基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

海洋水色卫星紫外波段的偏振特性分析

针对水色卫星遥感器的紫外波段,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型开展了355nm和385nm两个紫外波段大气顶(TOA)表观辐射的偏振特性分析。研究发现水色卫星紫外遥感器入瞳处光的偏振信号主要来源于大气分子散射,与仅考虑大气分子散射相比,气溶胶、水-气界面层和水体会减弱紫外遥感器入瞳处光的总偏振度(DOP)。在不同的大气顶观测方位下,上述两个波段紫外光的总偏振度变化范围在0%～70%之间。同水色卫星遥感器通常设置的412nm可见光波段相比,在同一条件下到达水色卫星紫外遥感器入瞳处的紫外光的偏振度变化不大。     

光栅色散型成像光谱仪的偏振校正方法研究

光栅色散型成像光谱仪工作在可见近红外波段,主要用于海洋水色遥感。仪器采用推扫式成像,共设置15个光谱通道,穿轨方向由1024个像元组成,总视场宽度为14.2°。成像仪的各光谱通道对入射光的偏振状态敏感,为了提高大气顶入瞳辐射的测量精度,需要了解仪器的偏振响应特性,包括偏振灵敏度和相位角。发射前搭建了偏振测试系统,测量仪器的偏振灵敏度和相位角,它们是光谱通道和视场像元的函数。其中980nm波段的偏振灵敏度最高,平均值约为4.69%,443nm波段的偏振灵敏度最低,平均值约为1.81%。随着视场的变化,灵敏度呈现中间低,两边高的变化规律。提出成像仪偏振响应校正方法,利用偏振状态已知的入射光进行实验验证,结果表明该方法可将成像光谱仪偏振响应引入的辐射测量不确定度降低1%~6%。     

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

航空偏振辐射计偏振精度验证及带外响应分析

为满足航空平台图像大气校正的应用需求,在可见近红外至短波红外波段,同时获取大气多谱段偏振辐射信息,研制了一种用于航空轻量化的偏振探测仪器,航空偏振辐射计。首先,对仪器进行系统描述与光学组件简介,并给出仪器的主要技术参数,其次为保证仪器数据的可用性与参数反演精度,仪器装调之后,在实验室进行绝对辐射定标及偏振测量精度验证。研究结果表明：航空偏振辐射计的绝对辐射定标不确定度优于2.51%,各偏振波段对0.2线偏振度目标的偏振测量精度优于0.16%。同时对490 nm波段偏振精度不理想的情况进行分析,并使用单色仪系统验证其受带外响应影响,通过对比实验验证,针对490 nm波段的偏振通道,去除带外响应影响后,其偏振精度从2.29%提升至0.06%。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

多角度偏振遥感相机DPC在轨偏振定标

为了做好卫星数据应用的技术储备,多角度偏振遥感相机DPC航空预研版已经研制成功并完成了航空飞行实验. DPC相机用于获取地气系统反射的偏振、多角度的太阳辐射信息,其地气物理参数反演依赖于定标的精度. 偏振相机的辐射定标包括强度和偏振两个方面. 本文研究偏振遥感相机的偏振参数的在轨定标原理与方法. 基于偏振遥感相机的设计原理,以相机的偏振辐射模型为基础,探索偏振定标的原理和方法. 使用DPC航空遥感实验数据,初步实现了在轨偏振定标并对定标结果进行了分析. 为将来我国自主星载偏振遥感数据处理和在轨偏振定标提供 关键词： 偏振定标 遥感 在轨定标 DPC     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

A vector radiative transfer model of coupled ocean-atmosphere system using matrix-operator method for rough sea-surface

A vector radiative transfer model termed PCOART has been developed for the coupled ocean-atmosphere system, using the matrix-operator (or adding-doubling) method, which considers the rough sea-surface. The theoretical formulations of the solution of the vector radiative transfer equation of the coupled ocean-atmosphere system, and the reflection-transmission matrices and internal radiation sources for rough sea surface are described. The model intercomparison is performed for several radiative transfer problems in the atmosphere and ocean, and the results show that PCOART can exactly predict the radiance fields for both flat and rough sea surface. Also, the polarizing remote sensing data from POLDER is used to test the capacity of PCOART to simulate the polarization radiance at the top-of-atmosphere, which shows that PCOART can perfectly reproduce the linear polarization reflectance measured by POLDER. PCOART can not only simulate the total radiance field in the coupled ocean-atmosphere system with wind-induced rough sea surface but also predict the polarization radiance field both in the atmosphere and in the ocean, which can serve as a good tool for the ocean optics and ocean color remote sensing communities.     

Investigation of atmospheric aerosols based on polarization measurements and scattering simulations

For an ongoing project involving ocean color and temperature scanner and polarization and directionary of the earth’s reflectance onboard the advanced earth observing satellite, the radiance and degree of polarization of atmospheric aerosols were measured with a portable photopolarimeter (FPR2000) at wavelengths of 0.559, 0.760 and 0.811 μm. The observations were undertaken over the ocean around Shikoku Island of Japan on clear days with few clouds in July, 1995. The measurements were compared with simulations of polarization fields. This work also describes retrieval algorithms for aerosols. It is shown that: (1) the radiance decreases with wavelength, (2) oceanic type aerosols are available to evaluate the degree of polarization over the Pacific Ocean, and (3) polarization data in the Seto Inland Sea are explained by a water-soluble aerosol model.     

杭州湾水体光谱高频观测及在悬浮物动态变化监测中的应用

现场光谱观测是水色遥感真实性检验的基础。传统基于航次站位观测获取的水体光谱数据少,难以满足快速变化的近岸水体遥感产品真实性检验的需求。为此,国际上开始发展水体光谱连续观测系统,但目前近岸水体光谱连续观测系统仍较少,特别是在高浊度、高动态的水体。针对该问题,在杭州湾建立了一套基于海上塔台的高浑浊水体光谱高频观测系统。该系统每3 min获取一次水体光谱数据,实现与过境卫星观测时间的匹配。本文重点开发了基于海上塔台特点的水体光谱高频观测数据的处理方法,实现了晴空、耀斑、阴影、弱光照等自动判别,并对处理结果进行了检验。结果表明,塔台观测获得的归一化离水辐亮度光谱与船测结果具有较高的一致性,相关系数大于0.99, 平均相对误差为9.96%。此外,对塔台水体高频观测系统的长期观测能力进行了评价,结果表明,尽管系统运行一年之久,系统与便携式地物光谱仪ASD同步观测获得的水体归一化离水辐亮度在谱形和数值上一致性均较好,相关系数大于0.90,平均相对误差为6.48%。同时,利用系统高频观测的水体光谱可有效监测悬浮物浓度随潮汐的快速动态变化。杭州湾塔台水体高频观测系统为进一步开展浑浊水体水色卫星遥感产品真实性检验提供了丰富的现场光谱数据,特别是高时间分辨率的静止轨道水色卫星遥感产品的真实性检验。     

水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。偏振信息是遥感数据空间、辐射、光谱信息之外的又一重要信息。对于光学遥感数据来说,偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力,其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射,从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用,使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体,要么面向室内人造光源条件下的模拟水体,鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜,实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱,定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性,以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时,采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好,推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。相比于传统的非偏振水面光谱测量方法,水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小,能够更精确的提取离水辐射。     

水中油对水体上行辐亮度光谱的影响

目前,学者主要关注利用遥感技术探测海面油膜。然而,经海洋物理过程或人为喷洒化学分散剂处理形成的水中油对海洋生境也具有危害作用。水体上行辐亮度是水色传感器的重要信号源,通过分析含油水体的上行辐亮度光谱特征,探索快速有效地遥测水中油的方法对保护海洋生境具有重要意义。基于大连港海域现场实测数据及Hydrolight模拟含油水体水下光场,通过分析上行辐亮度随波长、水深及太阳天顶角的变化特征,剖析水中油对上行辐亮度光谱的影响及水中油的敏感光谱特性。结果表明水中油的主要波谱响应区间位于可见光波段（380~760 nm）。随着水中油浓度的增加,上行辐亮度光谱峰值有逐渐向长波方向移动及蓝光波段辐亮度量值逐渐降低的趋势,这些变化处于水色遥感的探测光谱范畴,为利用水色遥感技术探测水中油提供了光谱依据。其次,上行辐亮度随水深逐级递减,并在接近水体下界面前不降反升的现象说明刚好在水面之上的上行辐亮度由各深度水体组分的后向散射及下界面的反射共同贡献,再经水汽界面上行透射而得,属于水体辐射传输的核心机理。这与水面油膜通过油类物质改变海表反射率而产生与自然海表不同反射光谱的探测机理具有本质上的差别。再者,与含水中油水体后向散射产生的上行辐亮度相比,海表对太阳光的反射属于强信号,会掩盖水体组分信息。水色卫星搭载的水色传感器具有一定的侧摆能力,能避开太阳辐射反射信号并接收到含水中油水体的上行辐亮度;水色卫星的当地过境时间一般为10至14点,且水色传感器具有高信噪比特征,满足含水中油水体的暗像元探测要求。该研究揭示了水色遥感探测含水中油水体的光谱和机理依据,表明可以视水中油为一种新的水体组分,基于光在水体中的辐射传输过程,开展含水中油水体的水色遥感反演研究。     

A vector radiative transfer model for coupled atmosphere and ocean systems with a rough interface

We report on an exact vector (polarized) radiative transfer (VRT) model for coupled atmosphere and ocean systems. This VRT model is based on the successive order of scattering (SOS) method, which virtually takes all the multiple scattering processes into account, including atmospheric scattering, oceanic scattering, reflection and transmission through the rough ocean surface. The isotropic Cox–Munk wave model is used to derive the ref and transmission matrices for the rough ocean surface. Shadowing effects are included by the shadowing function. We validated the SOS results by comparing them with those calculated by two independent codes based on the doubling/adding and Monte Carlo methods. Two error analyses related to the ocean color remote sensing are performed in the coupled atmosphere and ocean systems. One is the scalar error caused by ignoring the polarization in the whole system. The other is the error introduced by ignoring the polarization of the light transmitted through the ocean interface. Both errors are significant for the cases studied. This code fits for the next generation of ocean color study because it converges fast for absorbing medium as, for instance, ocean.     

Improving the description of sunglint for accurate prediction of remotely sensed radiances

The bidirectional reflection distribution function (BRDF) of the ocean is a critical boundary condition for radiative transfer calculations in the coupled atmosphere-ocean system. Existing models express the extent of the glint-contaminated region and its contribution to the radiance essentially as a function of the wind speed. An accurate treatment of the glint contribution and its propagation in the atmosphere would improve current correction schemes and hence rescue a significant portion of data presently discarded as “glint contaminated”. In current satellite imagery, a correction to the sensor-measured radiances is limited to the region at the edge of the glint, where the contribution is below a certain threshold. This correction assumes the sunglint radiance to be directly transmitted through the atmosphere. To quantify the error introduced by this approximation we employ a radiative transfer code that allows for a user-specified BRDF at the atmosphere-ocean interface and rigorously accounts for multiple scattering. We show that the errors incurred by ignoring multiple scattering are very significant and typically lie in the range 10-90%. Multiple reflections and shadowing at the surface can also be accounted for, and we illustrate the importance of such processes at grazing geometries.     

偏振在多角度遥感中的太阳耀光消除的应用

在进行水色遥感时,水面的镜面反射产生的太阳耀光,影响水体信息的提取和利用。以前的研究表明,当入射角为水体的布儒斯特角时,偏振可以消除太阳耀光,但是这种方法条件过于苛刻,现实中很难实现。针对这种情况,推导了自然光入射到水面后其反射光的偏振状态以及光线入射角与水体偏振度的关系。理论上证明了以非布儒斯特角入射时偏振消除太阳耀光的可能性,计算了从各个角度入射到纯净水体表面太阳耀光剥离的程度,实验验证了结论。     

Decoupling error for the atmospheric correction in ocean color remote sensing algorithms

This paper studies the decoupling error associated with the atmospheric correction procedures in the ocean color remote sensing algorithms. The decoupling error is caused by the lack of proper consideration of multiple scattering between the atmospheric and ocean components. In other words, the atmosphere and ocean are not coupled properly. A vector radiative transfer model for the coupled atmosphere and ocean (CAO) system based on the successive order of scattering (SOS) method is used to study the error. The inherent optical properties (IOPs) of the ocean are provided by the most updated bio-optical models. Two wavelengths are used in the study, 412 and 555 nm. For a detector located just above the ocean interface, the decoupling errors range from 0.3% to 7% at 412 nm; and from 0.3% to 3 % at 555 nm for zenith viewing angles smaller than 70°. The decoupling errors are significantly larger for larger zenith viewing angles for this detector. For a detector at the top of the atmosphere (TOA), it is hard to separate the decoupling error from the error introduced by the diffuse transmittance. If we assume the upwelling radiance is uniform just below the ocean surface when estimating the diffuse transmittance, the decoupling errors are from ?4% to 8% for zenith viewing angles smaller than 70°; and negative decoupling errors show up at mainly large zenith viewing angles.