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水面之上测量表观光谱的数据处理算法

1 观测几何

因为离水辐亮度Lw在天顶角0~400范围内变化不大,所以为避开太阳直射反射(Sunglint,Specular reflection),观测几何按以下方式设定:

测量海面辐亮度的仪器,简称海面辐亮度计;

测量天空光辐亮度的仪器,简称天空光辐亮度计;

测量太阳入射辐照度的仪器,简称辐照度计。

海面辐亮度计和天空光辐亮度计确定的观测平面称为仪器观测平面。

因此,仪器观测平面与太阳入射平面的夹角fv~135°;

海面辐亮度计与海面法线方向的夹角qv~40°;

天空光辐亮度计观测方向的天顶角与qv相同。

 

2 观测参数

2.1 海面入射辐照度(或海面向下辐照度)

符号Es或Ed(0+),0+表示水面以上。如果没有特指,即为总辐照度。

附注:辐照度定义

    单位投影面积的辐射通量。辐亮度的符号为E,单位为W/m2,如果是单位光谱波长上的,单位为W/m2 mm。海洋光学中常用单位为mW/ cm2 nm或mW/ cm2 mm 。

  …………………………………(22)

式中:E(l) ——波长为l的光谱辐照度;

  F(l) ——光谱辐射通量;

A ——面积,单位m2

2.2 海面辐亮度和天空光辐亮度

附注:辐亮度(辐射率)radiance定义

单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。辐亮度的符号为L,单位为W/m2sr,如果是单位光谱波长上的,单位为W/m2 mm sr。海洋光学中常用单位为mW/ cm2 nm sr或mW/ cm2 mm sr。

辐亮度具有方向性,因此也是方位角j和观测角q的函数。角度的参考坐标系为右手螺旋法则,z轴向上。

(23)

式中:L(l,j,q) ——波长l、方向为(j,q)的光谱辐射亮度;

 F(l) ——光谱辐射通亮;

    E(l)——光谱辐照度,单位是W/m2 mm;

   A ——面积,单位m2

 W ——立体角,单位sr。

3 推导参数

3.1 离水辐亮度(water-leaving radiance)

符号Lw ,含义为经水—气(water-air)界面反射和透射后的Lu(0),

(24)

其中:n——位水体折射系数,一般取1.34;                                                                                                                                                                                                                                              

rwa——水气界面的反射率,与海面粗糙度、入射角度有关。                                                                   

3.2遥感反射率(Remote sensing reflectance),符号Rrs,单位 sr-1

 

4 算法

4.1 第一步处理

每一测点的曲线至少大于10条以上,即天空光、海面辐亮度和太阳入射辐照度每个辐射计分别至少测量有10光谱曲线以上.

数据处理时,剔除的原则是:剔除所有数值较高的曲线,保留数值较低的曲线,然后进行平均。程序中具有选择、剔除和平均的功能。

4.2 计算公式

4.1处理后,剩下三条光谱,即天空光、海面辐亮度和太阳入射辐照度,

首先进行光谱波长插值,使三个光谱仪的波长插值到同一波长序列上。

此时,离水辐亮度为:

     (36)

其中,Lsw为海面辐亮度,

Lsky为天空光辐亮度,

r = r(W,q,f,q0,f0)为气—水界面对天空光的反射率,取决于太阳位置、观测角几何、风速(海面粗糙度)、风向(海面粗糙度)等因素。在实际数据处理时,由于影响气水界面的反射率的因素太多,以前多数工作采用固定值,如0.022 ~ 0.025。根据最新的研究结果表明,对于(40°,135°)观测几何,水表反射率随风速变化在0.026~0.06之间。对于晴天且风速小于5 m/s的情况,或完全云覆盖(Overcast),可以近似采用固定值0.025或0.028。此处程序中设置一个用户可以填写的文本框,先默认填写0.028,然后用户可以修改。

   遥感反射率为:

  ……

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