[发明专利]一种沙质型水底光谱方向反射特性模拟方法

摘要

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。

主权项

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：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：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：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；第二步：采用Henyey‑Greenstein相函数计算土壤颗粒的平均散射相函数：其中，g表示不对称因子，取值范围为[‑1,1]，其中，‑1对应于后向散射，+1对应于前向散射；第三步：考虑散射的后向热点效应，计算土壤后向散射效应如下：其中，h表示与热点宽度相关的经验性参数，h＝tan(HWHM/2)，HWHM表示热点峰值一半处的半角宽度；第四步：计算土壤颗粒间的多次散射过程，用H(x,ω)表示：其中ω为颗粒物的平均单次散射反照率；第五步：计算裸露沙地光谱的方向反射率：其中，S_H表示后向散射的热点峰值；步骤二：基于Mie散射模型计算土壤颗粒的单次散射反照率与散射相函数不对称因子，作为Hapke模型的输入参数，从而实现Mie散射模型与Hapke模型之间的耦合；步骤三：构建光学浅水的水体遥感反射率模型，叠加水体背景于裸露沙地表面，构建沙质型水底的浅海辐射场景；海表层上表面遥感反射比R_rs表示为：其中，为水—气交界因子，t‑为从海表层下表面到上表面的透过率，t+为从海表层上表面到下表面的透过率，n为海水的折射率；Γ＝Qγ，γ是水—气界面内反射系数，Q＝E_u‑/L_u‑，ζ与Γ的值由Hydrolight水体光学辐射传输模型导出，分别为0.518和1.562；基于二流近似辐射传输理论，Lee水体光学模型将光学浅水的海表层下表面遥感反射比r_rs分解为水体反射与水底反射的贡献之和，即式中，第一项为海水水体的散射贡献，第二项为海底的反射贡献，为光学深水的海表层下表面遥感反射比，K_d为下行辐照度的垂直平均漫射衰减系数，为水体上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，为海底上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，ρ为海底辐照度反射率，H为海底深度，A₀,A₁为系数；光学深水的遥感反射率可表示为式中，a，b_b分别为海水总吸收系数和后向散射系数；g₀,g₁为和海水各组分的相位函数相关的参数；当垂直观测时，对于清洁水体，g₀≈0.0949,g₁≈0.0794；对于浑浊水体，g₀≈0.084,g₁≈0.17；对于清洁水体和浑浊水体并存的区域，取其均值，分别为g₀≈0.0895,g₁≈0.1247；令α＝a+b_b任意漫射衰减系数K能用一个近似分布函数D表示，即K＝Dα对于特定类型的分布函数：K_d＝D_dα,由于α是水体固有光学性质，所有与K有关的量转化为与分布函数D有关，由上可知，光学浅水遥感反射率进一步表达为根据Hydrolight模型计算可得，A₀,A₁分别为1.032和0.309；D₀,D₁,D₂,D₃分别为1.03、2.4、1.04和5.4；步骤四：将Hapke模型计算得到的作为光学浅水遥感反射率模型的底部边界条件的输入，从而实现底质Hapke模型与光学浅水遥感反射率模型耦合，形成一种沙质型水底光谱方向反射特性描述的技术方法。