一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法

摘要

本发明公开了一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法，根据卫星提供的遥感数据得到海水表面下任意波长的遥感反射率以及与固有光学量有关的比率值；针对清澈的海水和较为清澈的沿海海水使用QAA_v5算法得到任意波长下吸收和后向散射系数；针对浑浊的沿海海水使用QAA‑RGR算法得到任意波长下吸收和后向散射系数；针对不同海域使用不同求解散射系数的模型；吸收系数和散射系数相加即可得到全球海洋光学衰减系数。本发明对全球海域进行了划分给出了求解不同海域的吸收、散射系数模型，并能由卫星提供的数据直接解算得到不同海域的光学衰减特性，提升了求解光衰减系数的可靠性，能动态地监视全球海洋光学衰减系数变化规律。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋通信信道研究领域，基于水体浑浊度分级以及对全球海域分区的光学衰 减系数遥感反演方法，尤其是一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法。

背景技术

分析海水对特定波长激光信号的衰减特性成为水下激光通信研究的关键环节。海洋世界 广袤无垠，无法全部通过现场测量的方式获取各区域的激光海水传输特性，综合有限站位现 场测量结果和卫星遥感数据的水色遥感反演是克服上述问题的唯一办法。

海水光学特性包括表观光学特性和固有光学特性，其中表观光学性质由光场和水中的成 分共同决定，可由遥感等方法测量得到；固有光学量只与水中成分的分布及其吸收特性和散 射特性有关，代表着海水的固有光学性质，与光场无关，是决定海水激光传输特征的根本因 素。

根据发表于Elsevier出版社，1976年，《光学海洋学》(Optical Oceanography)第二次 修订版，由Jerlov著作的“海洋光学”(Marine Optics)，可将海水划分为清澈的海水、较为 清澈的沿海海水和浑浊的沿海海水，清澈海水指的是Jerlov提出的开阔海域中的I、IA、IB 型海水；较为清澈的沿海海水指的是Jerlov提出的沿海海域中的第1类海水；浑浊的沿海海 水指的是Jerlov提出的沿海海域中的第9类海水。

海洋光学测量方法多由表观光学特性导出固有光学特性，传统海洋遥感反演采用的是经 验统计算法，借助回归分析手段建立海水光学特性光谱与水体成分浓度之间的关系，再估算 海水的衰减、反射特性。这些方法误差较大，且只适用属于清澈海水的深海水域。大陆沿岸 海域是典型的沿海海水区域，水体光学特性复杂，需要研究适用的遥感反演算法以满足大陆 沿岸海域水下光通信应用。

目前最具代表性并得到广泛接受和应用的是半分析方法，它首先由遥感观测所得表观光 学量反演固有光学量，再通过固有光学量与水体成分浓度之间的关系来实现水色产品的反演。 国际海洋水色遥感组织发布的第五版QAA算法，全称Quasi-AnalyticalAlgorithm Version 5， 即QAA_v5，以及准分析-红绿波段比算法(Quasi-AnalyticalAlgorithm-RGR，简称QAA-RGR) 与传统的经验算法相比，这两种算法无需叶绿素吸收光谱等先验参数，且具有可移植性。但 QAA_v5算法在清澈海水和较为清澈的沿海海水展现出精度较高的反演结果，但在浑浊的沿 海海水则略显逊色，在QAA_v5中，使用443nm、490nm、555nm和667nm处的遥感反射率 来反演光学参数。对于可见光通道，中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，简称MODIS)只有三个高空间分辨率的陆地波段，分别为469nm、555nm 和645nm，因此，QAA_v5并不直接应用所有这三个陆地带；此外，由于光学系数在667nm 波段会处于高度饱和，因此QAA_v5不能直接应用于浑浊的沿海海水，而QAA-RGR算法刚 好可以弥补这一问题，QAA-RGR算法将555nm和645nm两个波段的遥感反射率之间的比率 来反演光学参数，这种蓝绿波段比的组合不仅避免了光学系数在波段670nm处出现高度饱和 的情况，还有助于提高算法的鲁棒性。这两种反演算法能给出某区域海水的吸收系数和后向 散射系数，但研究海洋光学传输特性还需要掌握其总的散射特性。

发明内容

如何准确评估海水中激光的传输衰减特性是信道研究的关键，本发明提供一种基于遥感 反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法，这种方法是针对不同海域的水质情况得到对应的 吸收系数和后向散射系数，这样使求得的不同波长下的吸收系数和后向散射系数更加的准确， 而且该方法针对不同的海域还给出了不同的求解散射系数的模型，这提升了求解光衰减系数 的完整性和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

根据不同的海水类型将QAA_v5算法与QAA-RGR算法应用到不同的海域，并针对不同 的海域使用不同的散射模型，以此建立遥感反射率与光衰减系数之间的联系。

一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法，包括：

一、根据卫星提供的遥感反射率得到海水表面下任意波长的遥感反射率以及得到遥感反 射率与固有光学量之间的关系；

二、针对清澈的海水和较为清澈的沿海海水使用QAA_v5算法得到任意波长下的吸收系 数和后向散射系数；针对浑浊的沿海海水使用QAA-RGR算法得到任意波长下的吸收系数和 后向散射系数；

三、针对不同的海域使用不同求解散射系数的模型：

计算东海或者黄海海域的散射系数，利用2006年宋庆军通过航站定点测量方式对多种海 区的水体固有光学量测量数据进行分析，拟合得出后向散射系数与散射系数的关系：国家卫 星海洋应用服务(National Satellite Ocean Application Service，简称NSOAS)模型，利用NSOAS 模型反演得到东海或者黄海海域海水散射系数；

计算渤海海域的散射系数，利用2007年顾艳镇等人通过实地测量拟合得到的后向散射系 数与散射系数的关系，得到渤海海域的散射系数；

计算其他海域或者大洋的散射系数，利用2002年Vladimir I.Haltrin等人在新泽西海岸通 过航测得到875个角散射系数，进而得出其他海域或者大洋后向散射系数与散射系数的关系， 得到其他海域或者大洋的散射系数；

四、吸收系数和散射系数相加即可得到全球海洋光学衰减系数。

上述基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法，包括如下步骤：

步骤1)，通过卫星遥感数据反演得到海水表面下的遥感反射率r

r

其中，R

公式(2)中，u(λ)表示波长为λ的吸收系数和后向散射系数的比率函数，a(λ)表示波长为λ时 的总吸收系数，b

步骤2)，针对清澈海水和较为清澈的沿海海水、针对浑浊的沿海海水采用不同的求解吸 收系数和后向散射系数的方法：

步骤2-1)，针对清澈海水和较为清澈的沿海海水使用改进的QAA_v5算法，求得

其中λ

步骤2-1-1)，将MODIS在波长为555nm的遥感数据代入公式(1)计算得出555nm波长的水下遥感反射率r

由公式(5)，通过计算得出清澈海水和较为清澈的沿海海水所有波段的后向散射系数b

b

步骤2-1-2)，通过将b

步骤2-2)，针对浑浊的沿海海水使用QAA-RGR算法：

由步骤1)可知，根据卫星遥感数据反演得到海水表面下的遥感反射率r

采用国际海洋颜色协调小组(International Ocean-Colour CoordinatingGroup，简称IOCCG) 提出的数据集拟合分析方法，通过线性拟合得出波长为555nm的浑浊的沿海海水吸收系数 a

a

其中λ

步骤2-2-1)，由公式(1)-(2)可得出555nm波长的后向散射系数，进而可以计算得出浑浊的 沿海海水所有波段的后向散射系数b

其中Y表征浑浊的沿海海水后向散射系数b

步骤2-2-2)，如果其他波段的遥感反射率R

步骤3)，得到不同海域的总散射系数b(λ)：

需要得到东海或者黄海海域的散射系数，通过在航站定点测量的方式对东海和黄海的水 体固有光学量测量数据进行分析，拟合得出清澈海水和较为清澈的沿海海水的后向散射系数 b

公式(12)这一关系式是通过对黄海和东海海域的散射系数数据拟合得出，称为国家卫 星海洋应用服务(National Satellite Ocean Application Service，简称NSOAS)模型，关系式中 的系数0.0142与仪器HS6数据校正所得的系数接近；

需要得到渤海海域的散射系数，通过拟合得到浑浊的沿海海水的后向散射系数b

第1类：在黄河口外海断面的后向散射系数与散射系数之间的关系：

第2类：在渤海湾、辽东湾和秦皇岛断面的后向散射系数与散射系数的之间的关系：

其中b

需要得到其他海域或者大洋的散射系数，通过在新泽西海岸航测得到875个角散射系数， 进而得出清澈海水和较为清澈的沿海海水的后向散射系数b

其中0.0012m

步骤4)，根据公式(16)得到全球海洋光学衰减系数：

c(λ)＝a(λ)+b(λ) (16)

其中a(λ)表示波长为λ时的总吸收系数，b(λ)表示波长为λ时的总散射系数，c(λ)表示 波长为λ时的总衰减系数；

步骤2-1)中得到清澈海水和较为清澈的沿海海水的吸收系数a

清澈海水和较为清澈的沿海海水的吸收系数a

步骤2-2)中得到浑浊的沿海海水的吸收系数a

本发明的优点或有益效果：

(1)本发明对全球海域进行了划分，针对清澈的海水和较为清澈的沿海海水使用QAA_v5算法得到对应的吸收系数和后向散射系数，而针对较为浑浊的沿海海水则使用QAA-RGR算法得到对应的吸收系数和后向散射系数，这样的划分使得吸收系数和后向散射系数更加的准确；

(2)本发明针对不同的海域给出了不同的求解散射系数的模型，提升了求解光衰减系数 的完整性和可靠性；

(3)本发明提出的方法能够直接由卫星提供的数据解算得到各海域激光的传输衰减特 性，并动态地监视全球海洋光学衰减系数变化规律，对动态分析和了解我国全球海水光学特 性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明内容作详细描述，所述实施例的实例在附图中示出， 且附图中描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例：

下面参考附图来说明本发明实施例提出的一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系 数的方法。

由于全球海洋遥感数据量大，本实施例以2022年1月1日南海海域内经度为120.59°， 纬度为38.64°，波长为488nm的遥感数据、东海海域内经度为130.08°，纬度为29.763°， 波长为488nm的遥感数据、渤海海域内经度为105.14°，纬度为7.13°，波长为488nm的遥 感数据为例对实施步骤进行展开说明。

如图1所示，一种基于遥感反射率反演全球海洋光学衰减系数的方法，包括如下步骤： 步骤(1)，通过已知的时间、经纬度还有波长即可得到对应条件下卫星提供的遥感反射率 R

然后代入公式(1)即可反演得到不同海域海表面下波长为488nm的遥感反射率，其中计算 求得的南海海域海表面下的遥感反射率为r

反演海水表面下遥感反射率的公式如下：

r

发表于《地球物理研究杂志》(Journal of geophysical research)1988年9月，第93卷， 第10909-10924页，Gordon著作的“海洋颜色的半解析辐射模型”(A semianalyticradiance model of ocean color)，以及发表于《应用光学》(APPLIED OPTICS)1998年9月，第37卷，第27 期，Lee等人著作的“浅水高光谱遥感：2.通过优化推导海底深度和水特性”(Hyperspectral remote sensing for shallow waters:2.Deriving bottom depths andwater properties by optimization)中，通过代数计算建立了r

将计算得到的r

步骤(2)，根据发表于Elsevier出版社，1976年，《光学海洋学》(OpticalOceanography) 第二次修订版，由Jerlov著作的“海洋光学”(Marine Optics)中记载，南海属于清澈海水类 型、东海属于较为清澈的沿海海水类型、渤海属于浑浊的沿海海水类型，针对不同的海域类 型采用不同的求解吸收系数和后向散射系数的方法：

步骤(2-1)，针对清澈海水和较为清澈的沿海海水使用QAA_v5算法，即南海和东海海 域使用QAA_v5算法来进行求解：

公式(3)中λ

由步骤(1)可反演得到这四个波长的海表面下的遥感反射率r

其中r

步骤(2-1-1)，将求得的r

将r

Morel测量得到的各个波长下纯水的后向散射系数，见发表于Acad出版社，1974年，Morel 等人著作的《纯净水和纯净海水的光学特性》(Optical properties of purewater and pure sea water)，第1-24页；

步骤(2-1-2)，根据Morel等人著作的《纯净水和纯净海水的光学特性》(Opticalproperties of pure water and pure sea water)测量得到各个波长下纯水的后向散射系数，其中b

通过将b

步骤(2-2)，针对浑浊的沿海海水使用QAA-RGR算法，即渤海使用QAA-RGR算法来进行求解：

由步骤1)可知，根据卫星遥感数据反演得到海水表面下的遥感反射率r

发表于《光学快报》(OPTICS EXPRESS)2015年6月，第23卷，第11期，陈树果等人 著作的“基于QAA的MODIS陆带数据反演东海IOP算法评估”(Evaluation of a QAA-basedalgorithm using MODIS land bands data for retrieval of IOPs in the EasternChina Seas)，采用 IOCCG数据集拟合分析方法，发现总吸收系数a

a

步骤(2-2-1)，由公式(1)-(2)可得出555nm波长的后向散射系数b

其中Y表征浑浊的沿海海水后向散射系数b

由于b

步骤(2-2-2)，将b

步骤(3)，得到不同海域的总散射系数b(λ)：

由步骤(2-1-2)求得东海海域的后向散射系数b

公式(12)这一关系式是通过对黄海和东海海域的散射系数数据拟合得出，称为NSOAS 模型，公式(12)是发表于《中国海洋大学学报》2006年7月，第28卷，第4期，由宋庆 军等人著作的“黄海、东海海区水体散射特性研究”，在航站定点测量拟合得出后向散射系数b

由步骤(2-2-1)求得的渤海海域的后向散射系数b

第1类：在黄河口外海断面的后向散射系数与散射系数之间的关系：

第2类：在渤海湾、辽东湾和秦皇岛断面的后向散射系数与散射系数的之间的关系：

其中b

公式(14)是发表于《中国海洋大学学报》2007年12月，第37卷，增刊II，顾艳镇等人著作的“渤海海区颗粒物的后向散射系数和光束散射系数统计关系研究”，通过实地测量拟 合得出散射系数b

渤海海域纯水的后向散射系数b

由步骤(2-1-2)求得南海海域的后向散射系数b

计算得到南海海域488nm波段的散射系数b

公式(15)登载于《美国海洋、大气和航天部纳沃尔研究办公室》(the Office ofNawal Research,Ocean,Atmosphare,and Space Department,USA)编制2002年11月，第94页，由 Vladimir I.Haltrin等人著作的“由光散射相位函数的新测量值导出的后向散射系数与光束散 射系数之间的关系”(Relationship between backscattering and beamscattering coefficients derived from new measurements of light scatteringphase functions)；

步骤(4)，步骤(2-1)或者步骤(2-2)中得到不同海域波长为488nm的吸收系数a

c(λ)＝a(λ)+b(λ) (16)

得到不同海域波长为488nm的光衰减系数：c

数据获取方法包括但不限于海洋观测网站，本实施例以MODIS海洋观测网为例，获取 全球海域2022年1月份的卫星遥感数据，首先将遥感数据代入步骤(1)即可得到不同海域 各个波长下海表面下的遥感反射率以及与吸收系数、后向散射系数有关的比率值。然后将得 到的海表面下的遥感反射率和比率值带入步骤(2-1)或者步骤(2-2)可得到不同海域、不 同水质情况下各个波长的吸收系数和后向散射系数，将步骤(2-1)或步骤(2-2)中得到的 各个波长下的后向散射系数带入到步骤(3)即可得到不同海域下的各个波长下的散射系数， 最后将步骤(2-1)或步骤(2-2)中计算得到的吸收系数与步骤(3)中得到的散射系数带入 到步骤(4)就得到不同海域各个波长下的光学衰减系数。

以上公开的本发明的优选实施例，只是帮助阐述本发明，不限制本发明仅为所述的具体 实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述 这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能 很好地理解和利用本发明。