天空光是指太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣分子及大氣氣溶膠散射后經(jīng)任意方向到達(dá)地面的輻射。在某些時(shí)段，天空光的值占入射光能量值的一半。天空光與大氣成分有密切關(guān)系，在很多大氣光學(xué)遙感研究中具有重要意義，是遙感研究中的一個(gè)重要影響因子。另外，天空光對(duì)于定量遙感研究，特別是水質(zhì)遙感研究，如何精確測(cè)量和剔除其對(duì)地物和水體反射率的影響也越來(lái)越重要。目前獲取天空光的方法有兩種，一種是借助標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測(cè)量可獲得半球空間的天空漫射輻照度值；另一種是將測(cè)量?jī)x器直接指向天空進(jìn)行測(cè)量，是地基大氣遙感主要采用的方法，在水質(zhì)定量遙感中對(duì)水面反射天空光消除也常采用這種測(cè)量方法。

01天空光的測(cè)量

1.1標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測(cè)量法

標(biāo)準(zhǔn)灰板可認(rèn)為是各向同性的朗伯體。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用一個(gè)帶長(zhǎng)竿的黑板在遠(yuǎn)處正好遮擋太陽(yáng)直射光照射到標(biāo)準(zhǔn)灰板上，地物光譜儀傳感器探頭在標(biāo)準(zhǔn)灰板上空近距離采集數(shù)據(jù)，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)灰板反射天空光的輻亮度。除遮陰黑板和持黑板的人阻擋的那部分天空光外，半球空間上其余的天空光都能照射到標(biāo)準(zhǔn)灰板上，標(biāo)準(zhǔn)灰板對(duì)入射的天空光各向同性反射，傳感器可獲得標(biāo)準(zhǔn)灰板反射半球方向入射天空光輻亮度值（圖1）。

圖1標(biāo)準(zhǔn)板反演測(cè)量法

用地物光譜儀測(cè)量陰影下的標(biāo)準(zhǔn)灰板反射輻亮度值Lp_zy，根據(jù)灰板的標(biāo)定反射率ρ，反演出天空光的入射輻亮度值Ldif：

高光譜遙感在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要的意義：利用光譜信息對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)檢測(cè)水體中的反射和吸收特征，可以獲得水體中營(yíng)養(yǎng)成分如懸浮物、有機(jī)質(zhì)、氮磷等數(shù)據(jù)。高光譜遙感能夠?qū)λw的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.2直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是避開(kāi)太陽(yáng)直射光，采用地物光譜儀以小角度測(cè)量的方式。將傳感器探頭直接指向某個(gè)方位和高度的天空進(jìn)行測(cè)量（圖2）。可獲得特定區(qū)域內(nèi)的天空光輻亮度。本次研究采用直接測(cè)量法測(cè)量了3個(gè)不同方位：

（1）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀(guān)測(cè)平面與太陽(yáng)入射主平面夾角為0°（背向太陽(yáng)方向，以下簡(jiǎn)稱(chēng)背陽(yáng)面）

（2）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀(guān)測(cè)平面與太陽(yáng)入射平面夾角為90°（垂直太陽(yáng)入射方向，以下簡(jiǎn)稱(chēng)垂陽(yáng)面）

（3）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀(guān)測(cè)平面與太陽(yáng)入射平面夾角為150°（面向太陽(yáng)方向，為避開(kāi)太陽(yáng)直射光，特偏移太陽(yáng)方位30°，以下簡(jiǎn)稱(chēng)向陽(yáng)面）。觀(guān)測(cè)天頂角（與大地法線(xiàn)的夾角）分別為0°、15°、30°、45°、60°，以及城市上空邊緣的陰霾灰色區(qū)域（83°)和邊界亮邊（80°）。

圖2直接測(cè)量法

02基于灰色系統(tǒng)理論的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

自然界中天空光的分布現(xiàn)象與規(guī)律是多種因子的綜合效果，這些因素有些已知，有些未知，難以分離，且部分變量或信息已知，部分未知，具有典型的灰色系統(tǒng)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)樣本都是有限的，為避免統(tǒng)計(jì)分析不足，本文采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色數(shù)學(xué)方法-關(guān)聯(lián)系數(shù)分析方法，通過(guò)少量樣本數(shù)據(jù)定量分析兩種測(cè)量方法的差異。令遮陰灰板測(cè)得的天空光光譜輻亮度值為參考數(shù)列，直接測(cè)量的數(shù)據(jù)為比較數(shù)列，因其量綱相同，可直接比較分析，不再做無(wú)量綱化處理。

其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)g(x0(l),xi(l))通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)式（2）計(jì)算出兩種測(cè)量方法獲取的數(shù)據(jù)在各波長(zhǎng)處的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)（圖3）。由3個(gè)觀(guān)測(cè)方位觀(guān)測(cè)天頂角均為15°的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出不同方位直接測(cè)量天空光與標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度（表1），垂陽(yáng)面方位各觀(guān)測(cè)天頂角天空光與標(biāo)準(zhǔn)灰板反演天空光間的灰關(guān)聯(lián)度結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表1，向陽(yáng)面的灰關(guān)聯(lián)度在3個(gè)測(cè)量方位中也最大。標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光是各個(gè)方位天空光的綜合反映，向陽(yáng)面的天空光高于其它測(cè)量方位，在整個(gè)半球空間的天空光強(qiáng)度中占較大比重，因此，不難解釋向陽(yáng)面和標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)較大的原因。

表1不同方位直接測(cè)量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度

表2不同觀(guān)測(cè)天頂角測(cè)量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度

圖3直接測(cè)量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

（a. 相同觀(guān)測(cè)天頂角不同方位；b.垂陽(yáng)面不同觀(guān)測(cè)天頂角）

03測(cè)量結(jié)果比較分析

3.1不同方位測(cè)量結(jié)果比較分析

線(xiàn)輻亮度值比較直接測(cè)量方位分別為背陽(yáng)面、垂陽(yáng)面和向陽(yáng)面。選擇觀(guān)測(cè)天頂角為15°的測(cè)量數(shù)據(jù)，可避開(kāi)城市陰霾和太陽(yáng)直射光的影響。各個(gè)觀(guān)測(cè)方位測(cè)得的天空光輻亮度和標(biāo)準(zhǔn)灰板反演法得到的天空光輻亮度如圖4所示。

由圖可知，直接測(cè)量法獲取的不同方位天空光光譜分布基本一致，但輻亮度值隨方位不同而差異較大。因各方位測(cè)量天頂角相同，則等同于平緯圈觀(guān)測(cè)方式，太陽(yáng)輻射在大氣中穿過(guò)的路徑相同，造成天空光輻亮度值隨方位不同的主要原因?yàn)樯⑸湎嗪瘮?shù)的取值不同。

圖4不同方位天空光比較

3.2不同方位測(cè)量結(jié)果比較分析

直接測(cè)量選取垂陽(yáng)面，測(cè)量天頂角分別為0°、15°、30°、45°、60°及城市上空邊緣的陰霾灰色區(qū)域（83°）和邊界亮邊（80°），各個(gè)觀(guān)測(cè)天頂角測(cè)得的天空光輻亮度和標(biāo)準(zhǔn)板反演法得到的天空光輻亮度如圖5所示。

由圖5可知，在觀(guān)測(cè)天頂角為0°、15°、30°、45°時(shí)，直接測(cè)量法獲取的天空光輻亮度在整個(gè)光譜波段內(nèi)基本重合。標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光是對(duì)半球空間入射天空光的綜合反映，說(shuō)明隨著波長(zhǎng)增加，天空光主要來(lái)自于城市邊緣氣溶膠散射的貢獻(xiàn)。

圖5不同觀(guān)測(cè)角度天空光比較

3.3測(cè)量方法比較分析

采用標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測(cè)量法是將太陽(yáng)直射光用黑板隔斷，認(rèn)為到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)灰板上的只有天空光。標(biāo)準(zhǔn)灰板可以看作是各向同性的朗伯體，通過(guò)傳感器獲得的標(biāo)準(zhǔn)灰板反射的輻亮度值可以反演半球空間上的天空光輻亮度。但一般在進(jìn)行地物光譜測(cè)量時(shí)，雖然要求標(biāo)準(zhǔn)灰板應(yīng)處于一個(gè)空曠的區(qū)域，但一般在現(xiàn)實(shí)地物測(cè)量中很難得到這樣的測(cè)量條件，標(biāo)準(zhǔn)灰板周?chē)径即嬖谄渌匚铮浞瓷涔庖灿锌赡艿竭_(dá)標(biāo)準(zhǔn)灰板上。因此，該方法獲得的是半球方向上天空光和周?chē)匚锓瓷涔鈱?duì)觀(guān)測(cè)地物的綜合貢獻(xiàn)值，且持黑板遮陰的人和黑板都會(huì)阻擋部分天空光入射到標(biāo)準(zhǔn)板上，對(duì)天空光的測(cè)量產(chǎn)生一定影響。

采用直接測(cè)量法是避開(kāi)太陽(yáng)直射光的方向，將傳感器指向特定位置的天空，可獲得特定方位特定觀(guān)測(cè)角的天空光輻亮度。但由于大氣散射相函數(shù)的不同以及米氏散射存在方向上的差異，致使天空光在整個(gè)散射半球空間并不均勻，采用該測(cè)量方法獲得的數(shù)據(jù)并不具有代表性，且在某些觀(guān)測(cè)角方向，易受太陽(yáng)直射光影響。

04結(jié)論與建議

直接測(cè)量法可以測(cè)量不同方位（與太陽(yáng)入射平面的相對(duì)位置）、不同觀(guān)測(cè)角度的天空光數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)灰板可看作是各向同性的朗伯體。因此，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測(cè)量法獲得半球空間的天空漫射輻照度值。標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測(cè)量法反映了被研究對(duì)象周?chē)矬w反射天空光的綜合影響，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的直接分析和灰關(guān)聯(lián)系數(shù)分析可知，標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光和不同方位、不同觀(guān)測(cè)天頂角的天空光的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)有所差異，并隨波長(zhǎng)不同而變化，其中向陽(yáng)面和城市上空的陰霾與標(biāo)準(zhǔn)板反演結(jié)果的灰關(guān)聯(lián)較大。標(biāo)準(zhǔn)板反演法并不能反映整個(gè)半球空間天空光強(qiáng)度的分布情況。直接測(cè)量法可以獲得特定天空位置天空光的強(qiáng)度，但不能獲得天空光作用于地物的天空漫射情況。

在進(jìn)行多角度遙感數(shù)據(jù)天空光校正時(shí)，建議采用直接測(cè)量方法獲取天空光。在采用地物光譜儀進(jìn)行水體光譜測(cè)量的過(guò)程中，因?yàn)闇y(cè)量距離短，進(jìn)入到傳感器的為水面反射特定方位與角度的天空光，建議采用直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。

推薦：

地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR

地物光譜儀是萊森光學(xué)專(zhuān)門(mén)用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，獨(dú)有的光路設(shè)計(jì)，噪聲校準(zhǔn)技術(shù)、可以實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)暗電流，采用了固定全息光柵一次性分光，測(cè)試速度快，最短積分時(shí)間最短可達(dá)20μs，操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于遙感測(cè)量、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、森林研究、海洋學(xué)研究和礦物勘察等各領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇