海洋水色遥感大气校正算法研究进展

2. 2 线性最优化法 线性最优化法 [ 6] 首先 确定 一个 海洋 水色 模式 ,通 过
调整作为输入的反 演参 数的浓 度 (如 :叶 绿素 、悬 浮无 机
物 、CDOM 等 ) ,重 复计 算获 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
Lp (λ) + TLγ (λ) + tLw (λ) 。
(3)
2 近岸 II类水体大气修正方法
II类水体中 ,由于悬浮泥沙的散射增强而导致近红外
波段的离 水 辐射 信 号远 大 于零 。基于 两 个 近 红外 波 段 765、865nm 离水辐 射 为 零 的 Gordon标 准 大 气 修正 算 法
进行优化 。 2. 4 神经网络方法
人工神经网络方法 ( ANN) [9 ]起源于 对人脑功 能的模
拟 ,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 。运用网络模型可 实现函 数逼近 、数据 聚类 、模
式分类和优化 计 算等 功能 。这 里将 介绍 多层 、反 向传 播 算法的神经网络算法 [10 ]。它是在输入和输出层之 间增加
第 27卷 第 1期 2 0 0 8年 2月
海洋环境科学 MAR IN E ENV IRONM ENTAL SC IENCE
Vol. 2 7 , No . 1 Feb . 2 0 0 8
海洋水色遥感大气校正算法研究进展
杨建洪 1 ,王 锦 1,2 ,赵冬至1
( 1. 国家海洋环境监测中心 ,辽宁 大连 116023; 2. 大连水产学院 ,生命科学与技术学院 ,辽宁 大连 116023)
( Gordon &W ang, 1994)已不再适用 。目前针对 II类水体
的大气 修正 算法主 要有 :代 数法 、非线 形最 优化 法 、主 成
分分析法和神经网络方法等 。 2. 1 代数法 [ 1]
代数法就是用表达式描述 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
Ⅰ类水体的光学特性主要由浮游植物及其伴生物决
定 ,典 型的 Ⅰ类 水体 是大洋 开阔 水体 。 Ⅱ类水 体主要 位 于近岸 、河 口等受 陆 源排污 影 响较 为严 重的 海域 。其 水 色组分中悬浮物 、叶 绿素 和黄 色物 质等 则是 影响 海水 光 学特性与海洋环境的重要 参数 。由于 海洋水 色信号 比较 微弱 ,大气对水色遥 感信 息的影 响十分严 重 ,在可见 光波 段大气分子和气溶胶的后向散 射效应 占了传 感器接 收辐 射量总量的 80%以上 。因此大气校正成 为海洋水 色遥感 数据研究应用的关键技术 。
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 确保 得到 唯一 的最 小
值 (防止方程出 现多个 解 ) ,同 时还 可以尽 可能 提高运 算
速度 。
2. 3 主成分分析法 在所有研究海 洋水 色的 算法 中 ,都 要考虑 大 气对 太
阳光的吸收和 散射 。传统 方法 是使 用大 气校 正方 程 ,而
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 解方程组 ,获得各未知 量的 解 。[ 4]
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 II类水域的运 算结果较精确 ,但 反演的物质浓度数目有限 。
若干层神经元 ,这些 神经 元称为 隐单元 ,与外 界没有 直接
联系 ,但其状态的改变能影响 输入 与输出的关系 。用 f表
示各个神经元的输入与输出之间的关系函数 ( 5)式 。 ( 5)
式中 uki为第 k层的第 i单元的输 入 , Vki为第 k 层的第 i单
元的输出 , W ij为由第 k - 1层 的第 j个神 经元 到第 k层 的
亮度测量值之间的误差 χ2最小 。误差 χ2定义如下
χ2
=Σ λ
(
LM
EA
- LMOD ) 2 ,
(4)
式中 ∑表示对水色传感器的所有通 道 (用 波长标识 )
求和 , LMEA指辐亮度的卫 星测 量值 (m easurem ent) , LMOD指 模式 (model)计算值 。通常 预设一 个 χ2的 阈值 来限制 测
ty, Dalian 116023, China)
Ab stract: In this pap er, a detailed review on the m ethods of atmo spheric correction for the case 1 and 2 were m ade. The analysis of advantages, disadvantages and adap tability was done, and it app l ication was introduced in Ch ina and ab road. The detai led review on the developm en t of the colo r remote sen sing was made, and the m ain m ethod of atmosp herics co rrect ion for satellite was introduced by now. Based on the water characteri stics, some beneficial suggestions of the marine optical remote sen sing app lication are d iscussed. Key wor ds: ocean colo r remo te sensing; case 2 water; atmosp heric correction
水色 (wate r co lor)是 指太阳光 经水体 或海水 散射后 , 可见光和近红外辐射计检 测到的 散射光的 颜色 。水 色的 概念涵盖了水色和海色 ,“水色 ”既 可以代表 水体的颜色 , 又可以代表海 洋的 颜色 。海水 光学 分类 如下 分类 :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 ,则该水体被称为第 I类水体 (Ca se Iwate rs) ;如果 无机 悬浮物或黄色物质 (又称 溶解 的有色 有机物 CDOM: col2 ored dissolved organic ma tte r ) [1 ]对水体的光学特性有不可 忽视的明显作 用 ,则 该 水体 被 称 为第 II类 水 体 ( Ca se II waters) 。大多数开阔海域 的海 水接近 于第 I类水 体 。第 II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 ,其 中总 悬浮 物 ( total suspended ma t2 te r) 、叶绿素和黄色物质是影 响海洋水色 的三要素 。如果 从 I I类水体的 水色遥 感资 料能 准确地 推算出 悬浮 泥沙 、 叶绿素和黄色物质含量 ,就 能对近 海 、河口环 境等进 行实 时 、长周期和大范围的 监测 研究 。
量和计算的次数 。应用非线性 最优化 方法需 注意两 个方 面 :第一 ,在设置预测模型参数 时要保 证反演 的未知 参量
之间的相关性尽 可能 小 ,因为 未知 量之 间总 是具 有一 定
的相关性 ,例如叶绿素 a和总悬浮物之间 。较大的相关就
可能导致定量 反演 的结 果 含糊 不清 。第 二 ,初始 条件 的
( 1)
来估 算气 溶胶 散 射在 近红 外 波段 λ0的 辐亮 度 LAero
(λ0 ) ;然后通过公式
LA ero (λ) = [ Es (λ) / Es (λ0 ) ]ξ(λ,λ0 ) LAero (λ0 ) 。 ( 2)
3 收稿日期 : 2006203209 ,修订日期 : 2007205214 基金项目 : 国家 908 专项 (908202 203201) 作者简介 : 杨建洪 ( 1977 2) ,男 ,四川成都人 ,助理研究员 ,主要从事海洋水色遥感 、大气校正等研究 。
组份浓度时所 占 的权 重 。相对 于使 用所 有波 段而 言 ,主
成分分析法考虑 了各 波段 之间 潜在 的差 别 ,提高 了反 演
水体组份的准确性 。
主成分分析 法的 主要 优点 是 : ( 1) 线性 算 法 ,简单 、
稳定 、运算快捷 ; ( 2)大气影响自动 体现在加权 因子中 ,不
必进行大气校正 ; ( 3) 可 用区域 光学模 式确定 加权因子 ,
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 ,辐 射传 输模 型可 以产 生在 大 气顶部的光谱辐亮度数据 集 。对光谱 数据的 主成分 分析
可以决定所需光谱通道数及每 一个光 谱通道 在反演 水体
摘 要 : 本文针对 Ⅱ类水体的光谱特性和海洋现象的特点 ,综述了 Ⅰ类水体 及近岸 Ⅱ类 水体的 主要大气校 正算法 , 并介绍 了各种算法的适应范围和优缺点 。通过对水色卫星传感器的技术发展现状的介绍 ,详细整理了目前主要卫星的大 气校正算 法 ,概述了 Ⅱ类水体水色反演算法的研究现状和发展方向 。并根据我国近海的水体特点提出了水色遥感研究需要 解决的关 键问题 。 关键词 : 水色遥感 ; 近岸 Ⅱ类水体 ; 大气校正 中图分类号 : X87 文献标识码 : A 文章编号 : 100726336 ( 2008 ) 0120097204
Rev iew on th e a tm ospher ic cor r ect ion of ocean color r em ote sen sin g
YAN G Jian2hong1 , WAN G J in1, 2 , ZHAO D ong2zhi1 (1. National M arine Environment Monito ring Cen ter, D al ian 116023 , Ch ina; 2. L ife sciences co llege, Dalian F isheries Un iversi2
9 8
海 洋 环 境 科 学
第 27卷
可计算 在 任 意波 长 上的 气 溶胶 散 射 的 辐亮 度 LAero (λ) 。最后得到气溶胶散射的辐亮度 ,并 利用大气校 正方
程 ( 3)剔除气溶胶散射项 ,这 项工作是大 气校正工作 中最 为重要的一环 [2 ] 。
L i(λ) = [LR (λ) +LA (λ) ] + TLγ (λ) + tLw (λ) =
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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 光谱 辐亮 度和 水体 组份 浓度 之间 的 分段线性关系 。主成分分析法 [ 7]不但 可以得 到大气 的光 谱性质 ,还可 以 定量反 演 水体中 三 种主 要组 份 。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
1 I类水体大气修正方法
对于第 I类水 体 , 近红外 波段的 离水 辐亮 度 Lw (λ0 )
≈ 0。我国水色传感器 COCTS、美国 水色传感 器 SeaW iFS
和 MOD IS在近红外都 有两 个波 段 。因此 ,可以使用公式 :
LA ero (λ0 ) =L i (λ0 ) - LR (λ0 ) +Δ,
第 i个神经元的权重 。
Vki
= f( uki ) , uki
=ΣW
i
Vk
jj
-
1
,
( 5)
r=
1 2
Σ j
(
Vmj
-
yj) 2。
( 6)
此外 ,我们定义误差函数 r为期望输出与实际 输出之
差的平方和 (6)式 。式中 yj是输出单元的期望输出 , Vmj 是 实际输出 。如果 期望 输出 与实 际输 出不 符 , 就产 生误 差