太湖梅梁湾下行漫射衰减系数的特征分析

水体下行漫射衰减系数(Kd)不仅反映了水质的信息,而且是生物-光学模型中的关键参数,因而受到了广泛的关注.本文基于太湖梅梁湾水下光场的数据,分析了不同波长Kd的波动性随水深的变化特征,结果表明:由于水体表面波的作用,在60cm以上,Kd随深度呈现较强烈的震荡现象,而到60cm以下,随着光子的行程增大,介质散射对光场的改变趋于明显,造成该震荡幅度减弱,趋于稳定状态,甚至呈现出光场的渐进态特征.且在0-60cm的区域,下行漫射衰减系数的波动程度与水体的吸收特性呈现明显的线性相关,即水体的吸收作用突显了表面波的效应.该水体中非藻类颗粒物和黄质具有对短波光强烈吸收的特性,减弱了介质散射使光场漫射比例提高的作用,加强了表面波对水下光场的扰动作用,使得相对长波而言,短波的Kd随水深呈现出相对较大的震荡现象.     

卫星遥感大气订正的参数化模式及其模拟应用

发展了一个用于卫星大气订正的参数化模式,包括一个新的程辐射亮度模式和一个参数化的朗伯地表一大气辐射耦合引起的亮度增量模式.应用最小二乘法,程辐射亮度被参数化为大气总光学厚度、一次散射反照率、太阳天顶角、视天顶角、方位角、大气不对称因子的函数.应用这一参数化的亮度模式进行大气订正应用的数值模拟,即进行卫星遥感地表光谱反照率的模拟试验.数值检验结果表明对于865 nm,670nm,550nm和412nm 4个MODIS通道,在0°-70°的太阳天顶角、0°-60°视观测角以及0.05-0.8的地表反照率条件下,参数化的向上辐射亮度的标准差小于4%,由该参数化亮度模式引起的地表反照率解的标准差小于0.03.     

太湖梅梁湾下行漫衰减系数的Monte Carlo模拟及分析

漫衰减系数常用于计算水体浑浊度和划分水体等级,是水中生物进行光合作用等生态过程中的重要参数。本文假设水体固有光学特性(IOPs)不随垂直剖面变化,水体表面为镜面。通过Monte Carlo方法模拟追踪光子在水中的运动过程,统计大量光子在不同深度上的能量分布,计算出下行漫衰减系数Kd值。结果表明:在450 nm,550 nm和650 nm波长处模拟的Kd值基本上小于实测Kd值,对应后向散射概率为3%的散射相函数模拟的相对误差最小,适合用于构建太湖水体的Kd值反演模型。进一步分析入射天顶角、b/a值对Kd值变化的影响,结果发现:在b/a较大的情况下,散射相函数成为影响Kd值变化的主要因素。当b/a值大于9时,入射天顶角从10°变化到80°时,Kd值的变化率小于10%,可忽略入射天顶角的变化对Kd值的影响。利用单一散射相函数模拟不同波长处的Kd值,发现悬浮颗粒物浓度较高且以无机颗粒物为主体时,450—550 nm内模拟值大于实测值,550—650 nm内则相反,说明随着波长的增加,水体中颗粒物的散射呈现出前向散射减弱、后向散射增强的变化趋势。在反演不同波长处的Kd值时需考虑到散射相函数的光谱变化所造成的误差。     

偏振激光雷达探测大气—水体光学参数廓线

激光雷达在上层水体垂直廓线的遥感中展现出巨大优势。本文研制了一套高垂直分辨率的实时探测偏振激光雷达,提出了一种基于偏振激光雷达回波信号的反演算法,采用Fernald理论和多次散射原理反演非均匀大气—水体的衰减和退偏光学产品,以高效稳定地处理偏振激光雷达实验数据。展示了一个中国内陆水体激光雷达探测实例,观测到了两次气溶胶积聚现象和一次水体浑浊现象。对实验数据的分析表明,退偏比主要由前向多次散射和后向单次散射产生的退偏两部分组成。当多次散射强度较大时,退偏比的变化主要取决于多次前向散射退偏;反之,则主要依赖于单次后向散射退偏。     

海洋激光雷达反演水体光学参数

研制了一套船载海洋激光雷达,用于探测海水光学参数垂直廓线。2017年8月,该系统在黄海海域进行了实验测量。在准单次散射模型中引入原位测量的光学参数,实现了理想激光雷达回波信号的模拟,并将该理想信号与系统响应函数卷积后精确复现了实验的激光雷达信号。采用Fernald后向迭代积分法(简称Fernald法),比较了不同水体悬浮物激光雷达比下反演的激光雷达衰减系数α与原位漫射衰减系数Kd的差别。基于停航时标定的水体悬浮物激光雷达比,采用Fernald法获得了走航时的激光雷达衰减系数。进一步地,提出一种基于米散射激光雷达数据和原位测量的后向散射数据的融合算法,模拟了高光谱分辨率激光雷达(HSRL)反演α的过程,并将其与Fernald法进行了比较。实验结果表明,自研的海洋激光雷达能够有效探测海水光学参数,基于合适的水体悬浮物激光雷达比的Fernald法可以有效应用于米散射激光雷达的反演,未来无需假设的HSRL在海水光学参数探测领域具有更大的优势。     

太湖遥感反射率变化特征及其影响因素分析

基于2010年10月4-8日在太湖全湖范围32个样点的水体光学参数和理论数值模拟结果,研究了太阳天顶角θ、散射系数和吸收系数的比值b/a及表征光场分布的参数Q对太湖遥感反射率变化的影响.结果表明,遥感反射率随θ的增大而增大,且当θ较小(0.～20.)或较大(80.～89.)时,其变化对遥感反射率增幅的影响较小;当b/a...     

UHV/VHF波段SAR对次地表层土壤湿度探测与反演

首先采用一层非球形粒子植被模型,计算各波段矢量辐射传输方程Mueller矩阵一阶散射解,对比微扰法所得各波段地表粗糙面直接后向散射解,结果证明L波段植被层的散射对观测结果仍有影响,与下垫土壤粗糙表面的散射不易分离.因此,宜采用更低频率的UHF和VHF波段,对地表和次地表层能有较大的渗透深度,并可忽略植被层影响.接着,运用矢量辐射传输的3层土壤全极化Mueller矩阵解,计算UHF/VHF波段分层土壤的散射与传输,分析该两波段探测深度的差异,证实UHF波段可探测大致10-60cm深处的土壤湿度,而VHF波段探测深度能更大一些.根据第3层中土壤体湿度变化0.1时能否引起土壤表面观测的后向散射系数变化0.1dB这一判据,分析VHF波段反演第3层土壤体湿度的必要条件,证实当第2层的体湿度较小时(<0.25)才能反演层3的体温度.基于UHF/VHF两波段探测深度的差异,耗散土壤层的贡献有不同的权重,先后采用UHF和VHF,迭代法实现3层土壤湿度廓线反演.误差分析表明,该方法是有意义的.     

全天空偏振模式及其影响因素初探

太阳光入射与地表、大气相互作用,会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图,即以太阳为中心,天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型,以海洋下垫面为例,在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上,模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明,天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度,而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型,系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图,结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在,但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。     

卫星观测方位对遥感成像的影响

光学卫星成像主要是通过传感器接收地表对太阳入射光线的反射、地表辐射和大气散射等能量,形成影像数据。卫星侧视成像时,太阳与卫星之间的位置关系随日期、地理位置和地方时变化,当条件适当时,两者处于对称关系,从地面上看类似镜面反射状态。此时,由于地表的非朗伯性,就使卫星接收的反射能量偏高,造成接收得到的图像亮度高于正常水平,甚至过饱和而不可用。本文以SPOT卫星为例,从卫星的观测方位和太阳的照射方位入手,讨论卫星观测方位对遥感成像质量的影响。经分析,每年5—9月期间,在北纬32°—45°地区,当SPOT卫星以较大的侧视角向左侧成像时,卫星观测方向和太阳入射方向在成像区投影共线并且太阳的高度角与卫星的高度角近似相等的可能性很大,从而影响卫星成像的质量。     

双频共面合成孔径雷达海面风场反演

根据L/C双频共面SAR能够获取同一海域双波段电磁波后向散射系数,得到更多海洋目标特征信息的电磁散射特点,结合地球物理模型函数研究了一种新的SAR海面风场反演方法。利用L/C双频共面SAR的L和C两个波段的地球物理模型函数和后向散射系数等信息,通过地球物理模型函数联立以及构建和求解最小代价函数,直接从SAR数据本身获取海面风场信息,并借助辅助数据去除了风向的180°模糊,从而实现海面风场反演。仿真分析和海上机载同步飞行试验的研究结果表明,该方法可直接利用SAR数据本身获取精度较高的海面风速、风向;绝对辐射定标精度是决定海面风场反演精度的关键因素,海面风场反演误差随定标精度提高而减小;随着海面风速的增大,风速反演误差逐渐增大。论文提出的双频共面SAR海面风场反演方法解决了传统单波段单极化SAR海面风场反演存在的固有问题,机载同步飞行试验的海面风速和风向反演结果与调查船观测值的均方根误差分别为0.93 m/s和19.39°,可为星载SAR海面风场反演业务化和载荷研制提供支持。     

利用AMSR-E数据反演华北平原冬小麦单散射反照率

首先,基于冬小麦不同生育期的地面实测参数,构建了组成冬小麦冠层的、包括不同尺寸和含水量的介电散射体模拟数据库,并在此基础上建立冬小麦单散射反照率和光学厚度分别在C(6.925 GHz)和X(10.65 GHz)波段之间的依赖关系。然后,根据一阶参数化模型推导得到的微波植被指数MVIs(Microwave Vegetation Indices)的物理表达式,结合AMSR-E被动微波亮温数据,反演了华北平原地区冬小麦不同生育期的单散射反照率。与MODIS日归一化差异植被指数NDVI的对比结果显示:冬小麦单散射反照率与NDVI随时间的变化趋势大致相同,但在冬小麦的抽穗期到乳熟期,NDVI呈现饱和趋势,而单散射反照率对小麦的生长变化仍旧比较敏感,在指示冬小麦生长方面具有一定优势。     

成象光谱图象光谱吸收鉴别模型与矿物填图研究

本文提出了一种光谱吸收鉴别模型，拟通过矿物光谱吸收特征的鉴别，在成象光谱上实现矿物直接识别与填图。该模型的核心是光谱吸收指数技术（ＳＡＩ）。从理论上探讨了ＳＡＩ的本质，应用Ｈａｐｋｅ光谱模型讨论了ＳＡＩ与光谱吸收系数（ｄ）以及单散射反照率（ｗ）之间的函数关系，并从成象光谱图象辐射信息传递过程分析了图象ＳＡＩ与光谱吸收深度的关系，而光谱吸收深度与岩石矿物成分含量之间具有定量关系，这显示了ＳＡＩ提取矿物定量遥感信息能力。ＳＡＩ已经成功地应用于ＦＩＭＳ、ＭＡＩＳ和ＧＥＲＩＳ图象处理与矿物填图，本文通过哈图、塔里木、以及澳大利亚松谷的实例研究，表明ＳＡＩ是一种有效的提取矿物类型与丰度信息的方法。     

植被的微波散射与吸收特征

被动微波遥感中大尺度像元内植被种类多种多样并且分布不均匀，较低频率下像元尺度内的植被影响可以根据单个散射体的散射与衰减特性获得。本文讨论了任意朝向的各类植被散射体的计算问题。其中叶片和针叶的散射采用了一般化Rayleigh-Gans计算；杆的散射采用了无限长近似理论。关于各类散射体的衰减，本文比较了散射系数和吸收系数之和，与前向散射定理的结果，并对前向定理的适用性进行了讨论。     

Optical classification of waters in the eastern arabian sea

The optical properties in a non-spectral mode covering Photosynthetically Active Radiation (PAR) was estimated in the Arabian Sea in the west coast of India. The attenuation coefficients, light transmittance and K/c ratio were found useful for classification of water bodies in the coastal and offshore region. High values of turbidity and Chlorophyll-a in coastal waters associated with comparatively higher values of diffusive attenuation coefficients for upwelling and downwelling irradiances. On the basis of attenuation coefficients and K/c ratio derived from upwelling and downwelling irradiances, the water bodies were classified as defincd by Jerlov (1976). The coastal waters are classified under Jerlov water types of 3 to 9, whereas those of offshore are falling under the categories Ia, Ib and II.     

植被层对被动微波遥感土壤水分反演影响的研究

在很多对土壤水分被动微波遥感的研究中 ,为简单起见 ,覆盖的植被层使用了一种简单的模型来表征其散射和衰减特性。本文中使用了一种基于辐射传输理论的离散模型来研究植被的发射率、传输率。这种方法可以更加真实地刻划组成植被的散射个体如叶、茎、树枝、树干等对这两个参数的影响 ,因而能更准确地描述植被对下垫面的影响。为了减少土壤水分反演算法中未知量的数目 ,该文给出了这两个参数的模拟结果分别在AMSR E三种不同频率下的简单关系。     

Analytical derivation of the vegetation optical depth from the microwave polarization difference index

A numerical solution for the canopy optical depth in an existing microwave-based land surface parameter retrieval model is presented. The optical depth is derived from the microwave polarization difference index and the dielectric constant of the soil. The original procedure used an approximation in the form of a logarithmic decay function to define this relationship and was derived through a series of lengthy polynomials. These polynomials had to be recalculated when the scattering albedo or antenna incidence angle changes. The new procedure is computationally more efficient and accurate.     

Surface albedo from the geostationary Communication,Ocean and Meteorological Satellite (COMS)/Meteorological Imager (MI) observation system

The surface albedo is an essential climate variable that is considered in many applications used for predicting climate and understanding the mechanisms of climate change. In this study, surface albedo was estimated using a bidirectional reflectance distribution function model based on Communication, Ocean and Meteorological Satellite/Meteorological Imager data. Geostationary orbiting satellite data are suitable for a level 2 product like albedo, which requires a synthetic process to estimate. The authors modified established methods to consider the geometry of the solar-surface-sensor of COMS/MI. Of note, the viewing zenith angle term was removed from the kernel integration used for estimating spectral albedo. Finally, the spectral (narrow) albedo was converted into the broadband albedo with shortwave length (approximately 0.3–2.5 μm). This study determined conversion coefficients using only one spectral albedo of visible channel. The estimated albedo had a relatively high correlation with Satellite Pour l’Observation de la Terre/Vegetation and low unweighted error values specific for land types or times. The validation results show that estimated albedo has a root mean square error of 0.0134 at Jeju flux site that indicates accuracy similar to that of other satellite-based products.