科研成果
基于紫外和短波红外内插的水色遥感大气校正算法
时间：2023年02月28日
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近日，我所何贤强研究员团队及合作者在国际遥感领域知名期刊Optics Express上发表了题为“Atmospheric correction algorithm based on the interpolation of ultraviolet and shortwave infrared bands”的研究论文。论文第一作者为我所与上海交通大学联合培养的博士生白若枫，通讯作者为我所何贤强研究员，合作者包括我所白雁研究员、龚芳高级工程师、朱乾坤正高级工程师、王迪峰研究员、李腾博士。
大气校正是海洋水色遥感的关键技术，其可靠性直接影响后续的水色要素和其它生地化参数的反演精度。气溶胶散射的精确校正是水色遥感大气校正的主要难点，因为气溶胶组份或类型、光学厚度时空变化极大。现有业务化大气校正算法一般基于离水辐射在近红外或短波红外（称为参考波段）可以忽略不计的假设，估算获得参考波段的气溶胶散射信号，然后根据气溶胶模式光谱外推获得可见光或近红外的气溶胶散射信号，最终获得这些波段的离水辐亮度，实现大气校正。由于外推误差会随着外推光谱距离的增大而显著增大，导致在短波的大气校正误差累积放大。此外，当前大气校正算法也未能有效处理沿海区域广泛存在的吸收性气溶胶情况，导致短蓝波段的大气校正结果会产生显著的“负值”问题。
针对上述难题，本文提出了一种基于紫外和短波红外内插的大气校正算法（UV-SWIR-AC）。该算法假定离水辐射在紫外波段、短波红外波段可忽略不计，估算获得紫外、短波红外的气溶胶散射信号并识别气溶胶吸收性，然后基于辐射传输模型模拟建立不同观测几何下气溶胶散射光谱关系，从而获得可见光、近红外谱段的气溶胶散射估计。本文针对弱/强吸收性气溶胶的特性，分别提出了幂函数和分段函数两种内插方法（图1），模拟结果验证表明该方法在全谱段的相对误差均在10%以内（图2）。
图（1） 拟合函数类型的选择标准:弱吸收气溶胶类型(a)和强吸收气溶胶类型(b)
图（2） 拟合函数在不同波段下拟合结果的RE对比图。太阳天顶角为40°，观测天顶角为0 ~ 80°，相对方位角为0 ~ 180°，865nm光学厚度为0.5
本文将构建的算法应用于极轨气候观测卫星（Global Change Observation Mission - Climate，GCOM-C）的第二代全球成像仪（The Second-Generation Global Imager, SGLI）的遥感数据，并利用杭州湾海上塔台卫星遥感定标检验系统获取的高频连续实测水体光谱数据对本算法反演结果进行验证，并与传统大气校正算法（短波红外算法SWIR-AC和紫外算法UV-AC）结果进行比对，结果表明本算法在各波段的校正精度均高于传统算法。图3展示了基于UV-SWIR-AC算法对完整一景遥感图像的处理结果，对包括内陆湖泊、河流以及近岸、陆架水体在内的多种水体均有较好适用性。
图（3） 基于UV-SWIR-AC算法反演的遥感反射率结果（2019年4月1日02:53（UTC））。
论文引用：
Ruofeng Bai, Xianqiang He, Yan Bai, Fang Gong, Qiankun Zhu, Difeng Wang, and Teng Li, "Atmospheric correction algorithm based on the interpolation of ultraviolet and shortwave infrared bands," Opt. Express 31, 6805-6826 (2023).
