基于改進(jìn)Gordon算法的內(nèi)陸水體大氣校正研究

徐央杰，包穎，申佩佩

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

自20世紀(jì)70年代第一臺(tái)水色衛(wèi)星傳感器CZCS投入使用至今，遙感技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)的定量反演研究中得到了很好的應(yīng)用，并從光學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)單的Ⅰ類水體逐漸發(fā)展到光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的Ⅱ類水體[1]。由于傳感器接收到的水體信息大約只占總信息的10%，大部分來自大氣貢獻(xiàn)，因此消除傳感器接收總輻射中的大氣干擾，實(shí)現(xiàn)影像大氣校正，是水色定量遙感的關(guān)鍵之一[2，3]。

其中Ⅰ類水體主要為大洋水體，水質(zhì)主要由浮游植物及其伴生物決定，較為簡(jiǎn)單和穩(wěn)定，針對(duì)該類水體的大氣校正算法較為成熟，且已在不同水色遙感數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行[2]。而近海岸和內(nèi)陸等Ⅱ類水體，其光學(xué)性質(zhì)除了受浮游植物及其伴生物的影響，還受到懸浮物(Total Suspended Matter：TSM)和有色可溶性有機(jī)物(Colored Dissolved Organic Matter：CDOM)的影響，光學(xué)組分復(fù)雜，針對(duì)Ⅰ類水體的大氣校正算法不再適用于該類水體[4]。因此，目前許多專家學(xué)者針對(duì)Ⅱ類水體發(fā)展了不同大氣校正算法，宋挺等[5]利用MODIS數(shù)據(jù)輔助的Gordon單次散射改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了高分四號(hào)渾濁Ⅱ類水體的大氣校正，沈菊平等[6]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了MERIS數(shù)據(jù)的Ⅱ類水體大氣校正，檀靜等[7]利用氧氣和水汽吸收的暗像元實(shí)現(xiàn)渾濁Ⅱ類水體的大氣校正，提高了MERIS數(shù)據(jù)的大氣校正精度。

本文針對(duì)渾濁Ⅱ類水體，基于輻射傳輸模型展開大氣校正算法研究。在Gordon大氣校正的基礎(chǔ)上，通過MODIS輔助數(shù)據(jù)，分區(qū)計(jì)算其他遙感影像各波段的氣溶膠散射，獲取水體離水反射率，并將算法應(yīng)用于多源遙感影像中(如GOCI和HJ-1 CCD等)，最后對(duì)大氣校正后的反射率精度進(jìn)行驗(yàn)證分析，據(jù)此評(píng)價(jià)該算法在渾濁Ⅱ類水體中的應(yīng)用潛力。

2 數(shù)據(jù)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

(1)遙感影像

GOCI和HJ-1 CCD數(shù)據(jù)因其較高的時(shí)間分辨率或空間分辨率常被用于Ⅱ類水體水質(zhì)參數(shù)的反演[8，9]。因此，本文選取與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間對(duì)應(yīng)的太湖GOCI和HJ-1 CCD影像用于大氣校正算法的研究和分析，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為2011年9月4日、2011年12月24日及2012年5月5日。

其中GOCI數(shù)據(jù)(http：//kosc.kiost.ac/eng/p10/kosc_p11.html)是搭載在靜止海洋水色衛(wèi)星COMS(Communication，Ocean，Meteorological Satellite)上的傳感器，于2010年6月27日在韓國(guó)發(fā)射。GOCI數(shù)據(jù)在 400 nm～900 nm范圍內(nèi)具有8個(gè)波段，空間分辨率為 500 m，時(shí)間分辨率為1小時(shí)(獲取時(shí)間從8：28 a.m.至15：28 p.m.)，覆蓋了我國(guó)部分東部沿海城市、部分東海和黃海等區(qū)域。HJ-1衛(wèi)星(http：//www.cresda.com/site1/)于2008年9月6日在中國(guó)發(fā)射成功，其光學(xué)星由HJ-1 A和HJ-1 B組成，為太陽同步軌道衛(wèi)星。HJ-1 A和HJ-1 B衛(wèi)星均搭載了有相同原理的CCD相機(jī)，在 400 nm～900 nm內(nèi)包含了4個(gè)波段，空間分辨率為 30 m，重訪周期均為4天。

(2)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)

分別于2011年9月4日、2011年12月24日及2012年5月5日展開太湖野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取不同時(shí)期太湖水表野外光譜。野外光譜測(cè)量采用美國(guó)ASD野外光譜輻射儀FieldSpecHandHeld(Analytical Devices，Inc.，Boulder，CO)實(shí)現(xiàn)，水體反射率光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量采用“水面以上測(cè)量法”，以避開測(cè)量過程中船舶陰影及太陽耀斑等因素的影響[10，11]。

在測(cè)量過程中避免了白帽信號(hào)與太陽耀斑等信號(hào)后，水體離水輻亮度計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

Lw=Lsw-rLsky

(1)

其中Lw為水體離水輻亮度，r表示氣-水界面對(duì)天空光的反射比。在實(shí)際應(yīng)用中，影響r的因素有很多，根據(jù)風(fēng)速的差異，該值范圍通常為0.022～0.028[12]。

因此，水體實(shí)測(cè)遙感反射率可通過離水輻亮度與水面總?cè)肷漭椪斩鹊谋戎但@取，具體計(jì)算公式如下：

(2)

2.2 大氣校正算法

Gordon大氣校正的原理如式(3)所示，LW(λ)即為傳感器接收到實(shí)際水體的輻射能量：

L(λ)=Lr(λ)+La(λ)+TLg(λ)+tLWC(λ)+tLW(λ)

(3)

式中，L(λ)為GOCI和HJ-1 CCD影像輻射校正后的輻亮度值，Lr(λ)為大氣瑞利散射輻射亮度，La(λ)為氣溶膠粒子散射輻射亮度，Lg(λ)為太陽耀斑輻射(當(dāng)遙感影像沒有突變值時(shí)，式中Lg(λ)可以忽略)，T為大氣直射透射率，LWC(λ)為水面白帽輻射，t為大氣漫射透過率，LW(λ)為所求的水體離水輻亮度。

圖1 GOCI和HJ-1 CCD大氣校正流程

因此，要獲取影像的LW(λ)，只需計(jì)算白帽輻射、大氣漫射透過率、瑞利散射及氣溶膠散射即可。而在這些參數(shù)中，氣溶膠散射是Ⅱ類水體大氣校正中的重要參數(shù)，由于缺少同步觀測(cè)的大氣參數(shù)，目前學(xué)者們常利用MODIS作為輔助數(shù)據(jù)獲取其他遙感影像各波段(包括GOCI和HJ-1 CCD)的氣溶膠散射，從而達(dá)到大氣校正的目的[13]。在此基礎(chǔ)上，考慮到太湖不同區(qū)域氣溶膠類型的差異[14]，本文也在Gordon大氣校正基礎(chǔ)上，利用MODIS氣溶膠分區(qū)輔助方法，分別實(shí)現(xiàn)GOCI和HJ-1 CCD數(shù)據(jù)的大氣校正，具體流程如圖1所示。

(1)白帽輻射和大氣漫射透過率

白帽輻射通常與風(fēng)速W有關(guān)，其計(jì)算公式為[7]：

Lwc(λ)=ρwc(λ)F0cosθ0t0/π

(4)

式中，ρwc(λ)為白帽反射率，F(xiàn)0為大氣外層太陽輻照，θ0為太陽天頂角，t0為太陽方向漫透射率，與瑞利光學(xué)厚度和臭氧光學(xué)厚度有關(guān)。其中本文的瑞利光學(xué)厚度可通過氣壓值求得，臭氧光學(xué)厚度通過MODIS臭氧含量產(chǎn)品計(jì)算獲得。當(dāng)W小于 4 m/s時(shí)，白帽輻射可忽略不計(jì)。此外，大氣漫射透過率t通常由大氣分子透過率、臭氧光學(xué)厚度及氣溶膠等決定。

(2)瑞利散射計(jì)算

瑞利散射在傳感器接收的總信號(hào)中所占比例較大，因此瑞利散射的精確計(jì)算對(duì)大氣校正的結(jié)果有重要的影響。單次散射法為目前常用且計(jì)算簡(jiǎn)便的瑞利散射計(jì)算方法，公式如下[8]：

(5)

(3)MODIS數(shù)據(jù)輔助的分區(qū)氣溶膠散射計(jì)算

由于受無錫、常州等地生產(chǎn)和居民生活的影響，太湖北部氣溶膠和其他區(qū)域的氣溶膠散射值有明顯的差異[14]，因此本文在進(jìn)行GOCI和HJ-1 CCD大氣校正過程中，也借助MODIS輔助數(shù)據(jù)，利用氣溶膠不同類型分區(qū)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

金鑫等[14]基于氣溶膠分區(qū)大氣校正算法是在短波紅外大氣校正算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。根據(jù)該算法的假設(shè)，可知λ1240和λ1640之間的氣溶膠散射比為：

(6)

(7)

結(jié)合式(6)和式(7)，即可獲取氣溶膠類型參數(shù)n，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算各波段的氣溶膠散射。

(8)

本研究分別將對(duì)應(yīng)時(shí)期的GOCI、HJ-1 CCD和MODIS數(shù)據(jù)分為太湖北部區(qū)域和南部區(qū)域，首先計(jì)算不同區(qū)域MODIS數(shù)據(jù)在λ1240和λ1640波段的輻亮度均值，隨后根據(jù)公式(6)和(7)分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)區(qū)域的氣溶膠類型參數(shù)n，最后，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(8)分別計(jì)算GOCI數(shù)據(jù)和HJ-1 CCD數(shù)據(jù)的氣溶膠散射值。

(4)離水輻亮度計(jì)算

根據(jù)上文獲取的白帽輻射、瑞利散射及氣溶膠散射等參數(shù)，水體的離水輻亮度計(jì)算公式為：

(9)

2.3 精度評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證本文大氣校正算法的精度，分別將GOCI和HJ-1 CCD大氣校正結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)利用平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error：MAE)、均方根誤差(The Root Mean Square Error：RMSE)及均方根百分比Root Mean Square of Percentage：RMSP)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體的評(píng)價(jià)公式為：

(10)

(11)

(12)

式中，Cmea，i為觀測(cè)值，Cest，i為估算值，n為樣本數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 GOCI數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果評(píng)價(jià)

由于GOCI數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1小時(shí)，因此分別選取離影像獲取時(shí)間最近的29個(gè)樣本點(diǎn)用于結(jié)果的評(píng)價(jià)(該驗(yàn)證點(diǎn)為間隔各GOCI影像獲取時(shí)間30分鐘以內(nèi)的采樣點(diǎn))。此外，為了減少幾何校正帶來的偏差，在與驗(yàn)證點(diǎn)獲取時(shí)間對(duì)應(yīng)的影像中，選取各樣本點(diǎn)位置周圍3×3窗口內(nèi)的反射率中值作為GOCI影像的估算值。估算值和實(shí)測(cè)值結(jié)果示例如圖2所示：

圖2 GOCI數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果

GOCI大氣校正結(jié)果統(tǒng)計(jì) 表1

圖2和表1為GOCI大氣校正結(jié)果與準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)比。從圖2可知，各個(gè)時(shí)期GOCI影像大氣校正結(jié)果與準(zhǔn)同步光譜曲線變化趨勢(shì)非常類似，并且在不同波段的反射率值也較為一致，說明該算法能較為完整地保存太湖水體光譜信息。同時(shí)，結(jié)合表1，可知大氣校正后多數(shù)波段反射率值存在低估現(xiàn)象，并且不同時(shí)期各波段反射率的MAE及RMSP變化趨勢(shì)也相同。在不同時(shí)期，大氣校正后GOCI第2、3、5和6波段具有相對(duì)較高的MAE，2011～2012年間三個(gè)時(shí)期的平均MAE分別為12.16%、12.36%、13.57%及14.76%，平均RMSP分別為13.81%、13.44%、14.11%及16.03%；而大氣校正后GOCI第1和第8波段的精度相對(duì)較低，三個(gè)時(shí)期的平均MAE分別為21.13%和28.27%，平均RMSP分別為24.89%和30.96%；根據(jù)目前常用的葉綠素a濃度等水質(zhì)算法，GOCI第5、6和7波段常被用于結(jié)果的估算，其平均MAE均在20%以內(nèi)。此外，2011～2012三個(gè)時(shí)期的平均RMSE數(shù)值較小，均穩(wěn)定在 0.003 6～0.008 9之間。因此，該大氣校正算法適用于GOCI數(shù)據(jù)大氣校正，并且其結(jié)果能滿足葉綠素a濃度等水質(zhì)參數(shù)的估算。

3.2 HJ-1 CCD數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果評(píng)價(jià)

HJ-1 CCD數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的影像獲取時(shí)間內(nèi)只有一景影像，獲取時(shí)間分別為2011年9月4日10點(diǎn)45分、2011年12月24日10點(diǎn)35分及2012年5月5日10點(diǎn)12分，因此分別選取影像獲取時(shí)間附近的13個(gè)樣本點(diǎn)(該驗(yàn)證點(diǎn)為間隔HJ-1 CCD數(shù)據(jù)1個(gè)小時(shí)以內(nèi)的采樣點(diǎn))用于對(duì)結(jié)果評(píng)價(jià)。與GOCI影像算法相似，為了減少幾何校正帶來的偏差，在與驗(yàn)證點(diǎn)獲取時(shí)間對(duì)應(yīng)的影像中，選取各樣本點(diǎn)位置周圍3×3窗口內(nèi)的反射率中值作為HJ-1 CCD影像的估算值。估算值和實(shí)測(cè)值部分結(jié)果如圖3所示：

圖3和表2為HJ-1 CCD大氣校正結(jié)果與準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的對(duì)比。從圖3可知，各個(gè)時(shí)期HJ-1 CCD影像大氣校正結(jié)果與準(zhǔn)同步光譜曲線變化趨勢(shì)也相對(duì)較為類似，符合水體光譜特征。同時(shí)結(jié)合大氣校正前后的精度評(píng)價(jià)參數(shù)(表2)，可知在不同時(shí)期，大氣校正后HJ-1 CCD影像第3波段具有最高的精度，2011～2012年間三個(gè)時(shí)期的MAE及平均MAE分別為14.27%、17.69%、12.76%及14.49%，對(duì)應(yīng)的RMSP分別為15.31%、18.48%、14.47%及15.83%；而波段4由于水體吸收強(qiáng)烈導(dǎo)致反射率值較小，微小的變化都會(huì)引起較大的MAE和RMSP，因此該波段的MAE和RMSP通常大于其他波段，該結(jié)果也與其他學(xué)者的研究結(jié)果類似[15]。此外，和GOCI大氣校正結(jié)果類似，2011～2012三個(gè)時(shí)期的平均RMSE數(shù)值也較小，均穩(wěn)定在0.005～0.009 6之間。綜上可知，該大氣校正算法也適用于HJ-1 CCD影像。

圖3 HJ-1 CCD數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果

HJ-1 CCD大氣校正結(jié)果統(tǒng)計(jì) 表2

4 結(jié) 論

內(nèi)陸水體和近海岸渾濁Ⅱ類水體光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，反演獲取的離水反射率值誤差一般較高。本文使用基于MODIS輔助數(shù)據(jù)的Gordon改進(jìn)大氣校正算法對(duì)GOCI和HJ-1 CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，并將結(jié)果與準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

結(jié)果表明：GOCI影像大氣校正結(jié)果與準(zhǔn)同步光譜曲線變化趨勢(shì)一致；同時(shí)，與準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)光譜對(duì)比，除去GOCI第1和第8波段，GOCI影像其余波段在2011～2012期間三期影像的平均MAE在20%以內(nèi)，平均RMSP在25%以內(nèi)；此外，各個(gè)波段的平均RMSE數(shù)值均較低。HJ-1 CCD影像大氣校正結(jié)果也與準(zhǔn)同步光譜曲線變化趨勢(shì)一致；其在第3波段具有最高的精度，且所有波段的MAE均在30%內(nèi)，所有數(shù)據(jù)的平均RMSE在0.005～0.008之間。總體而言，基于MODIS氣溶膠分區(qū)的大氣校正算法較為穩(wěn)定，能滿足GOCI影像和HJ-1 CCD影像應(yīng)用于后續(xù)水質(zhì)參數(shù)反演需求。