第五章 海洋水色遥感 - 海洋遥感
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生物-光学算法已经扩展到了水中其它组分及海水光学性质的研究。
2016/1/20
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(1)水面上的下行辐照度
Ed (,0 ) Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
（2）水面向下的辐照度
Ed (,0 )
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段 设置
2016/1/20
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
• 全球气候变化（包括海洋碳通量研究）
• 海岸带管理与（工程）环境评价
• 海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护 • 海洋污染环境的监测 • 海洋动力环境研究 • 海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
c. 海水的色素
叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素 a， 在蓝光（420-500nm）和红光（600-700nm）波段具有两 个强吸收谷。 荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光， 该值可作为植物健康状况的标志。 色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用C表示。
• Gordon双通道算法
其它情况：
C 3.33(
Lu (443 ,0 ) B R(443,0 ) B ) 或 C A( ) ※. NASA的另一种方法： C A( Lu (550,0 ) R(550,0 )
La Lpath
Lt rLsta Lwta Lpath
Lt Lwts rLstd Lr La
Lr
ta , td , t s
Lwc
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
Lt Lwts rLstd Lr La
Lw (ti / n )Lu
2 w
Ls ti , r , nw
Carder，1996；
g1 0.0949 i, g 2 0.0794 i
辐射因子i为海气透射比与海水折射率之比；
总吸收系数和后向散射系数：
a aw ag ad a ph , bb bbw bbp
2016/1/20
以上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。
5.4 海洋水色要素浓度反演
单位：Sr-1
5.4 海洋水色要素浓度反演
1.反演海洋水色要素需考虑的因素
（1）水色遥感图像的大气校正；
（2）多种水色要素对离水辐射度的共同贡献； （3）运动的海水对水色要素反演的影响。
2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
2.海洋水色要素的反演方法
• 经验公式法
－通过测量水体表面的光谱辐射特征和水中各水 色要素的浓度，建立二者之间的定量关系。
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
- 在全球碳循环研究中比较重要
海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳POC和融 解的有机碳DOC。 海水中的有色融解有机物（CDOM） 被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。 一般定义黄色物质浓度为：
2016/1/20
（2）计算（Gordon）：
r ( ) Lw ( ) LWN ( ) cos s exp( ( oz ( )) / cos s ) 2
2016/1/20
5.3 生物-光学算法的物理基础
3.离水反射率
离水反射率：
Lw ( ) r ( ) w ( ) WN ( ) exp(( oz ( )) / cos s ) E0 cos s 2
※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
单位：Sr-1
5.3 生物-光学算法的物理基础
2.归一化离水辐射度
（1）物理意义：当太阳位于天顶处，且消除大气的影响时， 海表离水辐射度的近似表达。
利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰 从蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。 2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b. 经验算法（★）- 最早针对CZCS设计的
C>1.5mg/m3：
C 1.13( Lw (443) 1.71 ) Lw (550) Lw (520) 2.44 ) Lw (550)
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
b. 海水的光学特性
海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。 表观光学量由光场和水中的成分而定，包括向下辐照 度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等， 以及这些量的衰减系数。 固有光学量与光场无关，只与水中成分分布及其光学 特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系 数；散射系数；体积散射函数等。
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(4)离水辐射度Lw的计算
Lw ( ,v ) Lw ( ,0)
(1 ) Ed ( ,0 ) Ed ( ,0 ) 1 rR
Ed (,0 )
t i Lu ( ,0 ) (nw ) 2
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
2016/1/20
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
������ 以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例， 设置了大气校正通道7（765nm） 和8（865nm）。这二 个波段的离水辐射度近似为0。
第8波段气溶胶散射 计算n值
其它波段气溶胶散射
（3）水色要素反演-(生物光学算法、经验公式法）
或
R (bsc a) /(bsc a)
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(3)水次表面向上辐照度与辐射度 的关系
Eu (,0 ) Q Lu (,0 ) Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
R
体积散射相函数Q为散射光方向的辐射度与辐照度之比，它与介质对 光子散射的空间分布有关。对于光学上各向同性的介质，Q等于π。在可见 光和近红外光波段，海水的Q约等于4.55；当接近中午太阳天顶角较小时， Q约等于 2016/1/20 5.0。
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
融解有机物 DOM的光谱吸 收曲线
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
e. 海洋初级生产力
初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光 合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为 mg· m-2· d-1。 反演算法有：经验算法、解析算法。
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
浮游植物色素浓度C的反演：
利用吸收系数： 利用衰减系数：
a( ) aw ( ) f1 ( ) exp(f 2 ( )) C b( 500nm) 0.3C 0.62
0.32i bbw 400 Y [ X( ) ] a 3.4
Lee等进行了改进：
2016/1/20
Rrs ( )
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b.经验算法（★）
对于I类水体：
a( ) aw ( ) a p , bb ( ) bbw ( ) bbp ( ) C
常用的经验关系：蓝绿比值经验算法
C A( Lw (i ) B ) Lw ( j ) logC log A B log( Lw (i ) ) Lw ( j )
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
f. 赤潮
海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（多 为红色）的一种生态环境恶化的现象。
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
1.海洋水色遥感机理的简单描述
海洋水色遥感是基于传感器接收的离水辐射（透射 入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射）所进行的。 水中各重要成分浓度变化→水体吸收和散射光学性 质变化→离水辐射度变化→传感器接收信号发生变化。 水色遥感过程：通过大气校正，得到离水辐射，再 根据各成分浓度与离水辐射之间的相关关系，反演得到 各水色要素浓度。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
2016/1/20
第五章 海洋水色遥感
概述
海洋水色遥感机理
生物-光学算法的物理基础 海洋水色要素浓度反演 赤潮现象的遥感监测与反演
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
1970年，Clarke等成功的验证了利用航空光谱遥 感水体表层叶绿素浓度的可行性。 • CZCS（Nimbus-7） • SeaWifs（SeaStar） • MODIS（Terra-Aqua） • COCTS（HY-1A、HY-1B）
R
Ed (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rEu (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rREd (,0 )
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
2016/1/20
Ed ( ,0 )
(1 ) Ed ( ,0 ) 1 rR
Lu
水中物质
海表
rLs Lsr
Lwc ts Lru
2016/1/20
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
（1）辐射定标
（2）大气校正
Lt Lwts rLstd Lr La Lwcts Lru
采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如 采用一些同步的大气数据进行计算）； 利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。
• 基于模型的解析算法
－利用生物-光学模型描述水体要素与水体光谱辐 射特征之间的相关性，建立二者之间的关系。
2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
－也称为半分析型生物光学算法。
固有光学量与遥 感反射率的关系
2 Lw ( ) bb Rrs ( ) g ( ) i Ed ( ,0 ) i 1 a bb
2016/1/20
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
2016/1/20
5.1 概述
3.海洋水色遥感中的关键技术
• 大气校正
- 从传感器接收到的信号中消除大气的影响，获 得包含海水组分信息的海面离水辐射度。
• 生物光学算法
- 根据不同海水的光学特性与离水辐射度之间的 关系，估算有关的海洋水色要素。
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
2016/1/20
Βιβλιοθήκη Baidu
5.2 海洋水色遥感机理
※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同
TOA
BOA
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
2.具体的模型描述
- 水气辐射传输模型
a. 简化模型 b. a模型细化
Lt
太阳 传感器
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
R
综合以上诸式可得：
ti REd ( ,0 ) ti (1 ) R Lw ( ,v ) E0 ( ) cos st ( , s ) 2 2 Qnw Qnw (1 rR)
WN ( ) LWN ( ) E0 ( )
归一化离水反射率：
归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达 到海面的辐照度无关，只与当时当地的海洋内部各种粒 子的成分和浓度有关。
※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
a. 海洋水体分类
根据Morel等提出的双向分类法，可分为：
- Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定； - Ⅱ类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，
还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非 线性方式来影响。
2016/1/20
2016/1/20
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(1)水面上的下行辐照度
Ed (,0 ) Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
（2）水面向下的辐照度
Ed (,0 )
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段 设置
2016/1/20
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
• 全球气候变化（包括海洋碳通量研究）
• 海岸带管理与（工程）环境评价
• 海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护 • 海洋污染环境的监测 • 海洋动力环境研究 • 海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
c. 海水的色素
叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素 a， 在蓝光（420-500nm）和红光（600-700nm）波段具有两 个强吸收谷。 荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光， 该值可作为植物健康状况的标志。 色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用C表示。
• Gordon双通道算法
其它情况：
C 3.33(
Lu (443 ,0 ) B R(443,0 ) B ) 或 C A( ) ※. NASA的另一种方法： C A( Lu (550,0 ) R(550,0 )
La Lpath
Lt rLsta Lwta Lpath
Lt Lwts rLstd Lr La
Lr
ta , td , t s
Lwc
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
Lt Lwts rLstd Lr La
Lw (ti / n )Lu
2 w
Ls ti , r , nw
Carder，1996；
g1 0.0949 i, g 2 0.0794 i
辐射因子i为海气透射比与海水折射率之比；
总吸收系数和后向散射系数：
a aw ag ad a ph , bb bbw bbp
2016/1/20
以上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。
5.4 海洋水色要素浓度反演
单位：Sr-1
5.4 海洋水色要素浓度反演
1.反演海洋水色要素需考虑的因素
（1）水色遥感图像的大气校正；
（2）多种水色要素对离水辐射度的共同贡献； （3）运动的海水对水色要素反演的影响。
2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
2.海洋水色要素的反演方法
• 经验公式法
－通过测量水体表面的光谱辐射特征和水中各水 色要素的浓度，建立二者之间的定量关系。
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
- 在全球碳循环研究中比较重要
海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳POC和融 解的有机碳DOC。 海水中的有色融解有机物（CDOM） 被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。 一般定义黄色物质浓度为：
2016/1/20
（2）计算（Gordon）：
r ( ) Lw ( ) LWN ( ) cos s exp( ( oz ( )) / cos s ) 2
2016/1/20
5.3 生物-光学算法的物理基础
3.离水反射率
离水反射率：
Lw ( ) r ( ) w ( ) WN ( ) exp(( oz ( )) / cos s ) E0 cos s 2
※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
单位：Sr-1
5.3 生物-光学算法的物理基础
2.归一化离水辐射度
（1）物理意义：当太阳位于天顶处，且消除大气的影响时， 海表离水辐射度的近似表达。
利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰 从蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。 2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b. 经验算法（★）- 最早针对CZCS设计的
C>1.5mg/m3：
C 1.13( Lw (443) 1.71 ) Lw (550) Lw (520) 2.44 ) Lw (550)
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
b. 海水的光学特性
海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。 表观光学量由光场和水中的成分而定，包括向下辐照 度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等， 以及这些量的衰减系数。 固有光学量与光场无关，只与水中成分分布及其光学 特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系 数；散射系数；体积散射函数等。
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(4)离水辐射度Lw的计算
Lw ( ,v ) Lw ( ,0)
(1 ) Ed ( ,0 ) Ed ( ,0 ) 1 rR
Ed (,0 )
t i Lu ( ,0 ) (nw ) 2
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
2016/1/20
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
������ 以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例， 设置了大气校正通道7（765nm） 和8（865nm）。这二 个波段的离水辐射度近似为0。
第8波段气溶胶散射 计算n值
其它波段气溶胶散射
（3）水色要素反演-(生物光学算法、经验公式法）
或
R (bsc a) /(bsc a)
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(3)水次表面向上辐照度与辐射度 的关系
Eu (,0 ) Q Lu (,0 ) Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) E (,0 ) Lu (,0 ) u
R
体积散射相函数Q为散射光方向的辐射度与辐照度之比，它与介质对 光子散射的空间分布有关。对于光学上各向同性的介质，Q等于π。在可见 光和近红外光波段，海水的Q约等于4.55；当接近中午太阳天顶角较小时， Q约等于 2016/1/20 5.0。
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
融解有机物 DOM的光谱吸 收曲线
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
e. 海洋初级生产力
初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光 合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为 mg· m-2· d-1。 反演算法有：经验算法、解析算法。
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
浮游植物色素浓度C的反演：
利用吸收系数： 利用衰减系数：
a( ) aw ( ) f1 ( ) exp(f 2 ( )) C b( 500nm) 0.3C 0.62
0.32i bbw 400 Y [ X( ) ] a 3.4
Lee等进行了改进：
2016/1/20
Rrs ( )
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b.经验算法（★）
对于I类水体：
a( ) aw ( ) a p , bb ( ) bbw ( ) bbp ( ) C
常用的经验关系：蓝绿比值经验算法
C A( Lw (i ) B ) Lw ( j ) logC log A B log( Lw (i ) ) Lw ( j )
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
f. 赤潮
海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（多 为红色）的一种生态环境恶化的现象。
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
1.海洋水色遥感机理的简单描述
海洋水色遥感是基于传感器接收的离水辐射（透射 入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射）所进行的。 水中各重要成分浓度变化→水体吸收和散射光学性 质变化→离水辐射度变化→传感器接收信号发生变化。 水色遥感过程：通过大气校正，得到离水辐射，再 根据各成分浓度与离水辐射之间的相关关系，反演得到 各水色要素浓度。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
2016/1/20
第五章 海洋水色遥感
概述
海洋水色遥感机理
生物-光学算法的物理基础 海洋水色要素浓度反演 赤潮现象的遥感监测与反演
2016/1/20
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
1970年，Clarke等成功的验证了利用航空光谱遥 感水体表层叶绿素浓度的可行性。 • CZCS（Nimbus-7） • SeaWifs（SeaStar） • MODIS（Terra-Aqua） • COCTS（HY-1A、HY-1B）
R
Ed (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rEu (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rREd (,0 )
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
2016/1/20
Ed ( ,0 )
(1 ) Ed ( ,0 ) 1 rR
Lu
水中物质
海表
rLs Lsr
Lwc ts Lru
2016/1/20
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
（1）辐射定标
（2）大气校正
Lt Lwts rLstd Lr La Lwcts Lru
采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如 采用一些同步的大气数据进行计算）； 利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。
• 基于模型的解析算法
－利用生物-光学模型描述水体要素与水体光谱辐 射特征之间的相关性，建立二者之间的关系。
2016/1/20
5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
－也称为半分析型生物光学算法。
固有光学量与遥 感反射率的关系
2 Lw ( ) bb Rrs ( ) g ( ) i Ed ( ,0 ) i 1 a bb
2016/1/20
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
2016/1/20
5.1 概述
3.海洋水色遥感中的关键技术
• 大气校正
- 从传感器接收到的信号中消除大气的影响，获 得包含海水组分信息的海面离水辐射度。
• 生物光学算法
- 根据不同海水的光学特性与离水辐射度之间的 关系，估算有关的海洋水色要素。
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
2016/1/20
Βιβλιοθήκη Baidu
5.2 海洋水色遥感机理
※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同
TOA
BOA
2016/1/20
5.2 海洋水色遥感机理
2.具体的模型描述
- 水气辐射传输模型
a. 简化模型 b. a模型细化
Lt
太阳 传感器
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
R
综合以上诸式可得：
ti REd ( ,0 ) ti (1 ) R Lw ( ,v ) E0 ( ) cos st ( , s ) 2 2 Qnw Qnw (1 rR)
WN ( ) LWN ( ) E0 ( )
归一化离水反射率：
归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达 到海面的辐照度无关，只与当时当地的海洋内部各种粒 子的成分和浓度有关。
※ 遥感反射率： 2016/1/20
Rrs ( )
Lw ( ) ti (1 ) R LWN ( ) WN ( ) 2 Ed ( ,0 ) Qnw (1 rR) E0 ( )
2016/1/20
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
a. 海洋水体分类
根据Morel等提出的双向分类法，可分为：
- Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定； - Ⅱ类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，
还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非 线性方式来影响。
2016/1/20