[发明专利]一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法

说明书

本发明涉及一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法。其步骤如下：基于Mie散射模型计算水底土壤颗粒物的单次散射反照率与散射相函数的不对称因子，设定热点宽度与热点高度，基于Hapke模型模拟得到裸露土壤的方向反射率；基于二流近似辐射传输理论，构建光学浅水水体遥感反射率模型；耦合Hapke模型与光学浅水水体遥感反射率模型，形成一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟的技术方案。本发明能实现对不同水深、水质、水底粗糙度与反照率、光照等情形下，沙质型水底光谱方向反射特性的精确描述。本发明是建立在辐射传输理论的基础上，具有物理意义明确、精度高、运算速度快等优点，具有业务化推广应用的前景。

(一)所属技术领域

本发明涉及一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法，属于海洋技术领域，在水 色遥感技术研究和定量化应用方面具有重要意义。

(二)背景技术

自然界大型水体(包括海洋、湖泊、河流与水库等)的底质类型主要分为：沙质型、淤 泥型、水草型、珊瑚礁型以及上述类型的混合型。相对于其他水底类型，沙质型水底具有较 强的反射特性，对光学浅水遥感信号产生显著的影响。因此，科学认识沙质型水底的二向反 射特性对于海洋浅水水质精确反演、水深遥感反演等方面具有非常重要的意义。

二向性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性，而 且这种方向性还与入射方向、物体表面结构特征及物质组成等具有密切的关系。不同物体表 面将入射的电磁波朝四面八方散射(除吸收外)，形成散射通量不同的空间分布，反射的方 向性是其空间结构特征与材料波谱特征的函数。物体的反射特性通常用二向性反射分布函数 (Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)加以精确描述。

大量事实与研究表明，地表存在着不同程度的非朗伯体特性。植被、土壤的二向反射特 性及基于二向反射特性的地球化学参数与地表物质结构参数反演研究在国内外取得了长足 的进展，并发展出一些比较成熟的土壤及植物冠层的二向反射分布模型。但在海洋学中，水 体的二向反射特性研究相对较少。这主要是由于影响海洋光谱方向性的因素较多，海上原位 测量比较困难，风浪、船体与仪器设备的阴影、入射光照条件等都能引起较大误差，难以通 过实验精确测量。以往的诸多相关研究多侧重于沙质型水底反射率数值大小的测量，通常认 为水底是朗伯反射体，而不考虑沙质型水底反射的方向性。实际上沙质型水底往往并非平坦， 在水动力作用下往往形成一定的水底形态，如沙脊与水下沙丘等典型水下地貌类型，水下地 表的起伏必然对水下入射光的反射产生显著的影响，因此需要对真实的沙质型水底的BRDF 特性进行合理地描述。

本研究借鉴典型的陆地表面土壤BRDF模型(Hapke模型)，Mie散射模型、耦合水体生物光学模型，构建一种新型的适用于沙质型水底的BRDF模型，对于海洋水色遥感中正确估算离水辐亮度，实现水底反射贡献与水柱散射贡献的分离具有非常重要的研究意义。

(三)发明内容

本发明涉及一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法，技术解决方案如下：基于 Hapke土壤BRDF模型描述裸露沙地的二向反射特性，构建光学浅水水体生物光学模型以刻画水柱衰减对水底反射信号的影响，最后将裸土BRDF模型与光学浅水水体生物光 学模型进行耦合，实现对沙质型水底方向反射特性的描述与量化。其具体步骤如下：

1一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法。其特征在于包含以下步骤：

2步骤一：利用Hapke模型模拟裸露沙质土壤光谱的方向反射特性，具体技术流程如下：

3第一步：根据太阳入射方向与观测方向计算在该观测几何下的散射角：

4

5其中，φ为散射角，θ_s为太阳天顶角，θ_v为观测天顶角，为太阳方位角，为观测方位角；