面向开阔海域的偏振水色卫星遥感大气校正算法(IPAC)
作者:sio
时间:2024年02月22日
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近日,我所何贤强研究员及合作者在遥感领域知名期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上发表了题为“Intelligent Atmospheric Correction Algorithm for Polarization Ocean Color Satellite Measurements Over the Open Ocean”(面向开阔海域的偏振水色卫星遥感智能大气校正算法)的研究论文。论文的第一作者为我所的何贤强研究员和浙江大学联合培养的博士生潘天峰,通讯作者为何贤强研究员,合作者包括我所的白雁研究员、王迪峰研究员、李腾副研究员、龚芳高级工程师以及印度理工学院Madras分校的Palanisamy Shanmugam教授。

水色卫星遥感是利用光学传感器观测大气顶上行的光谱辐射信号,经过大气校正后获得离水辐射信息,进而反演水中不同物质的浓度或组分信息。传统水色卫星仅探测辐射强度信号(辐射Stokes矢量[I,Q,U,V]中的第一个元素)。随着卫星传感器技术的发展,水色卫星探测正从辐射强度向Stokes矢量探测发展(如NASA计划2024年发射PACE卫星),进而可望探测离水辐射矢量信号。由于海洋-大气耦合介质系统辐射传输过程复杂且离水辐射偏振信息微弱(大气、水面干扰大),以及偏振海洋水色遥感的多种应用需求,卫星测量矢量辐射的大气校正至关重要。

针对该问题,本文在之前所提出的PACNIR算法 (Pan, He*, et al., 2023) 的基础上,进一步提出了一种智能偏振大气校正算法 (IPAC)。该算法能有效处理多角度、多光谱和偏振卫星观测数据,并提取出离水辐射偏振分量信息,以及开阔大洋的气溶胶特性(粗模态和细模态)和水体固有光学参数。为了开发IPAC算法,我们基于大量GlobColour Level-3产品的统计结果以及我们前期构建的偏振离水辐射大气漫射透过率查找表 (Pan, He*, et al., 2022),使用矢量辐射传输模型模拟了开阔海域大气顶矢量表观反射率信息,生成了大约6000万组大气顶矢量表观反射率和89个反演子模型,进一步组成了IPAC模型的单元。IPAC的输入参数包括3个波长 (490、670、865 nm)、3个Stokes矢量元素 (I、Q、U) 和13组太阳-传感器观测几何组合。验证结果表明, IPAC算法的偏振离水反射率和叶绿素浓度反演的平均误差分别低于34.43%和37.66%。

偏振探测是水色卫星遥感未来发展的重要方向,IPAC算法展示了其处理多角度、多光谱和偏振水色卫星数据的能力,为海洋水色偏振遥感卫星观测数据的处理提供了新的方法。


图1 IPAC算法流程图

图2 IPAC算法反演结果、GlobColour水色遥感产品与AERONET-OC观测数据的比较。 (a)和(c) IPAC结果,(b)和(d) GlobColour数据,(e)和(f) 相对误差概率密度函数。

图3 IPAC算法反演与与矢量辐射传输模拟的比较. (a) , (b) , (c) ,  (d)相对误差概率密度函数。


图4 IPAC算法反演与GRASP算法反演粗模态气溶胶光学厚度的对比及空间分布。

图5 根据2011年的现场测量数据,对PARASOL/IPAC和GlobColour产品中悬浮颗粒物浓度(SPM) [单位: g m-3] 和CHL [单位: mg m-3] 的验证结果。(a) IPAC/SPM, (b) IPAC/CHL, (c) GlobColour/SPM, (d) GlobColour/CHL。(a-d)中的小图来自它们的蓝框区域:0.50≤SPM≤4.5 g m-3, 0.10≤CHL≤0.90 mg m-3。


论文引用:

X. He *, T. Pan, Y. Bai, P. Shanmugam, D. Wang, T. Li, and F. Gong, "Intelligent Atmospheric Correction Algorithm for Polarization Ocean Color Satellite Measurements Over the Open Ocean," IEEE T Geosci Remote. 62, 1-22 (2024).