量)。初级生产力的单位是mgm-2d-1;全球海洋的初级生产力介于75 gC/m2/yr 和150 gC/m2/yr之间。渤海湾的初级生产力在春季是103 mgm-2d-1，夏季是277 mgm-2d-1，秋季是72 mgm-2d-1，冬季是70 mgm-2d-1。在一天之内，浮游植物的生物量可能增加几倍，而影响浮游植物的生物量的因素有很多。例如，先前的浮游植物的生物量、光强、可摄取的营养盐浓度、海水温度、水体混合强度、水平对流以及浮游动物摄食等。浮游植物将光能转变成化学能，将营养盐转变为自己的一部分，从而形成了初级生产力。这个过程需要阳光和叶绿素的作用。在海表面至接近水下100 m的表层内都可能具备光照和营养盐的条件。然而，大多数浮游植物总是生活在光照和营养盐二者都足够丰富的水层。所以，叶绿素浓度最大值的水层并不在海洋表层。在浑浊海水海域，它可能在3米深处；在清洁海水海域，它可能在10米或者更深的水层。利用卫星遥感叶绿素浓度的变化可以推算在单位时间内浮游植物中碳元素的增长量和初级生产力。目前通用的卫星反演海面初级生产力的模型是VGPM,在该模型中单位海面下水柱内浮游植物总量是由叶绿素表层浓度与真光层深度之积近似代替的，这种近似对于在近岸海域广泛存在的非均匀分布的叶绿素剖面不够准确。碳同化率的单位是mgmg-1h-1，其中第一个mg代表增长的浮游植物量，第二个mg指原有的浮游植物量，表示单位浮游植物（毫克）在单位时间（小时）内浮游植物中碳元素的增长量（毫克）。碳同化率描述单位浮游植物通过光合作用固定碳的净速率。世界平均碳同化率为3.7 mgmg-1h-1，碳同化率依赖于海水中的营养盐、海水温度和光照度。营养盐包括氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐和磷酸盐；优势浮游植物种类可能与海水中某些重金属含量相关；光照度与季节、时间、云覆盖以及海水浑浊度相关。上升流能够携带海底营养盐到光照充足的海洋表层，所以存在上升流的海域有高的初级生产力，对应着大渔场。海水富营养化可能引起某些种类浮游植物在短时间急剧生长，破坏浮游植物光合作用与营养盐浓度、光照条件、化学耗氧量（COD）以及溶解氧之间的平衡，使生物链失去平衡，造成生物污染。这种现象称为水华或赤潮卫星遥感为全球海洋初级生产力的估计提供了充足的资料。全球海洋初级生产力与全球碳循环有密切关系，全球碳循环与CO2引起的全球变暖有直接联系，全球变暖可能导致全球海平面上升。温室气体是导致全球变暖及气候变化异常的主要因素，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是除水蒸气以外最常见的温室气体。世界气象组织指出，自18世纪晚期以来，大气中的二氧化碳含量增加了36%。水体类型 如果浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用，则该水体被称为一类水体.如果无机悬浮物（如浅水区海底沉积物的再次悬浮物和河流带来的泥沙）或黄色物质（又称溶解的有色有机物）对水体的光学特性有不可忽视的明显作用，则该水体被称为二类水体.大多数开阔海域的海水接近于一类水体。二类水体位于与人类关系最密切、受人类活动影响最强烈的近岸、河口等海域。如果从二类水体的水色遥感资料能可靠地推算出悬浮泥沙、叶绿素和黄色物质含量，我们就能够对近海、河口环境进行实时、长周期、大范围的监测和研究。在水色遥感中经常使用的一类水体和二类水体与描述生物化学污染程度的水质等级是不同的概念。7.2.4 黄色物质 海水中的溶解有机物（DOM）包括颗粒状有机碳POC和溶解的有机碳 DOC;DOC在化学上是稳定的，它在海洋中的平均滞留时间为3400年。在溶解的有机碳（DOC）中包含大量未能鉴别出化学组份的复杂大分子有机物;有色溶解有机物（CDOM）是DOM中的主要成分，它能吸收蓝色的光而散射黄色的光，从而使水呈浅黄色，故被人们通俗地称为黄色物质.黄色物质在蓝色波段能强烈地吸收光能。实验发现，在0.350.70 m波段范围内，海水中黄色物质引起的吸收系数可表示如下式中kab(o)是在波长0处电磁波的吸收系数，常数s在0.0110.016之间。例如，有文献采用0=443 nm，s=0.012。黄色物质的粒径小于海水中悬浮泥沙和浮游植物的粒径，所以一般使用规定滤膜（一般滤膜网格选择在0.41.0 m之间）过滤海水，能够通过滤膜的海水被认为是只含有黄色物质的海水。因为黄色物质不便于取样称重，人们通常使用只含有黄色物质海水的吸收系数广义地代表它的浓度，其单位是m-1。黄色物质吸收系数 7.2.5 浮游植物色素 浮游植物中的色素吸收光子，而浮游植物本身又散射光子，这两个过程改变了水色扫描仪所观察的海洋的颜色。在沿岸带水色扫描仪（CZCS）的产品中，叶绿素-a浓度和褐色素浓度之和被称为海水中的色素浓度并用C表示。褐色素是叶绿素-a的降解产品，这些降解产品是由叶绿素-a酸化作用产生的。褐色素与叶绿素-a在蓝色波段有类似的吸收特征，所以利用波段较少的水色扫描仪不可能把这些色素分开。现在大多数生物海洋学家认为，在大多数的海洋表层，褐色素最多只占色素浓度的38。除了叶绿素-a与褐色素外，海洋中有许多促进光合作用和抑光的色素，这些色素和叶绿素-a之和可能超过了色素生物量的95%。它们代表不同地点不同季节的浮游植物的集合。主要的浮游植物色素有：1)叶绿素-a、b和c；2)光合的类胡萝卜素（PSC）；3)抑光的类胡萝卜素（PPC）。次要的浮游植物色素有：1）藻胆素2)藻红色素 3)藻青色素海上调查表明，总色素和叶绿素-a的比值为1.8762.876，平均值为2.164。类胡萝卜素成分的相对含量（如PSC和PPC）随生物地理区域的不同而不同，随测量航次的不同而不同。其它的色素对海洋中的光吸收不重要。藻青菌在上升流区域经常出现，只有当该菌藻华(浮游植物的大量繁殖)的时候这种次要的色素才变得重要。同一传感器获得的资料可以依据不同算法生成多种不同的色素产品。例如，CZCS色素浓度指叶绿素-a和褐色素的浓度（Ca+Cp）；SeaWiFS色素浓度指叶绿素-a、b和c的浓度。测量叶绿素浓度有三种基本方法：高性能液相色谱仪测量法、分光光度计测量法和荧光法。高性能液相色谱仪可根据样品的光谱特征测定50余种海水色素的浓度。使用分光光度计能够根据浮游植物的丙酮萃取液在某些波段衰减系数的测量来确定叶绿素-a的浓度。使用带积分球的高级紫外可见光分光光度计还能够测定样品吸收和散射系数的光谱，依据光谱分布特征可推测叶绿素-a和b、黄色物质和悬浮泥沙等海洋水色三要素的浓度。因为叶绿素-a受到蓝光（450/470 nm）激发能产生红色（685/695 nm）荧光，利用这个性质可使用荧光测量海水中的叶绿素-a的浓度。一种是萃取法荧光计 ,一种是活性法荧光计;萃取荧光法，首先取水样，并使用微孔滤膜将水样过滤；然后，将过滤出的浮游植物放进90%丙酮溶液在低温环境下萃取叶绿素；最后将萃取叶绿素的丙酮溶液放到荧光光度计内测量。活性荧光法，可以将荧光光度计探头投入海水内直接测量。为区别两种不同方法测量获得的叶绿素-a，将二者分别称为萃取叶绿素-a的浓度和活性叶绿素-a的浓度。萃取荧光法符合目前我国规范，活性荧光法还未被规范接受。但是它的测量过程简单、快速，而且能测量垂直剖面的叶绿素-a的浓度分布，所以它开始被越来越多的调查者青睐。实验证实，在泥沙浓度不太高的条件下活性叶绿素-a浓度与萃取叶绿素-a浓度之间具有良好的线性关系。活性荧光法可以避免某些误差，例如萃取荧光法在海水采样中因浮游植物分布的不均匀性产生的随机采样误差，和在复杂操作步骤中因不严格遵守规范产生的人为误差。然而，在太阳光很强的时候，在海洋近表层采用活性荧光法测量叶绿素浓度可能伴随由于荧光熄灭带来的测量误差以ppb（parts per billion）为单位的活性叶绿素-a的浓度图示的A和B类型在渤海海域全部测量站点所占的比例达到86，其中类型占58%类型占28%，它们是渤海海域中的叶绿素垂直分布的主要类型。ppb与我们平常规范的g/L单位不同。需要将活体叶绿素的测量数据与传统规范的测量方法（例如萃取荧光法）获得的数据进行比较，完成从ppb到mg/m3的单位转换，这种方法是“现场标定法”。“现场标定法”的优点是考虑了海水浑浊度对转化公式的影响。第二种方法是“实验室标定法”，即采用市场销售的叶绿素-a的晶体配置设定浓度的溶液，通过荧光计探头的测量数据与设定浓度的比较，完成从ppb到mg/m3的单位转换。缺点是获得的转换公式不一定适用于浑浊海域。在浊度较大的渤海莱州湾，现场测量数据表明，AAQ1183荧光探头测量的“活性叶绿素-a浓度”不但与叶绿素-a浓度有关，而且与海水浊度相关。海水中的悬浮物阻挡了荧光探头接收浮游植物在荧光波段辐射的光能，所以依据“实验室标定法”的荧光计测量的叶绿素-a浓度可能普遍偏小。一般地，海水浊度越大，偏差越大。美国Wetlab公司生产的荧光计已经在出厂之前完成实验室标定和单位转换，但是由于电子仪器的老化，经过一段时间以后还需要重新“标定”。不同叶绿素浓度对应的吸收系数 叶绿素a对蓝光吸收强烈，在440nm附近存在吸收峰，对黄绿光（550575nm）吸收较弱。随着水体中叶绿素a浓度的增加，将引起蓝光波段辐射量的减小和绿光波段及红光波段辐射量的增加。当海面叶绿素浓度增加，685nm荧光峰高度增加赤潮发生或高浓度叶绿素时，由于浮游植物大量繁殖，使海水逐渐变色，在蓝绿波段在由强烈地吸收，在红色和近红外波段有强烈地散射 叶绿素的后向散射曲线 550 nm为叶绿素的后向散射峰 在水色遥感中，大气校正模式和水色反演模式是必须建立的两个基本模式。水色反演模式的作用是，通过对太阳光离水辐亮度的测量和标准化的换算，达到对海水内部主要粒子浓度的估计。大气校正模式的作用是，通过卫星装载的水色扫描仪的测量，剔除大气因素的影响。7.3 大气校正（大气校正（Atmospheric Correction）7.3.1 大气透射率（大气透射率（Atmospheric Transmittance）7.3.2 离水辐射的贡献（离水辐射的贡献（Contribution from Water-Leaving Radiation）7.3.3 MODIS和和SeaWiFS的大气校正（的大气校正（Atmospheric Correction of MODIS&SeaWiFS）1 1).).水色卫星遥感的大气校正方程水色卫星遥感的大气校正方程 式中Li()代表卫星探测的辐亮度(radiance)，脚标i 代表传感器第i 个通道；LR()代表大气分子瑞利散射的辐亮度，LA()代表气溶胶散射的辐亮度，Lr()代表海面的镜面反射,也称为太阳耀斑,选择合适的观测角可以避免太阳耀斑。t(,)是大气的漫透射率，T(,)是大气的直接透射率,是卫星天顶角,Lw()是离水辐亮度.离水辐亮度描述进入海水后被散射向上而离出水面的太阳辐射，不是海水自发辐射，与海水发射率无关。在可见光和近红外波段，海水的自发辐射可以忽略。辐射计探测的辐亮度辐射计探测的辐亮度辐射计探测的辐亮度辐射计探测的辐亮度:第一部分是达到第一部分是达到第一部分是达到第一部分是达到卫卫星星星星辐辐射射射射计计的海表面的海表面的海表面的海表面发发射的射的射的射的辐辐亮度亮度亮度亮度t et et et eS S S S()L()L()L()LS S S S（,T,T,T,T）；）；）；）；第二部分是第二部分是第二部分是第二部分是卫卫星星星星辐辐射射射射计计探探探探测测到的大气自到的大气自到的大气自到的大气自发辐发辐射的射的射的射的辐辐亮度；亮度；亮度；亮度；第三部分是第三部分是第三部分是第三部分是卫卫星星星星辐辐射射射射计计探探探探测测到的大气向下到的大气向下到的大气向下到的大气向下发发射的、达到海表面后又射的、达到海表面后又射的、达到海表面后又射的、达到海表面后又经经海表面反海表面反海表面反海表面反射的射的射的射的辐辐亮度。亮度。亮度。亮度。有边界存在时的辐射传输 表7-2离水辐射（t Lw）、大气散射（Lp）和表面反射（T Lr）对卫星传感器接收到的可见光波段信号的贡献 可见光波段传感器接收的信号Li()，主要是由大气散射Lp()贡献的。包含着海洋信息的离水辐亮度的贡献t Lw在卫星接收到的信号中占的份额不到20%；海面对阳光的直接反射T Lr在没有出现太阳耀斑的情况下，在卫星接收到的信号中占的份额不到2%。因此，大气校正对于水色遥感特别重要；水色扫描仪对“信噪比”的技术要求也应更高。离水辐射在卫星传感器接收辐射中的贡献离水辐射在卫星传感器接收辐射中的贡献大气漫透射率 式中A是气溶胶对太阳辐射的单次散射反照率,R是空气分子对太阳辐射的单次散射反照率，单次散射反照率代表散射系数与衰减系数之比。fA代表气溶胶前向散射的概率,fR代表空气分子前向散射的概率。对于非吸收气体，RA1。前向散射的概率f可以通过它与体积散射相函数P（,）之间的关系来计算.对于60的漫透射光，fR0.5，R1，fRR0.5，1-AfA1。Andr和Morel（1989）指出，fA0.9，A1，1-AfA0.1。应该指出，在上述文献中作者对气溶胶前向散射的概率fA的估计只是非常粗糙的近似，不能轻易认定。因为1-AfA1，故有人认为可以忽略气溶胶散射对大气漫透射率的影响。实际上，尽管1-AfA1，但是在可见光和近红外波段气溶胶的光学厚度比大气层内空气分子的光学厚度大很多，所以不能轻易忽略气溶胶散射对大气漫透射率的影响。单次散射会使辐射损失，而多次散射的累积作用又使辐射增强。考虑以上两种作用，大气漫透射率可表达为式中A表示多次气溶胶散射的累积作用。多次散射效果多次散射效果直接透射率因为镜面反射的光比较强，这种情况下反射光在大气层传播过程中散射作用就可以忽略。7.3.3 MODIS和SeaWiFS的大气校正 式中LRA()是大气层空气分子和气溶胶粒子多次散射的辐亮度，LWC()是海浪破碎生成白冠引起的辐亮度。如果获得的数据中Lr()的值很大，说明太阳耀斑（suns glitter）不可忽略，该数据应舍弃。MODIS反射率的定义 散射光的辐照度与入射光的辐照度之比 E0()代表达到大气层顶的太阳辐照度，s是太阳天顶角，分母代表大气层顶处在当地方向向下的太阳辐照度。在假设大气是光学上各向同性介质的前提下，辐亮度L与的乘积代表辐照度.标准化处理:获得的各项与入射光的强度无关，只与当时当地的海洋（由内部各种粒子的成分和浓度决定）的光学性质和大气（由漫透射率t决定）的光学性质有关。这样，在不同时间和不同太阳天顶角条件下观测到的数据可以在同一个标准下相互比较。通常可通过调整传感器的观测角度避免太阳直射反射率r，在海面风浪不很大的情况下可忽略海面白冠散射的反射率WC，在气溶胶光学厚度不很大的情况下可忽略大气分子与气溶胶之间多次散射的反射率RA 如果只考虑气溶胶的单次散射，气溶胶散射的反射率A等于 PA（,s）是气溶胶散射的相函数，s是太阳天顶角，是卫星观测角，A（）单次散射反照率.式中i 和j 代表任意波段的波长。只要知道近红外两个波段的气溶胶反射率，就可以求出气溶胶分布的埃斯特朗指数。如果知道气溶胶散射在红外波段的反射率A（=0），就可以通过公式计算出气溶胶散射在任何波段的反射率A（）（NASA）针对MODIS 光谱波段制作了适合各类气溶胶粒子分布模式的查找表，用于反演气溶胶光学厚度。MODIS 气溶胶光学厚度反演产品参数包括气溶胶光学厚度和Angstrom指数。一类水体的基本大气校正算法 SeaWiFS传感器使用两个近红外波段（以65nm和865nm为中心、带宽20nm）进行大气校正，MODIS传感器使用两个近红外波段（743753 nm和862877 nm）进行大气校正。在这近红外两个波段，一类水体海面的离水反射率W（0）很小可以忽略 R如果只考虑单次散射，大气层空气分子瑞利散射的反射率R可以表示为类似A的形式。R依赖于空气分子的单次散射反照率R（）、空气分子的光学厚度、空气分子瑞利散射的相函数PR（,s）、太阳天顶角s和卫星观测角。有专门公式提供了大气层空气分子瑞利散射的散射系数、衰减系数和相函数PR（,s）的计算方法。关于分子瑞利散射的反射率R（）的计算，目前主要有两种方法，即单次散射近似计算方法和数值求解精确的矢量辐射传输方程ERTE的方法.单次散射近似计算方法比较简单，缺点是误差大。针对SeaWiFS和MODIS等传感器，可利用查找表实现瑞利散射的精确计算.7.4 7.4.1 离水辐亮度7.4.2 遥感反射率目的：目的：1、深刻理解含义；、深刻理解含义；2、用于海洋调查、用于海洋调查利用离水辐亮度生物光学算法可以量化叶绿素浓度和其它成分的浓度。海面对可见光和近红外波段的电磁波近似地是一个朗伯表面,离水辐亮度Lw(,)与卫星天顶角无关。离水辐亮度与海面下的向上辐亮度的关系离水辐亮度与海面下的向上辐亮度的关系 n 是海-气界面复折射率的实部，也称为折射率,在可见光和近红外波段，n1.33。(n)2 表明光波由海水到大气传播时光束立体角的变化能够带来辐亮度的变化。当光波从海水向空气传播时，光强减弱；当光波从空气向海水传播时，光强增强。游泳时人的身体容易被晒黑的原因。ti水-气界面透射率：与菲涅耳反射率的关系是 式中是在太阳光垂直入射条件下水-气界面的菲涅耳反射率。在可见光和近红外波段，0.02,ti=1-0.98。建立离水辐亮度与海面上下行辐照度的关系离水辐亮度与海面上下行辐照度的关系1、海面下上行辐照度与辐亮度的关系式中Q因子描述了海水的自然光场的角分布。2、海面下上行和下行辐照度的关系海面下的次表层漫反射率R也称为辐照度反射率3、海面下的向下辐照度d（，0）与海面上的向下辐照度d（,0+）的关系是 r是海-气界面下的辐照度反射率,描述界面对来自海洋内部的上行电磁波的反射率。是水表面的反照率,描述界面对来自空气的下行电磁波的反射率，它与波长和太阳天顶角S的余弦略有关系。反照率约等于0.06，这个值是对所有角度的海面菲涅耳反射率取平均获得的。该方程的左侧代表卫星遥感经大气校正能够测量的物理量，称为遥感反射率；右侧通过次表层漫反射率R与叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质浓度等水色三要素相关。海面入射辐照度：太阳光在海面的向下辐照度海面入射辐照度：太阳光在海面的向下辐照度Es()或或d（,0+）式中式中Fs（）大气层外入射的太阳辐照度）大气层外入射的太阳辐照度,s是太阳天顶角。是太阳天顶角。7.4.2 遥感反射率 使用遥感反射率Rrs()表示太阳光离水辐亮度的标准化形式。遥感反射率Rrs()的单位是sr-1，（）代表平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度，Lwn()代表归一化离水辐亮度。遥感反射率Rrs()与入射光达到海面的辐照度无关。第一条曲线代表根据普朗克黑体辐射定律计算的具有6000K表面温度的黑体在平均日地距离处的辐照度E（）随波长的分布。第二条曲线代表测量的平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度随波长的分布(曲线包含的小扰动是太阳表面的气体吸收和辐射引起的)。第三条曲线代表现场测量的在海面上的下行辐照度d（，0+）。第三条曲线比第二条曲线代表的能量明显降低，这是由大气吸收和散射引起的。遥感反射率与海面下的次表层漫反射率R密切相关；R与当时当地的海洋内部各种粒子的成分和浓度有关。公式是水色反演模式的物理根据。建立由遥感反射率到海水色素浓度的反演模式。遥感反射率的测量在海洋调查中，Rrs()不容易直接测得总遥感反射率：式中Ldif（）是天空漫射光的辐亮度，r Ldif（）是经水面反射的天空漫射辐亮度，r是海-气界面对天空漫散射的菲涅耳反射率式中dif（）是天空漫射光的遥感反射率，它代表天空漫射辐亮度与太阳下行辐照度之比。使用光谱仪通过标准反射板能够间接测量总遥感反射率使用光谱仪通过标准反射板能够间接测量总遥感反射率Trs()、天空、天空光的漫反射率光的漫反射率dif（）。获得遥感反射率）。获得遥感反射率Rrs()ISI921VF-256的地物光谱仪，从右至左分别是标准反射板、主机、探头。仪器的光谱分辨率为2.7 nm，光谱范围为3801050 nm，共256个波段，用于户外地面和水面目标的高光谱辐射测量。它的直接探测目标是地面物体而非太阳.地物光谱仪利用太阳辐射作为光源，可测量海水后向散射的上行辐亮度；通过标准参考板可间接测量太阳直射辐照度Ed（，0+），还可间接测量天空漫射辐照度Edif（）。避免：太阳直射反避免：太阳直射反射的辐亮度及海浪射的辐亮度及海浪破碎形成白冠而反破碎形成白冠而反射的辐亮度。测量射的辐亮度。测量应选在风速不太大，应选在风速不太大，且无波浪破碎时进且无波浪破碎时进行。如果选取适当行。如果选取适当的方位角和观测角，的方位角和观测角，就可以避开绝大部就可以避开绝大部分的太阳直射反射。分的太阳直射反射。海面入射辐照度测量太阳光在海面上的入射太阳光在海面上的入射辐亮度是通过测量标准辐亮度是通过测量标准参考板的辐射而间接测参考板的辐射而间接测量的。标准参考板为一量的。标准参考板为一接近理想的各向同性的接近理想的各向同性的朗伯反射板，其方向朗伯反射板，其方向半球反射比只是波长的半球反射比只是波长的函数。选择好测量位置，函数。选择好测量位置，使标准参考板不受船体使标准参考板不受船体任何部分、观测者、辐任何部分、观测者、辐射计的阴影和反射的影射计的阴影和反射的影响，将参考板水平放置。响，将参考板水平放置。在测量时将传感器光学在测量时将传感器光学探头的中心视场垂直于探头的中心视场垂直于参考板中心。参考板中心。天空漫射光的辐亮度的测量通过测量标准参考板的辐射而间接测量，标准参考板的摆放位置和传感器的测量姿势与测量太阳光在海面上的入射辐亮度时相同。用一尺寸适当的黑板挡住太阳的直射，使得到达标准参考板的辐射只是天空漫散射光的辐射。海海-气界面对天空漫散射的菲涅耳反射率气界面对天空漫散射的菲涅耳反射率是表观光学特性，影响因素很多，约为0.028；在近红外波段存在Lw为0的波段，可以通过对Lu(，0+)的直接测量和Ldif（）的间接测量，获得对海面菲涅耳反射率r的估计。注意：被海面反射的天空漫散射光经过大气层达到卫星已经衰减变得很小，所以在卫星的大气传输方程中卫星的大气传输方程中一般不考虑。一般不考虑。影响离水辐亮度的主要因素包括：a、海水的吸收和散射；b、叶绿素的吸收和散射；c、悬浮泥沙的散射；d、黄色物质的吸收。7.5 海洋水色要素的生物光学算法 海水吸收系数 海水后向散射 吸收系数随波长减小而降低，后向散射系数随波长减小而增加，因此纯海水呈现出特征的蓝色。悬浮泥沙散射 悬浮泥沙的特征信号是宽光谱范围内的强后向散射 悬浮泥沙的散射特性是可变的，与波长的相关性也是可变的。随叶绿素浓度的增加，悬浮泥沙后向散射增加。水色卫星遥感的大气校正方程水色卫星遥感的大气校正方程 Rrs()不容易直接测得总遥感反射率：7.5 海洋水色要素的生物光学算法 根据Gordon和Morel（1983）的研究，海面下的次表层漫反射率R与海水的固有光学性质有关 7.5.1 分析算法 式中fi是第i个组份浓度Ci的函数，它一般是非线性的。因为一般不知道的值，或知道很少 Ci不是表层海水各个组份的浓度，应是在垂直剖面内各层悬浮粒子共同形成的“现场浓度”。现场浓度需根据漫衰减系数进行加权.对于浮游植物，“现场浓度”表达式是 式中ka 代表漫衰减系数 7.5.2 波段比值模型的分析基础 式中G代表向下辐射光场的影响，b()是后向散射系数，a()是吸收系数。式中g是常数，它包含海-气界面的影响、向下辐射光场的影响和光场的Q因子等三项的比值。根据调查数据，可获得g的估计值；为了讨论水体组份的影响，常常忽略g的变化，认为g等于1。式中aw是海水的吸收系数，bw是海水的后向散射系数；P是无机悬浮物浓度，bp是后向散射系数，G是DOM的浓度，ag是此类物质的吸收系数；C是叶绿素生物量的浓度，ah是此类物质的吸收系数。Ca、Cb、Cc、aa、ab、ac 分别是叶绿素-a、b和c的浓度和吸收系数，Cps、Cpp、a ps和app 分别是光合作用和抑光作用类胡萝卜素的浓度和吸收系数 定义 代表海水的固有光学性质 式中Aj=ah(j)/aw(j)，B j=ag(j)/aw(j)，D j=bp(j)/bw(j)。当粒子浓度P和溶解有机物和类溶解有机物的浓度G可以忽略时 基于蓝绿比值的CZCS经验算法 CZCS色素浓度经验算法 海水漫衰减系数的经验算法 基于蓝绿比值的SeaWiFS经验算法 蓝绿比值法最初是用来处理和解释CZCS图像的。实践证明，此方法对第类水体来说很有用。蓝绿比值法建立的基础是对归一化离水辐亮度的高精度海上现场测量和色素浓度的同步测量。表表7-3显示了依据NET（Nimbus Experiment Team）数据获得的对公式系数A1和A2的估计 CZCS色素（叶绿素-a和褐色素）浓度可表示成 我国我国“海洋一号海洋一号”A（HY-1A）卫星装载的中国海洋水色和温度扫描仪）卫星装载的中国海洋水色和温度扫描仪（COCTS）和美国海星（）和美国海星（SeaStar）卫星装载的宽视场海洋观测传感器）卫星装载的宽视场海洋观测传感器（SeaWiFS）遥感资料制作的中国海和临近海域叶绿素）遥感资料制作的中国海和临近海域叶绿素-a浓度分布的数据融合图。浓度分布的数据融合图。基于蓝绿比值的MODIS经验算法 式中Lwn()是归一化离水辐亮度，波段9、10、11和12的波长分别是443nm、490nm、531nm 和550nm，A、B、C、D和E是回归系数，常数e、f和g是0或1，它们用来对不同产品选择波段。表表7-5列出了上述系数，这种算法用于计算在第一类水体条件下的如下产品：CZCS色素（叶绿素-a和褐色素）浓度、SeaWiFS色素（叶绿素生物量）浓度、叶绿素-a浓度和漫衰减系数ka(=490nm)。目前国外针对MODIS、SeaWiFS、MERIS、OCTS、CZCS等水色传感器和两类水体海域提出了14个以蓝绿比值法为基础的反演海表面叶绿素浓度的算法模式.渤海的现场调查数据表明，在浮游植物垂直分布不均匀的海域，上述算法与实际测量数据之间存在很大误差。7.6 二类水体水色反算法代数法代数法 使用代数式描述海洋光谱特征与水中物质组份浓度之间的定量关系。首先，依据测量光谱数据来建立海洋水色模型（又称“半分析模式”）；然后，对该模式进行简化，通过一些近似关系，减少未知量的个数或者未知量间的相互依赖关系；最后得到一组代数方程，通过求解该方程组，获得各未知量的解。代数法的优点是将水色因子的已知光学特性与理论模式耦合起来，对特定的二类水域的运算结果较精确，但反演的物质浓度个数有限。非线性最优化法非线性最优化法 非线性最优化法先确定一个海洋水色模式，通过反演参数的浓度（即叶绿素、悬浮无机物、黄色物质等的浓度），获得多个与之对应的辐亮度的模式计算值，使得模式所得的辐亮度计算值与实际的辐亮度测量值之间的误差最小。应用非线性最优化方法需注意两个方面：首先，设置预测模型的参数时要保证将要反演的未知参量之间的相关性尽可能小，因为在反演的未知量之间总是具有一定的相关。其次，初始条件的设定也很重要。如果可能，应该为每一个需要反演的未知量设定各自的上限和下限，从而保证得到确切的最小值（为防止出现许多最小值，即方程出现多个解）。主成分分析法主成分分析法 传统方法是使用大气校正方程，而综合解译方法是将测量到的大气顶部的光谱辐射数据作为反演的初值，得到大气顶部的光谱辐亮度和水中某组份浓度之间的分段线性关系图。该方法不但可以获得大气的光谱性质，还可以定量反演水体中三种主要组份（叶绿素-a、有机的黄色物质和无机的悬浮物）的浓度。该算法使用了多变量线性回归分析，并且引出了光学权重系数的概念。因为不同波段的光谱数据特征具有很大的相关性，所以为减少这种相关性，我们采用主成分分析法.给出水体组份和大气光谱性质。主成分分析法的主要优点是：第一、线性算法，简单、稳定、运算快捷；第二、大气影响自动体现在加权因子中，不必进行大气校正；第三、可用区域光学模式确定加权因子，进行优化。人工神经网络方法人工神经网络方法 人工神经网络方法起源于对人脑功能的模拟。其主要特点有（1）高度并行性（2）高度的非线性全局作用（3）良好的容错性能与联想记忆功能（4）十分强的自适用和自学习功能。人工神经网络是在人类对其大脑神经网络认识理解的基础上人工构造的能够实现某种功能的神经网络。类似于生物神经系统单元，它由许多并行运算的简单单元组成。运用神经网络模型可实现函数逼近、数据聚类、模式分类和优化等计算功能。目前，代数法、非线性最优化法、主成分分析法和人工神经网络方法等所有这些算法还不健全。二类水体光学特性非常复杂，不同水域所适用的算法会有所差别，应仔细研究各海区的异同，发展具有针对性的算法模式。7.6.3 二类水体海洋水色要素的经验算法 表层叶绿素-a浓度C（mg/m3）的经验模型 表层总悬浮物浓度 当总悬浮物浓度S3 mg/L时，在黄、红波段的遥感反射率Rrs（555）和Rrs（670）相关程度较高。所以，另一个反演海表层总悬浮物浓度S（mg/L）的经验模型黄色物质 漫衰减系数 7.6.5 赤潮 赤潮（Red Tide）是在特定的环境条件下，海水中藻类（以及某些原生动物或细菌）的迅速繁殖和聚集而引起水体变色的一种有害生态现象，也称为“水华”和“藻花”。赤潮的颜色依赖于浮游生物的种类和繁殖程度。目前，赤潮已成为一种世界性的公害，赤潮是一种复杂的生态异常现象，它的产生机理至今尚无定论。大多数学者认为，海水富营养化是赤潮发生的物质基础，海洋水文气象和海水化学条件也是赤潮发生的重要诱因。赤潮灾害的发生范围已遍及我国沿海各省。其中，渤海的辽东湾、东海的长江口和杭州湾外侧海域、南海的珠江口东侧以及粤东近岸是我国三大赤潮多发区。近二十年来，赤潮灾害的发现次数呈现上升趋势南海的赤潮高发期为3月5月，东海的赤潮高发期为4月8月，渤海和黄海的赤潮高发期为5月9月。我国海域的赤潮灾害类型可分为河口型、海湾型、养殖型、沿岸流型、上升流型和外海型等六类。其中，河口型赤潮的发现次数占总数的30%，海湾型赤潮的发现次数占29%，养殖型赤潮的发现次数占27%，沿岸流型和上升流型各占6%，外海型赤潮最少，只占2%。河口型赤潮主要发生在长江口、珠江口和辽河口等处，海湾型赤潮主要发生在大连湾、深圳湾等海域，养殖型赤潮主要发生在虾池养殖区和浅海养殖区，沿岸流型赤潮发生在辽东半岛南端、秦皇岛沿岸等地，上升流型赤潮则发生在浙江近海，外海型赤潮发生在南黄海中部。赤潮水域海面的遥感反射率光谱呈现异常。使用多通道水色扫描仪的探测数据，通过假彩色技术可以监测到赤潮。2003年6月15日我国HY-1卫星在渤海辽东湾监测到的赤潮图片（国家卫星海洋应用中心提供）赤潮海域的藻类（例如叉角藻）对超过700nm波长的近红外光具有非常强烈的散射作用，根据这个特性，可采用植被指数技术识别和监测该类赤潮。通过对NOAA-14的AVHRR数据和渤海现场实测资料的统计分析，获得了一个监测“叉角藻”生物细胞数的经验模型（赵冬至 2003P是“叉角藻”生物细胞数,NDVI是标准化差值植被指数 式中NIR代表近红外通道探测的遥感反射率，Red代表红光通道探测的遥感反射率。植被指数NDVI可用于表达植被反射在700nm波长处的突然增加。