海洋遥感探测技术与应用中的大气校正算法及挑战

卫星水色遥感器对海观测信号中的约90%来自于大气光散射的贡献，大气校正就是将水色传感器接收总信号中的大气散射贡献剔除，从而获取离水辐射信息的过程。

卫星传感器接收到的总信号ρt可表达为下式：

式中，ρr为大气分子的（瑞利）散射贡献，ρa为大气中气溶胶的散射贡献，包括气溶胶与大气分子的相互作用，ρg为海面耀斑的辐射贡献，ρwc为海面白冠的辐射贡献，T和t分别为直射透射率和漫射透射率，ρw为离水辐射信息，包含了海洋中叶绿素、黄色物质、悬浮物等信息。白冠贡献可通过风速资料辅助进行计算，耀斑是水面对太阳直射光镜面反射引起的，耀斑区的数据通常不采用。在忽略白冠和耀斑影响的前提下，总反射率ρt可表示为：

从式（5.29）可以看出，想要得到真正反映水体信息的离水辐射信号ρw，瑞利散射校正和气溶胶散射校正是大气校正的两个主要步骤。

1.瑞利散射校正

瑞利散射计算方法主要包括大气辐射传输方程数值求解方法和单次散射近似算法。

辐射传输方程数值求解计算精度高，但计算复杂，目前有多种辐射传输方程的计算方法，如离散坐标法（DISORT）、倍加法（Adding-Doubling）、逐次散射法和Monte Carlo模拟等。

单次散射近似算法计算相对简单，但是精度有限。根据Gordon单次散射推导，瑞利散射辐亮度满足：

其中，分子散射相函数为：

式中，θ和φ是卫星传感器天顶角和方位角，θ0和φ0分别为太阳天顶角和方位角，α为两个向量之间的夹角。

在非吸收波段ω0=1。

τr为大气分子散射光学厚度：

式中，F0为平均日地距离处的大气层外太阳辐照度，D为儒略日。ρ为水气界面反射率。

2.气溶胶散射校正

由于大气分子的散射贡献可精确计算，因此大气校正的关键问题是如何实现气溶胶辐射贡献的准确剔除。对于清洁大洋水体，目前已有较为成熟的大气校正算法，如业务化应用的近红外波段（NIR）暗像元大气校正方法，现已集成到相应的水色卫星数据处理软件SeaDAS中。

NIR暗像元大气校正方法，假设近红外波段的离水辐射为零，从而估算得到近红外波段的气溶胶辐射贡献，然后选择与研究区最为接近的气溶胶模型，计算得到其他波段的气溶胶散射贡献，最终实现气溶胶散射贡献的剔除。

（1）NIR暗像元气溶胶散射校正算法流程

在忽略白冠和耀斑影响的前提下，卫星观测的总反射率剔除大气分子瑞利散射贡献后为：

(www.xing528.com)

假设清洁水体NIR波段离水辐射近似为零（即“暗像元”），则

将ρa代入预先设定的多个气溶胶模型中，计算近红外波段λ1和λ2处的单次散射反射率ρas及其比值：

式中，K为气溶胶多次散射和单次散射的比例系数。

取各气溶胶模型ε（λ2，λ1）的均值，基于迭代方法不断剔除与均值相差较大的气溶胶模型，最终遴选出与均值最为接近的两个气溶胶模型，并认为真实的气溶胶模型介于这两个预先设定的气溶胶模型之间。

利用上述遴选出的两个气溶胶模型，分别计算其他水色波段λi处的单次散射率比值：

由两个气溶胶模型的计算结果，根据某一比例进行插值得到该波段处实际的ε（λi，λ1），进而计算出各波段的气溶胶反射率ρa，完成大气校正过程。

NIR暗像元气溶胶散射校正算法流程如图5.9所示。

图5.9　NIR暗像元气溶胶散射校正算法流程

（2）NIR大气校正算法中的气溶胶模型

大气校正中采用的气溶胶模型是根据气溶胶粒径分布、复折射率等特征得到的。SeaDAS软件早期采用的气溶胶模型是由Gordon和Wang发展的，包括了12种气溶胶模型，考虑了湿度影响，是在Shettle和Fenn发展的气溶胶分类（oceanic、maritime、coastal、tropospheric）基础上基于LOWTRAN辐射传输模型得到的，见表5.11。

表5.11　SeaDAS软件早期采用的12种气溶胶模型

续表

2009年，SeaDAS采用了新的气溶胶模型集，共包括80个气溶胶模型，见表5.12。在考虑湿度影响的同时，还对于粗模态和细模态的气溶胶进行了考虑。

表5.12　2009年后SeaDAS采用的新气溶胶模型集

（注：RH表示相对湿度，F表示细模态比例）

对于受陆源物质影响显著的近海浑浊水体，由于其近红外波段的离水辐射不为零，而且气溶胶光学性质复杂多变且吸收性明显，NIR大气校正算法并不适用。近海浑浊水体的大气校正成为水色遥感的热点和难点。目前已发展了短波红外暗像元法、生物-光学模型迭代方法、神经网络方法等。此外，鉴于近岸气溶胶复杂多变，且具有较强的吸收性，已有的气溶胶模型不能很好地予以描述，需要基于实测数据建立有针对性的气溶胶模型。