一種后向散射系數(shù)線性約束的水體固有光學(xué)量反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境遙感和水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種適用于內(nèi)陸渾濁水體固有 光學(xué)量反演的基于后向散射系數(shù)線性約束反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水體的光學(xué)特性對(duì)水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要的指示作用，其中水體固有光 學(xué)量是最重要的參數(shù)之一，固有光學(xué)量對(duì)于水體中的葉綠素、浮游植物、總懸浮物、可溶性 有機(jī)物等水質(zhì)參數(shù)含量反演具有重要意義，W此可W滿足日益增長(zhǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求。
[0003]目前水體固有光學(xué)量的反演方法包括經(jīng)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法、半分析方法和分析 方法。由于經(jīng)驗(yàn)方法僅采用了簡(jiǎn)單的回歸建立表觀光學(xué)量和固有光學(xué)量的關(guān)系，魯棒性較 差，而基于福射傳輸理論的反演方法具有更好的適用性?；贕ordon等提出的海洋固有光 學(xué)量半分析模型，目前學(xué)者提出了眾多的方法并得到了應(yīng)用，包括線性矩陣反演方法，中分 辨率光譜儀適用的半分析算法，GSM算法，半分析算法，在分析方法方面目前應(yīng)用最為廣泛 的是LeeZP等提出的QAA算法，目前最新版本為QAA_v6版本。
[0004]雖然固有光學(xué)量反演取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是目前絕大多數(shù)固有光學(xué)量反演方法針 對(duì)大洋I類水體或近海岸的II類水體，運(yùn)兩類水體的固有光學(xué)量已存在較大的差距。受到水 體組成、深度、流速等影響內(nèi)陸混濁水體的固有光學(xué)量更為復(fù)雜多變，針對(duì)內(nèi)陸混濁水體的 有效反演方法較少。目前應(yīng)用的主要為一些改進(jìn)的分析方法，包括一系列改進(jìn)的QAA算法， IIMIW算法。運(yùn)些算法盡管在內(nèi)陸渾濁水體的固有光學(xué)量、總懸浮物和葉綠素含量估算中 得到了一定應(yīng)用，但是算法中某些假設(shè)條件還是無法適應(yīng)內(nèi)陸混濁水體復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)情 況。因此，還需要假設(shè)條件更少，適應(yīng)性更強(qiáng)的內(nèi)陸渾濁水體固有光學(xué)量反演算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明所要解決的問題是:提供一種適用于內(nèi)陸渾濁水體固有光學(xué)量反演的基于 后向散射系數(shù)線性約束反演方法。
[0006]本發(fā)明包括W下步驟：
[0007] (1)計(jì)算水下反射率。
[0008] (2)計(jì)算單次發(fā)射率。
[0009](3)計(jì)算參考波段700-850nm顆粒吸收系數(shù)的最優(yōu)值。
[0010] (4)計(jì)算700-850nm波段每個(gè)波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)
[0011] (5)計(jì)算顆粒后向散射系數(shù)估算模型中的X系數(shù)和Y系數(shù)。
[0012] (6)計(jì)算所有波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)。
[0013](7)計(jì)算所有波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)。
[0014]針對(duì)每個(gè)步驟展開詳細(xì)描述如下：
[0015]1計(jì)算水下反射率。首先進(jìn)行離水反射率校正，減掉離水反射率中水面反射部分， 然后再計(jì)算水下反射率。
[0016] 1.1離水反射率校正，計(jì)算在400-900nm波段水體的內(nèi)部反射率，計(jì)算公式為：
[0017] =穴,、α) -穴,,(1600-1700)
[0018] 其中，λ為波長(zhǎng)，上標(biāo)C代表校正后，下標(biāo)rs代表遙感，rμ)為波長(zhǎng)λ處校正后的離 水反射率，即水體內(nèi)部反射率，Rrs(λ)為波長(zhǎng)λ處的實(shí)測(cè)罔水反射率，Rrs( 1600-1700)為水體 在為1600-1700nm波段的平均離水反射率。
[0019] 1.2計(jì)算水下反射率，計(jì)算公式為：
[0020]
[0021] 其中，rrs(A)為波長(zhǎng)λ處的水下遙感反射率，rμ)為步驟1.1的輸出結(jié)果。
[0022] 2:計(jì)算單次發(fā)射率，計(jì)算公式為：
[0023]
go= 0.084，gi= 0.17
[0024] 其中，μ(λ)為波長(zhǎng)λ處的單次發(fā)射率，go和gi代表計(jì)算系數(shù)，。3(λ)為步驟1.2計(jì)算 后波長(zhǎng)λ處的水下遙感反射率
[0025] 3:計(jì)算參考波段700-850nm顆粒吸收系數(shù)的最優(yōu)值。
[0026] 3.1設(shè)定顆粒吸收系數(shù)(apr)的初始值，apr,j= 0，j= 0;下標(biāo)pr是顆粒物的縮寫，下 標(biāo)j為循環(huán)變量，j^ 〇,〇代表初始次。
[0027] 3.2計(jì)算700-850nm波段內(nèi)每個(gè)波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)。計(jì)算方法為 [002引
[0029]其中，λτ,1為參考波段700-850nm波段內(nèi)離散化后第i個(gè)波長(zhǎng)，下標(biāo)r是參考波段的 標(biāo)記，下標(biāo)i為計(jì)數(shù);bbp(Ar,i)為λτ,ι處的顆粒后向散射系數(shù)，下標(biāo)bp是顆粒物后向散射的標(biāo) 記;μ(λτ,ι)為處的單次發(fā)射率;aw(Ar,i)為λτ,ι處的純水吸收系數(shù)，下標(biāo)W是純水的標(biāo)記； apr,功解算的第j個(gè)顆粒吸收系數(shù)值;bbwar,i)為處的純水后向散射系數(shù)，下標(biāo)bw是純水 后向散射的標(biāo)記。
[0030] 3.3用最小二乘法對(duì)顆粒后向散射系數(shù)進(jìn)行擬合，并計(jì)算線性擬合誤差。計(jì)算方法 為
[0031]
[0032]其中，為第j個(gè)顆粒吸收系數(shù)值下的線性擬合誤差;N為700-850nm波長(zhǎng)內(nèi)波段 數(shù)量;λr,l為參考波段700-850nm波段內(nèi)離散化后第i個(gè)波長(zhǎng);bbp(λr,l)為步驟3.2計(jì)算獲得的 λτ,ι處的顆粒后向散射系數(shù)；聳,和4;為第j個(gè)顆粒吸收系數(shù)值下的兩個(gè)直線擬合系數(shù)，兩 個(gè)系數(shù)計(jì)算方法分別為：
[0035] 其中，I為700-85化m波長(zhǎng)內(nèi)N個(gè)波段均值；為顆粒后向散射系數(shù)均值，運(yùn)兩個(gè) 參數(shù)計(jì)算方法為：
[003引3.4判斷ε堤否為最小。如果最小，則終止循環(huán)，此時(shí)為，作為最終的顆粒吸收系 數(shù)，計(jì)算過程結(jié)束；其他情況下，j=j+1，apr, j+i = apr, j+Aapr( Aapr =0.0001)，Aapr為顆粒 吸收系數(shù)的增加量，繼續(xù)執(zhí)行3.2到3.4。
[0039] 4:計(jì)算700-850nm波段每個(gè)波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)，計(jì)算公式為：
[0040]
[0041] 其中，Ar,i為參考波段700-850nm波段內(nèi)離散化后第i個(gè)波長(zhǎng)，下標(biāo)r是參考波段的 標(biāo)記，下標(biāo)功計(jì)數(shù);bbp(Ar,i)為λτ,ι處的顆粒后向散射系數(shù)，下標(biāo)bp是顆粒物后向散射的標(biāo) 記;μ(λτ,ι)為處的單次發(fā)射率;aw(Ar,i)為λτ,ι處的純水吸收系數(shù)，下標(biāo)W是純水的標(biāo)記； 為為最終的顆粒吸收系數(shù)值;bbw(λτ,i)為λτ,i處的純水后向散射系數(shù)，下標(biāo)bw是純水后向 散射的標(biāo)記。
[0042] 5:計(jì)算顆粒后向散射系數(shù)估算模型中的Y系數(shù)和X系數(shù)，Y系數(shù)和X系數(shù)為該估算模 型的常數(shù)，Y系數(shù)計(jì)算公式為
[0043]
[0044] 其中，波長(zhǎng)取值范圍為700-850皿，N為700-850皿波長(zhǎng)內(nèi)波段數(shù)量;Vr,i為λτ,i的對(duì) 數(shù)變換值;?Αρ(λτ,ι)為bbpar,i)的對(duì)數(shù)變換值；不為在700-850nm波段的均值，計(jì)算公 式為
自為顆粒后向散射系數(shù)對(duì)數(shù)變換后的均值，計(jì)算公式為
[004引X系數(shù)的計(jì)算方法為
[0046]
[0047]其中，e為自然常數(shù)；為顆粒后向散射系數(shù)對(duì)數(shù)變換后的均值；《為在700-850nm波段的均值。
[0048] 6:計(jì)算所有波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)，計(jì)算方法為：
[0049]
[0050] 其中，λ為波長(zhǎng);bbp(A)為波長(zhǎng)λ的顆粒后向散射系數(shù);X系數(shù)和Y系數(shù)為步驟5計(jì)算的 結(jié)果，
[0051 ] 7:計(jì)算所有波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)，計(jì)算方法為：
[0052]
[0053]其中，λ為波長(zhǎng);3(λ)為波長(zhǎng)λ的吸收系數(shù)，μ(λ)為步驟2計(jì)算的單次發(fā)射率;bbw(A) 為純水波長(zhǎng)λ的后向散射系數(shù);bbp(A)為步驟6計(jì)算的顆粒后向散射系數(shù)。
[0054]通過W上方法，本發(fā)明可W估算包括表面單次反射和表面間多次反射在內(nèi)的所有 貢獻(xiàn)量，同時(shí)也避免了復(fù)雜的面散射計(jì)算過程，可W有效避免因參考波長(zhǎng)反射率估算誤差 所引起的其他波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)估算誤差，本方法大幅度提高了渾濁水體固有光學(xué) 量的估算精度。
【附圖說明】
[0055]圖1是一種后向散射系數(shù)線性約束的水體固有光學(xué)量反演方法流程圖。
[0056]圖2是測(cè)量的水體離水反射率光譜曲線。
[0057]圖3是計(jì)算獲得的水下反射率結(jié)果。
[0058]圖4是計(jì)算獲得的單次反射率結(jié)果。
[0059]圖5是參考波段700-850nm顆粒吸收系數(shù)的計(jì)算最優(yōu)值結(jié)果圖。
[0060] 圖6是參考波段700-850nm每個(gè)波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)計(jì)算結(jié)果圖。
[0061] 圖7是每條數(shù)據(jù)計(jì)算的Y系數(shù)結(jié)果
[0062]圖8是每條數(shù)據(jù)計(jì)算的X系數(shù)結(jié)果
[0063]圖9是所有波長(zhǎng)的顆粒后向散射系數(shù)反演結(jié)果。
[0064]圖10是所有波長(zhǎng)的總吸收系數(shù)反演結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0065]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0066]圖1為一種后向散射系數(shù)線性約束的水體固有光學(xué)量反演方法的技術(shù)流程圖，根 據(jù)W上流程進(jìn)行了水體固有光學(xué)量反演。
[0067] (1)計(jì)算水下反射率。
[0068]圖2為外場(chǎng)實(shí)測(cè)的水體的離水反射率，波長(zhǎng)范圍為350-2500nm，共29個(gè)樣本曲線， 首先計(jì)算在400-900nm波段水體的內(nèi)部反射率，計(jì)算公式為：
[0069]
[0070] 其中，λ為波長(zhǎng)，上標(biāo)c代表校正后，下標(biāo)rs代表遙感，/?;、μ)為波長(zhǎng)λ處校正后的離 水反射率，即水體內(nèi)部反射率，Rrs(λ)為波長(zhǎng)λ處的實(shí)測(cè)罔水反射率，Rrs( 1600-1700)為水體 在為1600-1700nm波段的平均離水反射率。
[0071] 然后計(jì)算水下反射率，計(jì)算公式為：
[0072]
[0073] 其中，rrs(A)為波