1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
3 江苏省环境监测中心，南京 210019
利用卫星遥感反演水体中的悬浮物浓度对水质监测和保护具有重要意义，在悬浮物浓度反演过程中，如何避免或最大程度降低水体中叶绿素a、有色可溶性有机物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）的干扰是当前的技术难点。文章针对可持续发展科学卫星1号（SDGSAT-1）MII传感器，利用Hydrolight辐射传输模型，从理论上挖掘只与悬浮物强相关的反演因子，以此构建适用于MII影像的太湖悬浮物浓度反演模型，通过水体的实测数据和遥感数据对模型应用效果进行验证。结果表明：反演因子$ R'{\text{(}}{B_{\text{5}}}{\text{/}}{B_{\text{3}}}{\text{)}} $与悬浮物浓度为强相关，同时与叶绿素a、CDOM浓度弱相关；利用$ R'{\text{(}}{B_{\text{5}}}{\text{/}}{B_{\text{3}}}{\text{)}} $作为反演因子构建的幂函数模型为最优反演模型；将幂函数模型分别应用于实测数据和2022年5月4日的太湖SDGSAT-1 MII数据，两次验证试验显示反演结果和现场测量结果具有较强一致性，模型适用性较好。该研究可为SDGSAT-1卫星在湖泊水体悬浮物浓度监测、水资源评估与保护等提供一些技术参考。
悬浮物浓度反演 可持续发展科学卫星1号 相关性 水体辐射传输模拟 遥感应用 suspended matter concentration retrieval SDGSAT-1 correlation water body radiative transfer simulation remote sensing applications
西安理工大学机械与精密仪器工程学院激光雷达大气遥感研究中心，陕西 西安 710048
以斜程能见度精确探测为目标，综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展，分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性，重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法，剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例，突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后，展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。
大气光学 激光遥感 斜程能见度 辐射传输模式 散射辐射亮度
1 华中光电技术研究所 — 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
2 武汉设计工程学院信息工程学院, 湖北 武汉 430225
水下光电成像技术可以获取水中目标的高分辨率信息, 在水下资源勘探或水下威胁目标探测告警等民用和军用领域有重要的应用。研究水下光电成像模型, 旨在阐明水下图像退化机理, 获取高质量的水下光电图像。以静态水下光场分布为基础, 通过视线方向上的路径亮度积分获取水下图像, 从而建立水下图像与水下光源分布、目标布置、水体光学参数以及视点位置的关系, 得到水下光电成像模型。以水下实际拍摄的光电图像为例, 初步验证了水下光电成像模型的有效性。该成像模型从理论上说明了在自然光及人工照明情况下的水下图像形成原理, 对设计优良的水下光电成像系统及水下图像复原算法具有指导意义。
水下光电成像 多次散射 模型 水中能见度 辐射传输方程 underwater electro-optical imaging multiple scattering, model visibility in water radiative transfer equation
山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590
传统气溶胶反演方法通常先基于模型假设确定地表反射率，但反演结果会受到假设的影响；而深度学习方法基于数据驱动，能在气溶胶定量反演中得到更加准确、高效的结果，但模型训练需要充足的优质样本数据支持。为此，使用大气辐射传输模型构建模拟样本，支持深度学习方法实现气溶胶定量反演，旨在解决当前训练数据代表性不足、数据获取困难的问题。利用辐射传输模型模拟不同参数条件下传感器获得的辐射信息，考虑概率组合及筛选标准限制进行模拟数据构建，并使用深度置信网络（DBN）对模拟样本进行训练，获得气溶胶反演模型。将模型应用于Landsat-8数据，在中国北京地区开展气溶胶反演实验。最后使用AERONET地面站点的实测数据对反演结果进行精度验证。验证结果表明，模型估算的气溶胶与站点测量值吻合良好，相关系数为0.8989，均方根误差为0.1029，约74.05%的估算值在误差标准内。本文提供了一种基于辐射传输方程构建样本数据集的思路，可减少样本质量与数量导致的局限性，实现深度学习方法对气溶胶光学厚度的高精度反演。
气溶胶光学厚度 辐射传输方程 Landsat-8卫星 深度置信网络 光学学报
2023, 43(24): 2401006
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
场景定标是大视场遥感器在轨替代定标的常用方法，具有定标频率高、无需同步测量的优点。冰雪场景通常使用格陵兰冰盖（75°S，123°E）和南极冰盖（73.375°N，40°W）作为目标，由于其海拔较高（通常大于2 km），故受到大气影响较小，能够得到数据质量较好的定标样本。此外，冰雪在可见光范围以内光谱较为平坦，因而比较方便借助于其他定标方法实现波段传递。基于对前人极地场景定标方法的研究，将冰雪场景的地表双向反射分布函数（BRDF）和大气参数代入辐射传输模型之后，对我国高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪（DPC）载荷的在轨辐射响应变化进行测试，得出的结论与沙漠场景和海洋场景的定标结果吻合度较高，且定标结果的离散度更小。所提方法可以对载荷在轨运行期间的探测数据提供长期监测、校正，并有助于业务化应用产品的质量提升。
在轨辐射定标 冰雪场景 辐射传输 地表双向反射分布函数模型 光学学报
2023, 43(18): 1812005
南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室，江苏 南京 210016
针对高精度遥感应用中含云大气波段辐射传输计算成本较高的问题，提出单次散射参量极大相关k分布优选算法（SSP-MCKD）。通过分析不同环境条件下含云大气消光系数、单次反照率和不对称因子等参量在光谱分布上的相关性，将CKD理论从单一吸收系数扩展至多种光谱参量。根据对单次散射源函数的影响程度，优选各条谱线的极大相关光谱参量并进行分组重排，在组间和组内求解平均等效参量和求积权重。实验结果表明：与算法和云层属性参数化的相关k分布算法相比，SSP-MCKD适用于吸收、半吸收和透过等各类波段，收敛速度最快；在不同高度云层场景中，辐射亮度平均误差低于2%；在不同类型云层场景中，辐射亮度平均误差低于6%。SSP-MCKD在适用性、稳定性及计算精度方面均具有明显优势。
遥感 含云大气 波段辐射传输 相关k分布 单次散射源函数 极大相关参量 光学学报
2023, 43(18): 1801001
1 中北大学 机电工程学院, 太原
2 哈尔滨工业大学 工信部空天热物理重点实验室, 哈尔滨
火箭发动机高温尾喷焰因具有显著的红外辐射特征成为天基红外系统探测、跟踪、分类和识别任务重点关注的对象。火箭发动机喷焰辐射信号产生、传递机制的物理建模和数值计算一直是目标探测领域重点关注的问题, 也正朝着高精度、高效率的方向发展。针对火箭发动机喷焰红外辐射数值计算研究, 围绕喷焰红外辐射计算链路所涉及的各环节, 从喷焰反应流场模拟、高温燃气辐射物性参数计算、辐射传输计算和数理模型校验试验等方面的研究情况展开综述。
火箭发动机尾喷焰 红外辐射 辐射传输 rocket exhaust plume infrared radiation radiative transfer
1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
太阳远紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一, 临近空间环境对太阳爆发活动的响应是有待深化研究的重要科学问题。 对太阳远紫外在中高层大气的辐射特性进行研究, 是研究临近空间大气成分与密度变化、 光化学反应以及动力学过程的重要基础。 利用FISM2耀斑模型计算的远紫外数据和MSIS-E-00模型提供的地球中高层大气数据, 将120～190 nm的太阳远紫外辐射分为7段, 使用基于Lambert-Beer定律的大气辐射传输方法进行数值模拟。 选取2010年1月至2020年12月共11年间的150组耀斑数据, 利用时间滞后互相关(TLCC)评估了太阳远紫外辐射和软X射线的耀斑峰值时间差, 使用最小二乘法(LS)计算了二者的耀斑峰值流量关系, 然后利用大气辐射传输方法计算了耀斑爆发时太阳远紫外在临近空间(20～100 km)的光谱特性、 流量变化以及加热率变化, 最后计算了太阳远紫外辐射在地球大气中的沉积情况。 计算结果表明, 在太阳耀斑爆发过程中, 远紫外辐射的流量出现明显变化, 流量峰值比软X射线提前240 s左右; 远紫外辐射与软X射线的流量峰值近似线性相关, 大于140 nm波段的系数随波长的增加而增大; 在20～100 km的临近空间范围, 太阳远紫外光谱几乎被完全吸收, 但由于大气成分特殊的吸收窗口结构, 185～190 nm波段的部分光谱可到达20 km高度; 临近空间区域内, 太阳耀斑爆发时与爆发前的远紫外流量比值在7个波段均为2.0左右, 峰值加热率的比值分别为1.22, 1.88, 1.35, 1.42, 1.23, 1.08和1.11。 验证了在临近空间利用远紫外辐射感知太阳耀斑的可行性, 为临近空间光学探测实验提供理论依据, 为大气反演等相关研究领域提供参考。
临近空间 太阳耀斑 远紫外 辐射传输 大气吸收 Near space Solar flare Far ultraviolet radiation Radiative transfer Atmospheric absorption
1 中国海洋大学海洋技术学院/三亚海洋研究院,山东 青岛 266100/海南 三亚 572024
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室,山东 青岛256237
3 国家卫星海洋应用中心,北京100081
利用黄海不同季节实测生物发光数据, 结合同步测量的固有光学性质数据, 基于辐射传输模拟, 分析了生物发光所致离水辐亮度(Lw-bio)的数值变化和光谱变化, 并讨论其与固有光学性质及生物发光所处深度的联系。 主要结论如下: (1)黄海水体Lw-bio幅值不仅具有显著的季节变化特征, 同时具有显著的空间变化特征, 影响其变化的主要因素除水体本身发光生物的丰度和发光能力外, 与水体自身固有光学性质和发光生物所处深度有关。 (2)在光谱变化方面, Lw-bio最大峰值波长漂移不仅随着生物发光所处深度加深而增大, 同时与固有光学性质有关, 在固有光学性质其值较大的水体, 当生物发光的光源深度位于表层以下, Lw-bio峰值波长可由蓝光波段(474 nm)变为绿光波段(最大可移动至578 nm); 在固有光学性质其值较小的清澈水体中, 辐亮度光谱变化较弱, 其Lw-bio峰值波长仍在蓝光波段范围内(最大可移动至500 nm)。 (3)黄海海域宽泛的固有光学性质对生物发光光源的几何深度反演影响较大, 但可通过Lw-bio的光谱信息, 反演光源的几何深度。
黄海水体 辐射传输 固有光学性质 生物发光所致离水辐亮度 The Yellow Sea Radiative transfer Inherent optical properties Water leaving radiance originated from bioluminescence 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1899
1 广东海洋大学电子与信息工程学院, 广东 湛江 524088
2 广东海洋大学数学与计算机学院, 广东 湛江 524088
3 广东海洋大学海洋与气象学院, 广东 湛江 524088
目前, 学者主要关注利用遥感技术探测海面油膜。 然而, 经海洋物理过程或人为喷洒化学分散剂处理形成的水中油对海洋生境也具有危害作用。 水体上行辐亮度是水色传感器的重要信号源, 通过分析含油水体的上行辐亮度光谱特征, 探索快速有效地遥测水中油的方法对保护海洋生境具有重要意义。 基于大连港海域现场实测数据及Hydrolight模拟含油水体水下光场, 通过分析上行辐亮度随波长、 水深及太阳天顶角的变化特征, 剖析水中油对上行辐亮度光谱的影响及水中油的敏感光谱特性。 结果表明水中油的主要波谱响应区间位于可见光波段(380~760 nm)。 随着水中油浓度的增加, 上行辐亮度光谱峰值有逐渐向长波方向移动及蓝光波段辐亮度量值逐渐降低的趋势, 这些变化处于水色遥感的探测光谱范畴, 为利用水色遥感技术探测水中油提供了光谱依据。 其次, 上行辐亮度随水深逐级递减, 并在接近水体下界面前不降反升的现象说明刚好在水面之上的上行辐亮度由各深度水体组分的后向散射及下界面的反射共同贡献, 再经水汽界面上行透射而得, 属于水体辐射传输的核心机理。 这与水面油膜通过油类物质改变海表反射率而产生与自然海表不同反射光谱的探测机理具有本质上的差别。 再者, 与含水中油水体后向散射产生的上行辐亮度相比, 海表对太阳光的反射属于强信号, 会掩盖水体组分信息。 水色卫星搭载的水色传感器具有一定的侧摆能力, 能避开太阳辐射反射信号并接收到含水中油水体的上行辐亮度; 水色卫星的当地过境时间一般为10至14点, 且水色传感器具有高信噪比特征, 满足含水中油水体的暗像元探测要求。 该研究揭示了水色遥感探测含水中油水体的光谱和机理依据, 表明可以视水中油为一种新的水体组分, 基于光在水体中的辐射传输过程, 开展含水中油水体的水色遥感反演研究。
水色遥感 辐射传输机理 石油污染 上行辐亮度光谱 Water color remote sensing Radiative transfer mechanism Oil pollution Upward radiance spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1648
