引言

定量遙感初期，人們試圖通過植被指數NDVI方法———歸一化NDVI和時間序列NDVI最大值合成等方法繞開大氣校正問題。目前，大氣校正主要采用依據大氣參數進行輻射傳輸計算的方法，如在陸地上使用暗目標方法反演氣溶膠光學特性，還有暗體減法等；這些校正方法的目的就是為了減小地面反射率不確定度產生的誤差。

由于海洋表面相對陸地表面來說要簡單得多，而且在對水體觀測時，大氣信號所占比重更可達總信號的90%以上，故海洋表面的反射率變化對大氣光學特性的影響較小。本文基于這一性質，首先借助AHMAD輻射傳輸模型，用MODIS圖像基于查找表的方法反演出海洋上空的氣溶膠的光學特性。若在所選影像為晴空無云條件下，假設一定范圍內（中心點15km為半徑的圓內）的海島與海岸上空的大氣和水體上空的大氣一樣，然后借助6S輻射傳輸模型和反演出的氣溶膠模式，計算基于地物光譜反射率的查找表，再由MODIS圖像的陸地像元和反演出的氣溶膠光學厚度，最后用插值法即可得到地物光譜反射率。

反演方法

2.1 利用MODIS圖像反演氣溶膠光學特性

用MODIS圖像反演氣溶膠光學特性，分為陸地與海洋兩種反演方法。陸地上空氣溶膠的反演是基于暗目標的方法；海洋上空氣溶膠的反演是基于查找表的方法。

2.1.1 查找表的計算

有研究人員提出利用MODIS圖像，基于查找表的方法來反演海洋上空氣溶膠的光學性質。查找表是基于大小粒子模式，用AHMAD輻射傳輸模型計算大氣頂層表觀反射率的表。本文采用氣溶膠模式，即5種大粒子和4種小粒子模式。海洋上空氣溶膠光學特性的反演誤差，主要來源于氣溶膠粒子的大小與譜分布，因而氣溶膠粒子的模型設定有重要的意義。近海的海水輻射變化較大，故海洋表面反射模型采用Cox的海浪模型。把9個粒子模式分別當作9種氣溶膠模式，對每一種氣溶膠模式，用AHMAD輻射傳輸模型分別計算在550nm處，6個氣溶膠光學厚度（0.0，0.2，0.5，1.0，2.0，3.0），16個觀察天頂角（1.5°~88.5°，間隔6°）?16個相對方位角（0°~180°，間隔12°）和9個太陽天頂角（1.5°，12°，24°，36°，48°，54°，60°，66°和72°）在MODIS前7個波段下的表觀反射率的值。

2.1.2反演方法和原理

計算生成查找表的方法和利用它們進行反演的基礎是按雙對數正態模式分布的粒子多次散射，由同樣光學厚度下每一個模式粒子產生的輻射加權平均近似計算。當兩個模式具有不同的吸收特性時，簡化就會遇到困難，但對這里的簡化概念是很合適的。這種簡化的優點是僅需考慮9種氣溶膠模式，而不是所有4×5×11組合（11是表示模式間的相對濃度有11種可能值，即η的所有可能的取值類）。如果衛星觀測的總反射率可表示為:

對于海洋上空氣溶膠的反演，MODIS的前7個通道能用，但第三通道（470nm）對海洋表面的變化有很大的起伏，而且它會導致在確定還不完全清楚的氣溶膠貢獻時產生誤差，故在反演中沒有使用此通道。對于任何η值上的大粒子和小粒子模式的合成，利用式（1）計算550nm通道總的表觀反射率，利用550nm通道觀測的表觀反射率通過在這6個光學厚度下所有大粒子和小粒子模式的組合進行線性內插獲得光學厚度，然后在相應的氣溶膠模式下用此光學厚度計算其他5個通道的表觀反射率。

2.2 地物光譜反射率的反演

2.2.1 6S輻射傳輸

6S是Vermote等人提出的解輻射傳輸方程的模型，只要給定幾何條件?大氣模式?氣溶膠模式?光學厚度以及地面反射率情況，利用6S就可以計算大氣頂層的表觀反射率和大氣的其他性質，如大氣透過率等。

2.2.2利用6S計算查找表

由6S計算所需的參數，大氣模式選擇中緯度夏季（根據反演的圖像確定）；氣溶膠模式用§1.1反演的最佳結果；海拔高度為零；下墊面取朗伯面（反射率分別取0.02到0.18每隔0.02的所有值）。借助6S輻射傳輸模型，計算在550nm處，6個氣溶膠光學厚度（0.0，0.2，0.5，1.0，2.0，3.0）?6個太陽天頂角（18.2°~21.2°，間隔0.5°）?6個相對方位角（0°~30°，間隔5°）和5個觀察天頂角（15°，20°，25°，30°，35°）下的在MODIS7個波段處的大氣頂層表觀反射率，用于反演地物光譜反射率的查找表。查找表在670nm處的結構如表1所示（部分）。

表1計算地物光譜反射率的查找表

2.2.3地物光譜反射率的反演

由MODIS圖像，可以讀出像元的幾何條件即太陽天頂角?觀測天頂角?相對觀測方位角和表觀反射率，再加上§1.1反演出的最佳氣溶膠模式和光學厚度，基于表1，利用線性插值法可以求出地物光譜反射率。

2.3 反演的流程

基于查找表反演地物光譜反射率的方法，是建立在海洋表面反射率已知的基礎上以及海洋上空的氣溶膠模式和海岸上空氣溶膠模式相同的條件下。當條件滿足時，就可以從MODIS圖像反演出地物光譜反射率，其步驟如下。

1）假設9種粒子模式，其中4種小粒子和5種大粒子；

2）用Cox的海浪模型計算海洋表面反射率；

3）借助AHMAD輻射傳輸模型計算用于反演氣溶膠光學特性的查找表A；

4）選出晴空的MODIS圖，讀出海洋部分像元的反射率值，反演出大氣氣溶膠的模式和光學厚度；

5）由反演出的氣溶膠模式和6S輻射傳輸模型計算用于反演地物光譜反射率的查找表B；

6）從MODIS圖中讀出海岸和海島部分像元的反射率值和幾何條件，基于查找表B和步驟4）反演的氣溶膠光學厚度，利用插值法反演得到地物光譜反射率。

2.4 反演誤差的模擬估測

為了驗證氣溶膠光學厚度的改變對地物光譜反射率的影響，進行如下模擬計算。取太陽天頂角與方位角分別為19°和95°，觀測天頂角與方位角分別為28°和90°，氣溶膠光學厚度在550nm處的真值為0.28，對查找表B進行插值。

表2模擬了550nm波段氣溶膠光學厚度增大10%或減小10%等情況下，對反演地面反射率的影響。從表2中可以看出，隨著氣溶膠光學厚度誤差的加大，對可見光波段的反射率反演影響加大，而對近紅外波段的影響相對較小，氣溶膠光學厚度變化10%對反演地面各波段光譜反射率產生的誤差均在5%以內。如果再考慮插值誤差，則總的誤差不會超過10%。

表2氣溶膠光學厚度的不確定度給地物

通常情況下，陸地上空氣溶膠光學厚度總是大于海洋上空的氣溶膠光學厚度。本算法中對氣溶膠光學厚度的反演誤差可能來源于水體?風速和風向的選取，它們帶來的誤差使氣溶膠光學厚度計算值產生偏差；而在一定范圍內，認為陸地上空與海洋上空大氣條件相同的假設，有可能造成氣溶膠光學厚度比真實值小。故氣溶膠光學厚度在計算中可能出現偏小，而產生的誤差是地面光譜反射率的反演誤差的主要來源。

MODIS圖像的應用與分析

選用MODIS圖像是中國東南海域2003-05-28衛圖，所取范圍為晴空無云的30像元×30像元（已經歸化1km分辨率圖，圖1（a）圈內的部分）。根據暗目標法，提取圖1（b）中的所有水像元，用于反演氣溶膠的光學厚度和氣溶膠的模式。反演出的氣溶膠最佳模式是第三小粒子與第一大粒子按4∶1比例，以雙模譜的形式組成；氣溶膠光學厚度每行的平均值如圖2（a）所示。將每行海水像元計算的氣溶膠光學厚度取平均用于該行陸地像元反射率的反演，被海島隔開的取兩個值。

圖1MODIS圖

圖2MODIS圖像中每行氣溶膠的結果

圖2（a）給出了圖像中每行氣溶膠平均光學厚度（有海島的分為兩個），圖2（b）給出氣溶膠每行平均光學厚度的相對誤差，標準值選自該地區的地面對大氣的同步測量。從圖2中可以看出該處的大氣氣溶膠隨空間變化很小，所研究范圍內的大氣均勻狀況良好。

圖3和圖4給出了圖1（b）中任意標注的各像元反射率曲線。圖3中曲線是海水的光譜曲線，在870nm到近紅外波段的反射率近似為零。T1和T2都是把海平面看作朗伯面采用同陸地一樣的方法反演出來的反射率，T是用海浪模型計算出來用于反演海洋上空氣溶膠光學特性的反射率（風速用6m/s，葉綠素含量用0.5mg/m3，鹽份35ppt）。從這三條曲線可以看，出反演的結果與模型計算的結果符合得較好。圖4中4個圖的曲線是近海岸地物反射率的曲線。這些光譜曲線較為符合植被的光譜特點，在可見光波段反射很小，在670nm~1240nm反射迅速增加，紅外波段漸漸減小.

圖3圖2（a）中所示海洋像元在MODIS7個波段的反射率曲線

圖4圖1（b）中所示各像元在MODIS7個波段的反射率曲線圖

圖4（a）中條曲線是大陸沿岸的地物光譜反射曲線，曲線B?F可能含有水像元；圖4（b）8條曲線是海島沿岸地物光譜曲線；曲線G可能是海洋與陸地的復合像元；曲線O是典型的綠色植被反射率曲線；圖4（c）?4（d）圖中的曲線分別是離海岸較遠的內陸與海島內的地物光譜反射率，從中可以看出內陸的地物較復雜，海島內的地物較為單一。

4、結論與展望

根據海岸地物近水的特點，本文采用海洋上空反演的氣溶膠光學厚度用于地面反射率的反演，對每一個地面像元由衛星接收時的太陽天頂角?方位角，觀測天頂角?方位角和反演的大氣氣溶膠光學厚度，在6S輻射傳輸模型基于反演的氣溶膠模式計算的查找表中，用插值法即可反演出地物光譜反射率。數值模擬顯示，在反演地物光譜反射率時氣溶膠光學厚度的誤差在10%以內，則對地面光譜反射率的反演誤差均在10%以內。該方法利用了實時反演的氣溶膠模式，反演速度快，反演誤差小。但此法僅僅適用于近海岸和小的海島，對離海洋較遠（30km）的陸地反演的結果有待近一步研究。近海岸的水體是Ⅱ類水體，目前對II類水體沒有好模型計算其反射率，它對氣溶膠反演的精度有影響，從而影響地面反射率的精度。下一步工作的主要任務是改進Ⅱ類水體的反射率模型，并用實測衛星過頂時地物反射率數值與反演結果作對比分析。

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審核編輯黃宇