海洋遥感探测技术应用：海洋光学参量解析

水体光学性质可分为两类：固有光学特性（IOPs）和表观光学特性（AOPs）。IOPs只依赖于介质的特性，与介质周围的光场环境无关，包括吸收系数（a）、后向散射系数（b b）和体散射函数（β）等；AOPs既依赖于介质本身也依赖于周围光场环境特性，包括遥感反射率（R rs）和漫衰减系数（K d）等。

海洋光学遥感反演的光学参数主要包括吸收系数a、后向散射系数b b和漫衰减系数K d。

1.固有光学参数反演方法

半分析方法是反演固有光学参数的主要方法，可分为以下两类（Lee等，2014）：

自下而上方法（BUS），首先模拟海水主要组分的吸收和后向散射光谱，进而得到遥感反射率的模拟值，将模拟值与观测的遥感反射率真实值进行比较，利用优化法进行数值求解。该类方法的代表性算法为GSM（Garver-Siegel-Maritorena）（Maritorena等，2002）。

自上而下方法（TDS），采用循序渐进的方法，首先获取海水的总吸收和总后向散射，然后将总吸收进一步分解为海水主要组分的吸收。该方法的代表性算法为QAA（Quasianalytical Algorithm）（Lee等，2002）。

二者相比，BUS需要更精确的IOPs光谱模型，而TDS更加依赖于Rrs的可靠性。下面简要介绍GSM和QAA算法。

(1)GSM

GSM半分析模型是Maritorena（2002）在Garver和Siegel（1997）模型基础上发展得到的，可反演叶绿素a浓度、443nm黄色物质和碎屑颗粒物（CDM）吸收系数、颗粒物后向散射系数。

GSM模型的基础是Gordon等（1988）建立的遥感反射率（（λ））与吸收、后向散射系数之间的关系，具体如下：

式中，t为海-气交界的透过率，nw为海水的折射率；g1、g2为几何因子，与波长无关，通常的取值分别为0.0949和0.0794（Gordon等，1988）。吸收系数a（λ）分为海水吸收aw（λ）、浮游植物吸收a ph（λ）以及CDM（碎屑颗粒物和溶解有机物）的吸收a cdm（λ）。后向散射系数bb（λ）由海水b bw（λ）和悬浮颗粒b bp（λ）后向散射两部分组成。而纯海水的吸收和后向散射被认为是常量，对于非水吸收和后向散射的计算公式如下：

式中，（λ）是单位叶绿素a浓度的浮游植物色素吸收系数，S是CDM吸收系数的光谱斜率，η是颗粒后向散射系数的幂指数，λ0是参考波长（443nm），η、S和（λ）均为常量（Maritorena等，2002），见表5.13。通过非线性最小二乘法，可得到叶绿素a浓度Chl、a cdm（443）和b bp（443）。

表5.13　GSM算法的有关参数取值

(2)QAA(Quasi-Analytical Algorithm)

QAA是Lee等（2002）发展的固有光学量反演半分析方法。该方法的第一步是由遥感反射率R rs（λ）反演总吸收系数a和颗粒物后向散射系数b bp，第二步是将总吸收系数分解为浮游植物色素吸收系数a ph以及黄色物质和碎屑的吸收系数a cdm。与GSM算法不同，QAA算法在反演总吸收系数时，并不事先假设a ph和a cdm服从某种特定的模型，而是在反演得到总吸收系数之后，利用a ph和a cdm的吸收光谱特征进一步将其分解为a ph和a cdm，算法的两部分之间相互独立。

1）总吸收和后向散射系数反演

首先，计算参考波长λ0（555或640nm）处的总吸收系数a（λ0），如下：

式中，aw（λ0）为水分子的吸收系数（Pope＆Fry，1997），而Δa（λ0）表示溶解有机物和悬浮物的贡献。对于波长大于550 nm的波段，a（λ0）完全由aw（λ0）主导，Δa（λ0）很小。

Lee等（2015）推荐了两个λ0用于IOP反演：对大洋水体用55X nm（MODIS 547 nm，SeaWiFS 555 nm），对近岸浑浊水体用670 nm（Rrs（670）＞0.0015 sr-1）。在QAA v5版本中，a（λ0）计算公式如下：

式中，r rs是刚好在水面之下处的遥感反射率。

r rs（λ）可由R rs（λ）计算得到，也可表示为u（λ）的函数（Gordon等，1988；Lee等，1998），公式如下：(www.xing528.com)

在一类水体中，g0=0.0949，g1=0.0794（Gordon等，1988）；近岸二类水体中，g0=0.084，g1=0.17（Lee等，1999）。在QAA版本V5中，g0=0.089，g1=0.125（http：//www.ioccg.org/groups/Software＿OCA/QAA＿v5.pdf）。

由此可得u（λ）：

已知a（λ0）后，利用式（5.51）和式（5.52）可得到bb（λ0），并进而得到bbp（λ0）。

其他波段处的bbp（λ）可计算如下：

波长指数Y由下式计算（Lee等，2002）：

由式（5.54）和式（5.55）可求得任意波长的bb（λ），然后将bb（λ）代入u（λ）计算公式即可得到波长λ处的总吸收系数a（λ）：

2）总吸收系数的分解

首先，利用上述过程中得到的a（411）和a（443），求解a cdm（443），然后计算a ph（λ）。

式中，ζ=a ph（411）/a ph（443），ξ=a cdm（411）/a cdm（443），可由R rs（443）/R rs（55x）估算得到（Lee等，2015）：

2.K d反演方法

K d经验反演方法通常采用蓝绿波段比，如MODIS的K d（490）计算方法：

式中，ζ0-4分别为-0.8813、-2.0584、2.5878、-3.4885和-1.5061。

K d半分析反演方法，通过由半分析方法反演的吸收系数a和后向散射系数b b来进一步求解K d。K d与a和b b的关系如下（Lee等，2005b；Maffione，1998）：

为了便于使用，上述公式可通过辐射传输模拟加以参数化（Lee等，2005；Mobley和Sundman，2013）：

式中，θa为太阳天顶角。

为了进一步区分水分子和颗粒物散射的影响，Lee等对上述公式进行了改进（Lee等，2013）：