八、高光谱遥感应用—水质参数反演

余各量需要对采集的水样进行测量而获得。
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8.3 水体固有光学量
单位固有光学量(Specific Inherent Optical Properties, SIOP)
单位吸收和散射系数是水体各组分的吸收和散射系数分别与其浓度的比值， 单位吸收和散射系数是分析方法建立水质参数反演算法最基本的光学参数。
t是大气漫射透过率；
r是气水界面反射率；
LP是大气程辐射； TLg 是太阳耀斑，T是大气直射透过率。
利用光谱仪在水面采集水体光谱数据时:
Lg可以避免，LP可以认为是0，t可以认为是1， 从而得到水面光谱仪接收信号Lsw的公式为：
Lsw = LW + r Lsky
Lsw和Lsky可以测量得到，r可以通过一定的办法确定，从而可以计算 得到离水辐亮度LW。如果利用灰板测量了下行辐照度Ed(0+), ，就可 以进一步计算遥感反射率Rrs。
a = a(w) + a( ph) + a(cdom) + a(t)
c=a+b
a，b，c的单位都是m-1
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8.3 水体固有光学量
影响内陆水体固有光学特性的物质主要有四种：
纯水；
浮游植物(phytoplankton)，主要是藻类；
无生命悬浮物(tripton)； 黄色物质(CDOM)。
每种物质都有其固有光学量，其中水质遥感中常用到的有： (1)水分子的吸收系数aw(λ)、散射系数bw(λ) ； (2)浮游植物色素的吸收系数aph(λ) ; (3)非色素悬浮物吸收系数at(λ) ； (4)CDOM吸收系数acdom(λ)； (5)总悬浮物散射系数bs(λ)。 其中，水分子的吸收系数和散射系数是不变的，可以查找文献获得。其
八、高光谱遥感应用—水质参数反演
8.1 内陆水质遥感概述 8.2 水体表观光学量 8.3 水体固有光学量 8.4 水体表观光学量和固有光学量的关系 8.5 基于生物光学模型的水质参数反演分析方法
张兵
中国科学院遥感应用研究所 E-mail: zb@
1 ZB/HRS/IRSA/CAS 2007
1）根据观测天顶角利用Fresnel公式计算得到； 2）根据经验确定不同风速条件下对应的r值； 3）假设近红外或者短波红外某段波长区域的离水辐射为0，从而利用Lsw和
Lsky计算得到r值；Lsw = LW + r Lsky 4）根据Monte Carlo模拟来确定r值； 5）根据水体光学模型，将r和一些水质参数作为未知数，然后通过光谱优化
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8.3 水体固有光学量
固有光学量(Inherent Optical Properties) 是指不随入射光场变化而 变化，仅与水体成分有关的光学量，如光束衰减系数c，吸收系数a、散射系 数b、散射相函数P等。
随着悬浮物浓度的增加，水体在可见光及近红外波段范围的反射亮度 增加，且反射峰形态变宽。
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R(0-)可以通过水面光谱计算得到，其公式如下所示：
R(0−) = Ewu =
E wu
Ewd [(1 − Fdif )(1 − r(θ s ) + Fdif (1 − ρ dif )]Ead + ρ w Ewu
Ewu
=
1
Qn 2 − r(θ
v
)
(
Lau
− r(θv )Lsky )
r(θs)：太阳直射光的Fresnel反射率系数； r(θv)：天空漫散射光的Fresnel反射率系数；
（1）与大洋水体相比，内陆和近岸水体光学特性更为复杂； （2）水体自身的辐射较低，大气影响很大； （3）常用遥感器的波段设置较宽； （4）遥感模型以统计模型为主； （5）水体固有光学量的积累很少等。
发展方向： （1）以高光谱遥感数据为数据源； （2）以影响内陆和近岸水体光学特性的3种主要水质参数 （浮游植物色素、悬浮物和黄色物质）为反演目标； （3）建立高精度的大气校正和离水辐射提取算法； （4）积累典型内陆和近岸水体固有光学量测量数据； （5）建立基于内陆和近岸水体固有光学量的水质反演分析方法。
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8.2 水体表观光学量 水面以上水体信号构成
遥感器
太阳光在 大气中散射
天空光 水面反射
来自水面以下 的离水辐射
太阳直射光 水面反射
天空光在水 面的折射
水体上行辐射
太阳直射光在水 面的折射
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8.2 水体表观光学量
表观光学量(Apparent Optical Properties，简称AOP)：是指随入射 光场变化而变化的水体光学参数。水色遥感就是利用表观光学量(AOPs)来 反演出水体成分的浓度，常用的AOP主要有：
• 分析方法：利用遥感数据与水中各组分的吸收系数、后向散射系 数关系模型，反演水质参数含量。该方法与水体光学模型相结合 具有明确的物理意义，且具有普遍适用性，是水质遥感反演模型 的趋势。
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8.1 内陆水质遥感概述
内陆和近岸水质遥感监测的难点及发展方向
内陆和近岸水体定量遥感研究发展较慢，水质参数反演精度一直不理想。 原因：
遥感技术以其独特的优势为水质监测和研究开辟了新的途径，它 可以实现水质快速、大范围、低成本、周期性动态监测。然而，由于 内陆和近岸水体的光学特性比较复杂，与大洋水体遥感研究相比，内 陆和近岸水体的遥感监测始终是一个技术难点。
当前内陆和近岸水质遥感监测的一个重要发展趋势就是高光谱遥 感图像数据的越来越广泛的应用。内陆和近岸水体光谱特性复杂多 变，只有高光谱分辨率的遥感数据才能更加有效地捕捉这些光谱信 息，从而提高内陆和近岸水质遥感监测的精度。
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8.2 水体表观光学量 悬浮物的光谱特征分析
遥感反射率
8.2 水体表观光学量 叶绿素a的光谱特征分析
太湖夏季、秋季、冬季典型水体表面光谱
0.05
典型秋季水体
典型夏季水体
0.04
典型冬季水体
0.03
0.02
0.01
0 350 450 550 650 750 850 950
波长（nm）
565nm附近是叶绿素的吸收谷，在 反射率曲线上形成反射峰； 685nm附近是叶绿素的吸收峰，在 反射率曲线上形成反射谷； 700nm附近是叶绿素荧光峰，在反 射率曲线上形成反射峰； 随着叶绿素浓度的增加，565nm和 700nm附近的反射峰都会变陡； 随着叶绿素浓度的增加，700nm附 近的反射峰的峰值波长位置会向 长波方向移动。
* 离水辐亮度LW（μW/ cm2 nm sr） ； * 归一化离水辐亮度LWN=LWF0/Ed(0+)，
其中F0为平均日地距离大气层外太阳辐照度，Ed(0+)为水面入射的下 行辐照度。
* 遥感反射率Rrs=LW/Ed(0+), * 刚好处于水面以下的辐照度比R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-),
总悬浮物的单位散射系数是通过悬浮物的散射光谱与其相对应的悬浮 物浓度值之比计算得到的，即：
b*p(λ)＝bp(λ) / Cs 其中Cs为总悬浮物浓度，单位是mg / l。
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8.4 水体表观光学量和固有光学量的关系
总的吸收和散射系数模型
水体总的吸收系数a、散射系数b和后向散射系数bb由四分量构成。
其中Eu(0-)为刚好在水面下的上行辐照度，Ed(0-)为刚好在水面下的 下行辐照度（μW/ cm2 nm） 。
测量方法：剖面法(Profiling method) 、表面法(Above-water method)
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8.2 水体表观光学量
遥感器接收辐亮度
Lsw = t r Lsky + t LW + LP +T Lg
的单位吸收系数是利用非色素悬浮物吸收系数与总悬浮物浓度之比进行计算的， 即：
a*t(λ)＝at(λ) / Cs 其中Cs为总悬浮物浓度，单位是mg/l。
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8.3 水体固有光学量 固有光学量的测量及计算 利用分光光度计（如下图所示）可以对采集水样的固有光学特性进行测 量分析。水样是与水体现场表观特性测量同步采集的，原则上固有光学特性 测量应在水样采集后的数小时内进行。可以直接测量的参数有：CDOM吸收系 数acdom(λ)、总悬浮物吸收系数as(λ)、非色素悬浮物吸收系数at(λ)、总 悬浮物光束衰减系数cs (λ)；间接计算的参数有：浮游植物色素吸收系数 aph(λ)、总悬浮物散射系数bs(λ)。
8.1 内陆水质遥感概述
水质遥感中几个常用名词的定义
水色遥感是指水体的可见光近红外波段的遥感，主要用于水色因子包括 浮游植物色素、无生命悬浮物（海洋中称为悬浮泥沙）和黄色物质(黄腐 酸、腐殖酸组成的溶解性有机物（CDOM)及相关水质参数的定量探测。 一类水体是指那些光学性质主要受浮游植物及其降解物影响的水体，光学特 性相对简单，简单的蓝绿波段比值就可以反演叶绿素浓度； 二类水体则不仅受浮游植物的影响，而且受到悬浮物和黄色物质等的影响， 因而光学特性复杂多变，对于水比较浅的情形，还要考虑水底物质反射的影 响。
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8.3 水体固有光学量 单位固有光学量(Specific Inherent Optical Properties, SIOP)
3）CDOM的单位吸收系数 CDOM的单位吸收系数是其吸收系数与CDOM在440nm处的吸收系数之
比，即： a*cdom(λ)＝exp(－S(λ-440))
其中，S是CDOM吸收光谱的负指数曲线的斜率。 4）总悬浮物的单位散射系数
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8.2 水体表观光学量 水面光谱测量离水辐亮度LW
水面法线 仪器观测平面
仪器观测方向
光谱仪探头
θv φ
天空光观测方向 太阳入射平面
θ＝40度，Φ＝135度，这样可以尽量避免太阳 耀斑，同时减小船的阴影的影响。
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8.2 水体表观光学量
Fresnel公式
r (θ a