基于多角度遙感的湖泊BRDF仿真模型研究

摘" 要：BRDF是湖泊水體光學(xué)特性研究與輻射傳輸仿真研究的重要模型，該文通過對常用海洋方向輻射仿真模型在內(nèi)陸湖泊的應(yīng)用，對中國太湖這一典型渾濁內(nèi)陸湖泊進行適用性分析。根據(jù)太湖自然地理特征，將太湖劃分為7個湖灣區(qū)域。根據(jù)5個半經(jīng)驗BRDF模型（MAG2002、Lee2004、Park-Ruddick2005、Woerd-Pasterkamp2008和Lee2011）計算方向輻射仿真結(jié)果，與多角度MISR衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)大氣校正后的方向輻射進行定量擬合比較。綜合結(jié)果表明，Woerd-Pasterkamp2008和Lee2011具有最好的擬合效果，是內(nèi)陸湖泊適用性最好的模型。

關(guān)鍵詞：多角度遙感；湖泊；BRDF；輻射傳輸；仿真

中圖分類號：TP79" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0037-05

Abstract： BRDF is an important model for the research of optical characteristics and radiation transfer simulation of lake water bodies. This paper analyzes the applicability of Taihu Lake， a typical turbid inland lake in China， by applying common ocean directional radiation simulation models to inland lakes. Based on the natural geographical characteristics of Taihu Lake， Taihu Lake is divided into 7 bay areas. The directional radiation simulation results were calculated based on five semi-empirical BRDF models （MAG2002， Lee2004， Park-Ruddick 2005， Woerd-Pasterkamp2008， and Lee2011）， and were quantitatively fitted and compared with the directional radiation after atmospheric correction of multi-angle MISR satellite remote sensing data. The comprehensive results show that Woerd-Pasterkamp2008 and Lee2011 have the best fitting results and are the best applicable models for inland lakes.

Keywords： multi-angle remote sensing; lake; BRDF; radiative transfer; simulation

國際海洋水色協(xié)調(diào)工作組IOCCG根據(jù)水體的光譜特征，將自然界的水體分為一類水體和二類水體，其中，清潔大洋為一類水體，近岸海洋與內(nèi)陸湖泊稱為二類水體[1-2]。內(nèi)陸湖泊的水體輻射光學(xué)特性與清潔海洋水體相差巨大。在水體的BRDF仿真模型構(gòu)建研究中，遙感反演是大面積、多角度輻射信息提取的主要途徑。在水色遙感界，特別是海洋遙感領(lǐng)域，已經(jīng)有相當(dāng)多的研究成果。以清潔大洋水體為研究對象，Morel等[3]基于大氣與水體耦合的輻射傳輸模型，構(gòu)建了模型系數(shù)查找表，用于計算不同角度的海洋水面上行輻射，這也是目前應(yīng)用最廣的用于海洋離水輻射標(biāo)準(zhǔn)模型。近年來，不同水質(zhì)的水體輻射模型被提出，具有代表性的是多項式半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Lee等[4-5]基于近岸海洋水域，對分子散射與粒子散射分別擬合仿真，構(gòu)建了一種二項一次BRDF模型，并且在后續(xù)的研究中，提出了改進的二次擬合多相似模型。Park和Ruddick[6]結(jié)合一類清潔海洋與二類復(fù)雜海洋水體的特性構(gòu)建半經(jīng)驗BRDF模型，其核心是散射吸收系數(shù)的比值多項式。在HYDROPT模型反演模型中，Woerd和Pasterkamp[7]對海水葉綠素a濃度求自然對數(shù)并分析，進而以散射吸收系數(shù)的自然對數(shù)為核心，提出了一種用以海洋表面仿真模擬的BRDF模型。

但是，這些成果都是集中于海洋水域。湖泊BRDF仿真模型研究對定量遙感監(jiān)測及水體二向反射特性研究發(fā)展有著重要意義，是進行遙感數(shù)據(jù)處理、湖泊環(huán)境監(jiān)測、軍事場景仿真等必須解決的問題。因而，本研究選取了5種常用的海洋仿真半經(jīng)驗BRDF模型，將其移植至內(nèi)陸湖泊，在湖泊水域中計算模擬離水方向反射。通過以遙感影像數(shù)據(jù)做驗證，對各模型仿真效果進行研究，比較其在內(nèi)陸湖泊中的適用性。

1" 研究區(qū)域及遙感數(shù)據(jù)

1.1" 研究區(qū)域

本實驗選取的內(nèi)陸湖泊為太湖。由于太湖水域面積較大，不同區(qū)域有著不同的自然水文條件和水質(zhì)狀況。根據(jù)太湖的自然地理與水文水質(zhì)情況特征，可以將太湖劃分為7個研究區(qū)，分別為梅梁灣、貢湖、竺山灣、中心湖區(qū)、西南湖區(qū)、胥湖和東太湖[8]，如圖1所示。

1.2" 遙感數(shù)據(jù)

本實驗選用MISR L1B的一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，即L1B TOA（Top of Atmosphere）天頂輻射數(shù)據(jù)，對齊進行大氣校正后，生成太湖的遙感多角度離水輻射反射率初始數(shù)據(jù)。Terra衛(wèi)星的MODIS地表反射率產(chǎn)品即MOD09數(shù)據(jù)，可提供內(nèi)陸湖泊的參考反射率。

1.3" 大氣風(fēng)速數(shù)據(jù)

大氣數(shù)據(jù)來自由美國國家航空航天局（NASA）建立的AERONET（AErosol RObotic NETwork）站點數(shù)據(jù)，包含大氣氣溶膠光學(xué)厚度、粒徑分布等產(chǎn)品。風(fēng)速數(shù)據(jù)下載自NCEP六小時分辨率的全球大氣再分析產(chǎn)品。

2" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1" 太陽耀光像元的剔除

由于水面在特定角度會形成類似鏡面反射的效果，會引發(fā)傳感器過曝，稱為太陽耀光現(xiàn)象?？紤]風(fēng)速對水面粗糙度的影響，剔除太陽耀光像元[9]。

2.2" 大氣校正

利用AERONET站點的氣溶膠數(shù)據(jù)（AOD、SSA、復(fù)折射指數(shù)、粒徑分布等參數(shù)）構(gòu)建太湖上空氣溶膠的散射相函數(shù)，基于大氣輻射傳輸模型與ASRVN算法，對太湖上空的遙感數(shù)據(jù)進行大氣校正，獲取該區(qū)域的方向離水反射率。

2.3" 光學(xué)淺水的去除

光學(xué)淺水（Optically Shallow Waters）是與光學(xué)深水（Optical Deep Waters）相對的概念，指遙感傳感器接受到的輻射信息中，不僅包含水體的輻射，還包含水體底質(zhì)的輻射。光學(xué)淺水中，水底的輻射會穿透水面，對水色遙感的精度產(chǎn)生混淆[9]。在實驗之前，需要利用MOD09進行光學(xué)淺水的識別與去除[10-11]。流程如圖2所示。

3" 研究方法

本文選用了5種半經(jīng)驗BRDF仿真模型[3-7]，如下。

3.1" MAG2002模型

4" 實驗結(jié)果分析

4.1" BRDF模型在太湖區(qū)域的適用性分析

BRDF模型在太湖區(qū)域的適用性分析研究。依據(jù)大氣校正后的方向離水反射率與5種BRDF模型，對MISR 9個角度影像進行逐像元的模型系數(shù)計算，并得出其相關(guān)系數(shù)，評價BRDF模型與湖泊二向反射的擬合效果。隨后，選取部分影像作為訓(xùn)練樣本集，獲取模型系數(shù)，基于模型系數(shù)與BRDF模型，計算方向離水反射率，分析BRDF模型對湖泊二向反射的防真模擬能力。得到結(jié)果如圖3所示。

但太湖不同區(qū)域的水質(zhì)相差較大，為得到更準(zhǔn)確的結(jié)論，分別對不同區(qū)域進行模型模擬根據(jù)各模型的擬合數(shù)據(jù)，做出柱狀圖，包括均方根誤差RMSE與相關(guān)系數(shù)R2，如圖4所示。

根據(jù)圖4可以得出幾條結(jié)論。其一，無論是全湖還是各區(qū)域為代表的不同水質(zhì)情況下，以Petzold相函數(shù)為基礎(chǔ)的4種模型，整體表現(xiàn)要比以葉綠素a濃度建立散射相函數(shù)的MAG2002模型表現(xiàn)要好。在二類水體中，相位函數(shù)的精確形狀對于模擬海洋的BRDF并不重要，Petzold測量渾濁水體得到的單個平均粒子散射相函數(shù)發(fā)揮得更好。其二，在剩下的4種模型中，Woerd-Pasterkamp2008模型的誤差與相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)最好，其次是Lee2011模型。

4.2" 基于先驗知識的BRDF模型在太湖區(qū)域的適用性分析

我們的第二種方法是從5個半經(jīng)驗生物光學(xué)BPDF模型中找出最精確的先驗?zāi)Ｐ?。選取MISR方向離水反射率為訓(xùn)練集，獲取模型的經(jīng)驗常數(shù)。模擬結(jié)果在圖5中以柱狀圖的形式展示。由圖5可知，Lee2011模型表現(xiàn)最好，穩(wěn)定性最強，其次為Park-Ruddick2005模型，Woerd-Pasterkamp2008模型的適用性有較大程度的下降，反而成為影響模型普適性的原因。

5" 結(jié)論

本文基于MISR多角度遙感數(shù)據(jù)與氣溶膠站點數(shù)據(jù)，獲取了太湖上空的二向反射率數(shù)據(jù)，將5種海洋BRDF仿真模型擴展至內(nèi)陸湖泊。通過散射角等觀測幾何參數(shù)的計算，結(jié)合固有光學(xué)特性參數(shù)，我們對5種BRDF模型進行了比較分析。結(jié)果表明，在以太湖為代表的內(nèi)陸湖泊中，Woerd-Pasterkamp2008和Lee2011具有最好的適用性。

未來將研究區(qū)域由太湖擴展至其他湖泊，來檢驗?zāi)Ｐ偷目梢浦残?，并結(jié)合不同湖泊的特點，來優(yōu)化模型。

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