1、海洋与内陆水体高光谱遥感（一）水色遥感 定标(Calibration)【或辐射校正】是指定量地确定系统对已知受控信号响应的过程；真实性检验(Validation)或检验是指通过独立的手段来评价卫星系统所导出数据产品的质量的过程。海洋水色遥感和红外遥感都是对定量化要求非常高 定标(Calibration)是指数码值到辐射值的转换。也称“辐射校正”大气修正和大气校正(Correction)仪器的发射前定标:a)标准灯标准板系统；b)积分球系统野外定标遥感器将接收到的辐亮度信号，经光电转换、A/D变换后，形成数码值，成像的仪器再构成图象，传递到地面 像元的数码值?辐亮度 遥感器的发射前定标、遥感器的
2、在轨定标 只有知道绝对的物理量（辐亮度）的基础上，定量遥感应用人员才能根据辐亮度，反演地物特性，并对遥感数据加以应用。如果针对非定量化应用，很多情况下可以直接根据数码值进行工作遥感器的在轨定标 在轨定标又分为：基于太阳/月亮的星上全口径全光路的定标系统的定标；在轨外定标（替代定标）；交叉定标(Cross-Calibration)。所谓基于太阳的星上定标系统是指将直射太阳光以确定的角度入射到已知反射率的漫射板上，遥感器的整个光路对漫射板进行观测，从而进行定标。所谓基于月亮的星上定标系统是在特定的时间将遥感器指向月亮，利用月亮稳定的表面作为基准对仪器进行定标。在轨外定标(替代定标，Vicariou
3、s calibration)是利用地面大面积、均匀的目标，在精确测量地表特性和大气特性的基础上，结合辐射传输计算，得到卫星入瞳处的辐亮度，从而得到其定标系数。交叉定标(Cross-Calibration)是指利用一个已知高精度的遥感器数据校正另外一个遥感器。一般要求波段相近、过境时间差别不大、同一地物的变化不大、大气稳定。一类水体即大洋开阔水域的水体。其水色要素主要由浮游生物所含的叶绿素a及其降解物所组成，相对简单。二类水体的水体（叶绿素、悬浮泥沙、黄色物质、污染等）水体遥感 SeaWiFS/MODIS/MERIS等。其中：MERIS需要专门到ESA申请 SeaWiFS从杭州二所订购 Nami
4、bia最佳水色遥感器数据仍然是SeaWiFS数据 1.数据质量有星上定标系统（太阳定标、月亮定标）、光学浮标的替代定标等多种手段保证；2.高质量的免费数据处理软件SeaDAS，采用精确Rayleigh计算、多种气溶胶模式参数等高精度的大气校正算法、最新的一类水体算法、提供超过100种的数据产品，并提供简单使用的工具；3.接收站点遍布全球，我国海洋局二所、香港科技大学等可以提供数据源，并可从NASA DAAC免费订购。4.单一卫星单一专用遥感器，不存在与其他非水色应用的折衷。具备12:00左右过境、前后倾200等特点。5.TDI技术扫描成像，没有类似MODIS、HY-1 COCTS上的多元并扫条
5、带。水色遥感定量化的要求及其定标/检验海洋遥感应用对定量精度有严格的要求,以美国的SeaWiFS的精度目标为例(一类水体 Case-I water)：叶绿素浓度反演误差 35%离水辐亮度绝对误差 5%相对误差 1%按照上述要求，可导出遥感器、大气算法、现场仪器的不确定度(uncertainty)为：*遥感器辐射定标 5%(Hooker et al 1992,p1)相对误差 1%波段之间 5%*大气修正算法 5%(Gordon&Wang 1994,p445)*现场测量仪器定标 3%(Mueller&Austin 1995,p14)相对误差 1%*现场数据分析处理 5%(Siegel et al
6、1995)水体光学模型 表观光学量(Apparent Optical Properties，AOPs)是随光照条件变化而变化的量，如向下辐照度Ed、向上辐照度Eu、离水辐亮度LW、遥感反射比Rrs、辐照度比也称为漫反射比R(diffuse reflectance)等，以及这些量的漫衰减系数Kd,Kl。必须归一化，才有可能进行不同时间、地点测量结果的比较。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，其基本量是离水辐亮度LW(Water-leaving Radiance)。水色遥感反演模型利用的辐射参数量，基本上有：离水辐亮度LW、归一化离水辐亮度LWN、刚好在水面以下的(Jus
7、t beneath water surface,0-)辐照度比(或漫反射比)R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-)、遥感反射比Rrs=LW/Ed(0+)等。固有光学量(Inherent Optical Properties,IOPs)是指只与水体成分有关而不随光照条件变化而变化的量，包括：(1)水分子的吸收系数aw、散射系数bw、散射相函数w；(2)Chl-a的吸收系数ac、单位吸收系数(Specific absorption coef.)，散射系数bc、单位散射系数、后向散射系数bb、前向散射系数bf、散射相函数；(3)黄色物质的单位吸收系数 (4)其他成分，包括无机物tripton,ino
8、rganic particle,mineral、碎屑(detritus)等的吸收散射特性。固有光学量中最重要的是单位吸收系数和体散射相函数。水体生物-光学模型 由于大洋水体的光学特性主要由水分子和浮游生物决定，因此在海洋光学中，把水体光学模型一般称为生物光学(Bio-optical)模型Smith&Baker 1978 水体生物光学特性的研究包括水体成分的固有光学特性、表观光学特性的定量描述、表观特性与固有特性之间的关系以及反演算法等。在未来几年内，将以归一化离水辐亮度LWN为基本量的统计模型、以基于辐照度比R和遥感反射比Rrs的半分析模型为主要方向(OReilly et al 1998)总悬
9、浮物(total particulate matter,seston，total suspended matter TSM)悬浮泥沙(sediment,tripton,or inorganic particles)浮游生物(phytoplankton and zooplankton)黄色物质(CDOM,yellow substance,gelbstoffe，gilvin)碎屑(detritus,debris)一般水体可能含有以下7种成分(Morel 1977,Gordon&Morel 1983)：(1)活的藻类细胞。其浓度可有很大变化。(2)连带的碎屑。即由浮游生物的自然死亡降解和浮游动物的消
10、化排泄产生的碎屑。(3)溶解有机质。由藻类和它们的碎屑释放出来的物质(黄色物质)(4)再次悬浮的泥沙。沿岸海底和浅海区因海流等作用而搅起的泥沙。(5)陆源颗粒(Terrigenous Particles)。河流冰川带入的矿物颗粒等。(6)陆源溶解有机质（黄色物质）。(7)人类活动产生并进入海洋的颗粒和溶解物。Andr Y.Morel对一类水体的定义是其光学性质由前3项决定的水体。典型的一类水体是大洋开阔水体。一类水体的组成，可以简单地看作由浮游生物（Phytoplankton、zooplankton）的主要成分Chl-a，及其降解物-褐色素a(phea-a)，以及伴随的黄色物质组成。一类水体光
11、谱模型的奠基工作是Morel等人在1977年完成的(Morel 1977)，后经过Morel(1988，1998，2001),Sathyendranath&Preiur(1989),Bricaud等人(1995)众多科学家的不断努力，已基本成熟 二类水体是除一类水体外的可能包括所有上述7种成分或更多的所有水体。典型的二类水体是近岸、河口区域的水体。水体成分的固有光学特性与模型水体各成分的后向散射 遥感获得是水体后向散射的信息，因此水体成分的后向散射特性对遥感反演模型的建立具有关键性的作用 水体成分吸收特征 纯(海)水(w)、及典型的叶绿素（C）、悬浮泥沙(X)、黄色物质(Y)的光谱吸收特征 二
12、类水体固有光学特性 国际上普遍认为，二类水体固有光学特性与大洋水体的主要差异在：(1)区域性悬浮泥沙的吸收与散射特性；(2)在高泥沙含量区的叶绿素吸收特性与大洋水体的叶绿素有一定差异；(3)黄色物质光谱吸收特性也有很强的陆源变化，主要体现在式(3.7)中e指数的S上。aY()=aY(0)exp-S(-0)表观光学特性 一类水体的光谱，以我国南海海域为例 二类水体的光谱，(黄海、东海)遥感反射比光谱 1)在中低混浊度时，550nm波段对浑浊度【悬浮物的浓度】变化比较敏感；2)在中高混浊度水体，6xx nm对悬浮物浓度的变化比较敏感;此时可见光600nm以前的通道对泥沙信息几乎不敏感。3)当悬浮物
13、浓度达到 1000mg/l左右时，NIR波段的反射率比可见光波段的还要高；4)在混浊度水体，叶绿素信号、黄色物质信号几乎被泥沙信号所掩盖；5)叶绿素荧光在在浑浊水体时也十分明显，但受泥沙边沿的影响，如何消除泥沙影响是个很大的问题；6)当水体十分浑浊时，412nm左右篮波段值在一个很小的范围内变化；7)赤潮水体光谱与正常光谱有很大的区别。Spectra of Yellow Sea&East China Sea200304 spring cruise-0.0100.010.020.030.040.050.060.073504505506507508509501050Wavelength(nm)Rr
14、s(1/sr)水色要素反演(1)经验模型，主要基于离水辐亮度与某一成分之间的统计关系；(2)半分析模型,借助于固有光学量与成分之间的物理关系和表观量与固有光学量之间的经验关系，导出遥感量与水体成分之间的关系；(3)辐射传递模型，在辐射传递方程近似解的基础上，建立反演模型。统计模型综述 典型的经验(或统计)模型是Dennis K.Clark(1981,1995)为CZCS、SeaWiFS等水色遥感器提出的基于波段比值的色素算法，其形式如下,其中C为chl-a浓度，A、B为统计回归系数，LW为离水辐亮度或归一化离水辐亮度 CALLwwB()()12其他类似的统计模型 一类水体目前最常用的OC4算法
15、 R=Max(Rrs443,Rrs490,Rrs510)/Rrs555Cchl-a=10(a0+a1*R+a2*R2+a3*R3+a4*R4)二类水体反演模式 Tassan 1994 SeaWiFS;Tang Junwu,Wang Xiaomei,Song Qingjun,et al 2004:The statistic inversion algorithms of water constituents for Yellow Sea&East China Sea.Acta Oceanologica Sinica,Vol.23,No.4,617-626。海洋学报英文板，有排版错误,请向唐军武本人索取原文。黄东海二类水体叶绿素算法
