本發(fā)明涉及海洋光學(xué)海表反射特性參數(shù)輻射計算領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法。

背景技術(shù)：

復(fù)雜海洋環(huán)境背景下，海表反照率不僅具有入射光波長依賴性，還受海洋水體類型、海洋表面環(huán)境、太陽入射的角度以及海水折射率等諸多因素的影響。其中，不同的水體類型，因其內(nèi)部所含浮游生物及衍生物種類和濃度不同，對一定波長的光具有不同的吸收系數(shù)以及綜合后向散射系數(shù)；不同的海洋表面環(huán)境對海表反照率的影響主要是海洋表面是否出現(xiàn)的飛沫以及白帽對反照率的影響。對于占地球表面積約70％的海洋，在大空間尺度上通過洋流和大氣環(huán)流的形式改變著能量的分布，是影響地球氣候的主要因素。而目前的地球觀測衛(wèi)星發(fā)布的地表反照率產(chǎn)品幾乎都是針對陸地，海洋反照率難以獲取，限制了海色、海洋氣溶膠等遙感產(chǎn)品的精度。在氣候模擬及?？展怆姽こ虘?yīng)用中，因無法獲取海表反照率參數(shù)，缺乏了解海表反照率的分布特征，而難以掌握模擬結(jié)果的精度評估和工程應(yīng)用效能的影響機(jī)理。

海面風(fēng)速驅(qū)使海面飛沫和白帽的產(chǎn)生，已有的觀測均表明這些因素在可見至近紅外波段對海洋反照率影響較大，數(shù)值和反照率本身相當(dāng)。另一方面，全球海洋水體特征并不相同，占全球海洋的99％左右?guī)缀醵挤螴類水體的特征，還有一小部分是II類水體特征。此外，目前還沒有一臺光學(xué)儀器(無論是地基還是空間光學(xué)探測器)具備從紫外到熱紅外(0.2-14.3微米)的高光譜探測能力。以上這些復(fù)雜因素，都使得在全譜段準(zhǔn)確獲取海表反照率是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中海表反射特性定量提取中的精度和應(yīng)用局限性的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，其特征在于：基于海洋-大氣耦合輻射傳輸理論，考慮不同海水折射率、不同太陽入射角度、不同海洋環(huán)境對太陽直射海表面時的反照率的貢獻(xiàn)，并結(jié)合實際海洋多光學(xué)平臺觀測數(shù)據(jù)，對海表反照率進(jìn)行多維元素的參數(shù)化，實現(xiàn)了0.2-14.3微米波譜區(qū)間全譜段海表反照率的計算，具體過程如下：

對于無白帽和飛沫的海洋環(huán)境，其海表反照率計算方法如公式(1)：

α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1-f_λ,diff)α_λ,dir

(1)

公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波長λ處，無海洋飛沫和白帽發(fā)生的海表面光譜反照率，f_λ,diff表示入射輻射場中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括發(fā)生在海表面處的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面處的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面對直射輻射的反射部分和海水內(nèi)部體散射貢獻(xiàn)的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$

公式(2)中，用下式計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$

其中ρ_F可用菲涅爾反射公式計算如下：

${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$

公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示不同入射角度的太陽傾頂角；η(θ_s,σ)是利用多元回歸技術(shù)得到的回歸函數(shù)；

公式(2)中，用下式計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$

公式(5)中，貼水層下表面輻照度反射率R_λ,w利用下式獲得：

$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

其中，b_λ,b為不同類型水體的綜合后向散射系數(shù)，a_λ表示不同類型水體的吸收系數(shù)；

對于有白帽和飛沫的海洋環(huán)境，白帽和飛沫對太陽直射海表面時的反照率的貢獻(xiàn)需要考慮，考慮到白帽覆蓋率在足夠持續(xù)的海風(fēng)情況下是隨風(fēng)速的立方變化的，所以對于實際海洋環(huán)境，通過基于不同風(fēng)速下海表面飛沫和白帽覆蓋率C_foam的有效計算，可得到海洋飛沫和白帽影響下的隨機(jī)起伏海面光譜反照率α_λ：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_{λ，foam} (7)

α_{λ，foam_free}表示波長λ處，有海洋飛沫和白帽發(fā)生的海表面光譜反照率，其中，海表面飛沫和白帽覆蓋率C_foam用下式計算：

$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$

公式(8)中，U₁₀為距離海表面10米高度處的海風(fēng)風(fēng)速，至此便實現(xiàn)了高精度隨機(jī)起伏海表面可見-近紅外光譜反照率的理論計算；

對于0.2-14.3微米譜段的海表反照率α_λ，結(jié)合實際海洋多光學(xué)平臺實測海洋飛沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater觀測數(shù)據(jù)，通過下式計算：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam (9)

通過光譜插值運(yùn)算，可獲取0.2-14.3微米波段任意波長處海表反照率的計算。

本發(fā)明考慮了海水類型、海表風(fēng)速造成的不同海水折射率、吸收系數(shù)以及后向散射系數(shù)、以及海表面粗糙度等多種復(fù)雜因素的復(fù)合影響，結(jié)合了實際海洋環(huán)境下白帽和飛沫的發(fā)生概率及其反射特性對海表反照率的影響，可應(yīng)用于隨機(jī)起伏海洋表面光反射特性的理論計算，適應(yīng)范圍更廣；可適應(yīng)于I類水體和II類水體；同時，利用海洋-大氣耦合輻射理論計算與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，并利用光譜插值，可實現(xiàn)0.2-14.3微米光譜區(qū)間任意波長處海表反照率的計算。為任何涉及海表-大氣耦合輻射傳輸?shù)母呔扔嬎愫秃Ｌ毂尘跋绿卣髂繕?biāo)的輻射修正提供唯一下墊面反射特性接口參數(shù)支持。為提高海洋衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的地面真實性檢驗、臨近空間?？展怆娤到y(tǒng)的實時標(biāo)校和海洋背景信號的有效剝離提供了全譜段海表面反射信息。

本發(fā)明的原理是：依據(jù)海洋-大氣耦合輻射機(jī)理以及海洋光學(xué)理論，融合空-天-地多光學(xué)平臺的海洋探測數(shù)據(jù)，通過前向輻射傳輸模型的理論計算和實測數(shù)據(jù)的比對分析，在太陽入射角度(即太陽天頂角)、海表風(fēng)速(決定海面粗糙度)、水體葉綠素濃度和大氣渾濁度四維空間實現(xiàn)海表反照率的高精度參數(shù)化，通過實測數(shù)據(jù)對參數(shù)化方法進(jìn)行驗證和優(yōu)化，從而解決海表反照率全譜段獲取的技術(shù)難題。

本發(fā)明研發(fā)了一種新型的應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有模型在不同風(fēng)速(海況通用性)、不同海域(區(qū)域通用性)、不同季節(jié)(季節(jié)適用性)、不同光譜范圍以及計算精度等方面的不足，更好地滿足氣候研究及海洋環(huán)境光電工程對海表參數(shù)的應(yīng)用需求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有的積極效果在于：

1)由于考慮了海洋飛沫和白帽的發(fā)生率以及不同風(fēng)速下的海面粗糙度，因此對實際海洋環(huán)境的適用性更強(qiáng)，具有精度上的技術(shù)優(yōu)勢；

2)由于海表反照率全譜段計算方法考慮了不同水體的葉綠素含量和不同地理位置太陽入射的幾何變化等主要參數(shù)，對于不同緯度的海域的區(qū)域應(yīng)用性更強(qiáng)；

3)由于考慮了不同海洋大氣渾濁度，同時對海洋氣溶膠和云的影響也進(jìn)行了合理的考慮，因此，針對海洋大氣條件的適用性更強(qiáng)；

4)由于考慮了多光學(xué)平臺的實測數(shù)據(jù)，運(yùn)用了光譜插值和優(yōu)化方法，因此，覆蓋光譜維度方面更具有全面性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的技術(shù)流程。

具體實施方式

應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，其特征在于：基于海洋-大氣耦合輻射傳輸理論，考慮不同海水折射率、不同太陽入射角度、不同海洋環(huán)境對太陽直射海表面時的反照率的貢獻(xiàn)，并結(jié)合實際海洋多光學(xué)平臺觀測數(shù)據(jù)，對海表反照率進(jìn)行多維元素的參數(shù)化，實現(xiàn)了0.2-14.3微米波譜區(qū)間全譜段海表反照率的計算，具體過程如下：

對于無白帽和飛沫的海洋環(huán)境，其海表反照率計算方法如公式(1)：

α_{λ，foam_free}＝f_λ,diffα_λ,diff+(1-f_λ,diff)α_λ,dir

(1)

公式(1)中，α_{λ，foam_free}表示波長λ處，無海洋飛沫和白帽發(fā)生的海表面光譜反照率，f_λ,diff表示入射輻射場中漫射成分比例，α_λ,diff表示包括發(fā)生在海表面處的漫反射部分以及光子在水下散射后逸至海表面處的漫射出射部分的散射反照率，α_λ,dir表示包括海表面對直射輻射的反射部分和海水內(nèi)部體散射貢獻(xiàn)的直射反照率，公式(1)中，α_λ,dir用公式(2)計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}---\left(2\right),$

公式(2)中，用下式計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os}(n_w,{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})=\frac{{\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)}{{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)}\[{\mathrm{\ρ}}_F(1.341,{\mathrm{\θ}}_s)-\mathrm{\η}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\σ})\]---\left(3\right),$

其中ρ_F可用菲涅爾反射公式計算如下：

${\mathrm{\ρ}}_F(n_w,{\mathrm{\θ}}_s)=\frac{1}{2}\[{\left(\frac{{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2+{\left(\frac{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s-\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}{n_w^2{\mathrm{cos\θ}}_s+\sqrt{n_w^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_s}}\right)}^2\]---\left(4\right),$

公式(3)和(4)中，n_w表示不同海水的折射率，σ表示海面粗糙度，θ_s表示太陽天頂角；η(θ_s,σ)是利用多元回歸技術(shù)得到的回歸函數(shù)；

公式(2)中，用下式計算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{ow}=\frac{0.52R_{\mathrm{\λ},w}(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ},dir}^{os})}{1-0.48R_{\mathrm{\λ},w}}---\left(5\right)$

公式(5)中，貼水層下表面輻照度反射率R_λ,w利用下式獲得：

$R_{\mathrm{\λ},w}=0.33\frac{b_{\mathrm{\λ},b}}{a_{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

其中，b_λ,b為不同類型水體的綜合后向散射系數(shù)，是純海水、浮游生物及衍生物等物質(zhì)綜合后向散射系數(shù)，a_λ表示不同類型水體的吸收系數(shù)；

對于有白帽和飛沫的海洋環(huán)境，白帽和飛沫對太陽直射海表面時的反照率的貢獻(xiàn)需要考慮，考慮到白帽覆蓋率在足夠持續(xù)的海風(fēng)情況下是隨風(fēng)速的立方變化的，因此，本發(fā)明采用Morahan&O’Muircheartaigh(1980)的白帽覆蓋率計算方法，可有效避免美國海軍研究室海洋光學(xué)部提供的參數(shù)化方案在較高風(fēng)速時出現(xiàn)覆蓋率大于1的不合理現(xiàn)象。所以對于實際海洋環(huán)境，通過基于不同風(fēng)速下海表面飛沫和白帽覆蓋率C_foam的有效計算，可得到海洋飛沫和白帽影響下的隨機(jī)起伏海面光譜反照率α_λ：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，foam_free}+C_foamα_λ，foam (7)

α_{λ，foam_free}表示波長λ處，有海洋飛沫和白帽發(fā)生的海表面光譜反照率，其中，海表面飛沫和白帽覆蓋率C_foam用下式計算：

$C_{foam}=2.951\×{10}^{-6}{U}_{10}^{3.52}---\left(8\right)$

公式(8)中，U₁₀為距離海表面10米高度處的海風(fēng)風(fēng)速，至此便實現(xiàn)了高精度隨機(jī)起伏海表面可見-近紅外光譜反照率的理論計算；

對于0.2-14.3微米譜段的海表反照率α_λ，結(jié)合實際海洋多光學(xué)平臺實測海洋飛沫和白帽反照率α_λ,foam和海水反照率α_λ,seawater觀測數(shù)據(jù)，通過下式計算：

α_λ＝(1-C_foam)α_{λ，seawater}+C_foamα_λ，foam (9)

通過光譜插值運(yùn)算，可獲取0.2-14.3微米波段任意波長處海表反照率的計算。

本發(fā)明應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，考慮了不同水體類型、海水折射率和不同海表風(fēng)速造成的不同海表面粗糙度等多種復(fù)雜因素的復(fù)合影響，考慮了實際海洋環(huán)境下白帽和飛沫的發(fā)生概率及其反射特性對海表反照率的影響，可應(yīng)用于隨機(jī)起伏海洋表面光反射特性的理論計算。由于考慮了I類水體的特征，所述方法對與全球99％的海洋區(qū)域均適用。由于II類水體通常位于近海岸，該類水體的成分和光學(xué)特性異常復(fù)雜。但海水的體散射在可見譜段非常有限，且通常小于菲涅爾反射率，尤其在低太陽高度角的情況下。因此，所述方法也適用于近海海域海表反照率的估算。

本發(fā)明利用海洋-大氣耦合輻射理論計算與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，并利用光譜插值，可實現(xiàn)0.2-14.3微米光譜區(qū)間任意波長處海表反照率的計算。為任何涉及海表-大氣耦合輻射傳輸?shù)母呔扔嬎愫秃Ｌ毂尘跋绿卣髂繕?biāo)的輻射修正提供唯一下墊面反射特性接口參數(shù)支持。為提高海洋衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的地面真實性檢驗、臨近空間?？展怆娤到y(tǒng)的實時標(biāo)校和海洋背景信號的有效剝離提供了全譜段海表面反射信息。

參見圖1，應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，包括有5個大模塊：

模塊1是控制參數(shù)輸入模塊，包括所需計算的波長大小或波長間隔、葉綠素濃度大小或范圍、風(fēng)速大小或變化區(qū)間、太陽入射角度數(shù)值或范圍、大氣狀況(能見度或光學(xué)厚度)。

模塊2海洋-大氣前向輻射傳輸理論計算和實測數(shù)據(jù)同化模塊，該模塊中涉及到融合模塊1中輸入?yún)?shù)的驅(qū)動模型計算。

模塊3是參數(shù)化模塊，包括基于風(fēng)速的白帽覆蓋率計算、不同波長處的折射率計算以及菲涅爾反射系數(shù)的計算等功能。

模塊4是核心計算模塊，分別計算海表面直射反照率和漫射反照率。

模塊5是輸出模塊，根據(jù)用戶輸入的控制指令輸出計算結(jié)果，生成報表。

本發(fā)明主要技術(shù)流程圖如圖2所示。為了提高應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法的運(yùn)行效率，本發(fā)明預(yù)先根據(jù)海洋-大氣輻射傳輸模型計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)對海表反照率關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，大幅提高模塊4中的運(yùn)算速度，0.2-14.3微米的細(xì)分連續(xù)光譜的海表反照率通過光譜維快速插值得到。

本發(fā)明主要實現(xiàn)了應(yīng)用于海洋環(huán)境的隨機(jī)起伏海表面反照率全譜段計算方法，高精度的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在綜合考慮了實際海洋大氣條件下太陽入射角度、風(fēng)速、葉綠素濃度、海表面粗糙度、大氣渾濁度以及折射率隨波長變化的特征等多維元素的復(fù)合影響，同時考慮了實際海洋環(huán)境下白帽和飛沫對海表反照率的影響效應(yīng)，高效率主要體現(xiàn)在對關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)先建立了參數(shù)化模型，使得運(yùn)算效率大幅提高。該計算方法有助于推進(jìn)國家對海洋區(qū)域海表光反射特性時空變化的規(guī)律性認(rèn)知，促進(jìn)全面掌握關(guān)鍵海域海表面參數(shù)信息，為我國海色遙感、海洋氣溶膠特征參數(shù)的定量獲取、氣候研究及相關(guān)海洋空間光電工程應(yīng)用提供重要參數(shù)支撐。