申 茜，李俊生，張 兵，吳艷紅，鄒 雷，吳太夏

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

水面原位多角度偏振反射率光譜特性分析與離水輻射提取

申 茜，李俊生*，張 兵，吳艷紅，鄒 雷，吳太夏

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

偏振被定義為光的振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性。偏振信息是遙感數(shù)據(jù)空間、輻射、光譜信息之外的又一重要信息。對(duì)于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)來說，偏振信息是對(duì)光譜信息的又一種補(bǔ)充。偏振遙感在水體應(yīng)用中具有巨大潛力，其中一個(gè)非常重要的應(yīng)用就是校正天空光水面鏡面反射，從而得到包含水中物質(zhì)信息的離水輻射信號(hào)。太陽(yáng)入射光會(huì)在水面發(fā)生反射或者與水體中顆粒物發(fā)生散射作用，使得離開水面被遙感器接收的信號(hào)具有很強(qiáng)的偏振特性。目前開展的水體偏振遙感實(shí)驗(yàn)要么面向室外自然光條件下的清潔海洋水體，要么面向室內(nèi)人造光源條件下的模擬水體，鮮有面向自然光條件下的渾濁內(nèi)陸水體。本文通過組合地物光譜儀和湯姆森偏振棱鏡，實(shí)現(xiàn)了自然光條件下內(nèi)陸水體水面原位偏振反射率光譜測(cè)量。利用獲取的典型內(nèi)陸水體水面多角度偏振反射率光譜，定量分析了多角度觀測(cè)條件下水體偏振光譜特性，以及從水面偏振信號(hào)中消除天空光水面鏡面反射從而得到離水輻射信號(hào)的效果。當(dāng)觀測(cè)方位角為135°、觀測(cè)天頂角為53°時(shí)，采用偏振測(cè)量剝離水表天空反射光的剝離效率較好，推薦采用該觀測(cè)幾何進(jìn)行水面偏振光譜觀測(cè)。相比于傳統(tǒng)的非偏振水面光譜測(cè)量方法，水面偏振光譜測(cè)量方法受氣象條件變化影響小，能夠更精確的提取離水輻射。

偏振；多角度；反射率光譜；水色遙感；天空光反射

引 言

偏振被定義為光的振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性。一般地，太陽(yáng)入射光是自然光，被普遍認(rèn)為是非偏振光。太陽(yáng)光與地球-大氣系統(tǒng)中的成分相互作用，比如光與大氣分子、氣溶膠、云發(fā)生散射，或者光在水平面發(fā)生反射等，這些物理過程都會(huì)引起或改變光的偏振。這是因?yàn)樯⑸?、反射等物理過程都會(huì)影響到電磁波振動(dòng)方向[1]。

對(duì)于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)來說，偏振信息是對(duì)光譜信息的又一種補(bǔ)充。偏振遙感在水體應(yīng)用中具有巨大潛力[2]，其中一種非常重要的應(yīng)用就是校正天空光水面鏡面反射，從而得到包含水中物質(zhì)信息的離水輻射信號(hào)。一些研究在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中利用人造光源模擬太陽(yáng)測(cè)量水樣的多角度偏振反射光，進(jìn)而分析基于偏振的天空光校正效果[3-4]，測(cè)量時(shí)水面是靜止的，沒有考慮風(fēng)浪的影響。一些研究獲取海面原位多角度偏振多光譜反射率數(shù)據(jù)，分析降低天空光水面反射的最佳觀測(cè)角度, 由于測(cè)量?jī)x器只有4～5個(gè)波段，因此無法用來分析細(xì)致的偏振光譜信息。目前，國(guó)內(nèi)外鮮有研究在內(nèi)陸水體水面原位測(cè)量的多角度偏振高光譜反射率數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)分析天空光水面反射的校正效果。

通過組合ASD地物光譜儀和湯姆森偏振棱鏡，實(shí)現(xiàn)了自然光條件下內(nèi)陸水體水面原位多角度偏振高光譜反射率測(cè)量。利用獲取的典型內(nèi)陸水體水面多角度偏振反射率光譜，定量分析了多角度觀測(cè)條件下水體偏振光譜特性，以及從水面偏振信號(hào)中消除天空光水面鏡面反射從而得到離水輻射信號(hào)的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原理

太陽(yáng)光從大氣入射，在氣水界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。這兩個(gè)物理過程會(huì)將入射的自然光分解成振動(dòng)方向相互垂直的兩個(gè)獨(dú)立分量，一個(gè)為振動(dòng)面平行于入射面的線偏振光(簡(jiǎn)稱為平行分量)，另一個(gè)為振動(dòng)面垂直于入射面的線偏振光(簡(jiǎn)稱為垂直分量)，并使兩個(gè)分量的光矢量以不同的特性傳播。進(jìn)入水體的折射光與水體中的物質(zhì)相互作用，又被后向散射回水面并離開水面，這部分光被稱為離水輻射或離水輻亮度，是水色遙感關(guān)注的核心物理量。除了離水輻射，天空光也會(huì)在水表面鏡面反射進(jìn)入探測(cè)器，該過程也是一個(gè)高度偏振的過程[5]。

傳統(tǒng)的測(cè)量并提取離水輻射的方法是水面以上法：同時(shí)或先后測(cè)量某個(gè)方向的水體輻亮度以及對(duì)稱方向的天空光，然后根據(jù)風(fēng)速查找表確定天空光水面鏡面反射率，最后將水體輻亮度減去天空光輻亮度與天空光反射率的乘積，就得到離水輻射[6]。利用光的偏振特性提取離水輻射的物理基礎(chǔ)是菲涅爾反射折射原理：通過實(shí)測(cè)0°偏振光譜和90°偏振光譜，代入計(jì)算公式即可以得出水面反射光強(qiáng)；通過從測(cè)量得到的水體的光譜輻亮度中減去水面反射光強(qiáng)，得到水體的離水輻射。

1.2 裝置

采用光譜儀配合偏振鏡進(jìn)行水體的偏振測(cè)量，將偏振鏡置于光譜儀光纖之前。光譜儀采用美國(guó)ASD地物光譜輻射儀FieldSpec○RPro FR，其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為350～2 500 nm，700 nm處的光譜分辨率為3 nm。偏振鏡采用光譜波動(dòng)較小的湯姆森格蘭棱鏡，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為350～2 300 nm，消光比小于5×10-5。為了保證以固定的方位進(jìn)行測(cè)量，使用可搭載ASD光譜儀手柄的具有刻度的三維云臺(tái)。

1.3 方法

為了測(cè)量不同觀測(cè)方位、不同觀測(cè)天頂、不同偏振角條件下的水體反射光，需要不斷調(diào)整觀測(cè)平臺(tái)。在水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，可以變換觀測(cè)方位角；當(dāng)觀測(cè)方位固定時(shí)，在豎直平面內(nèi)-90°～90°俯仰云臺(tái)，可以變換觀測(cè)天頂角；通過旋轉(zhuǎn)偏振鏡上的刻度盤，可以控制偏振角。選擇觀測(cè)天頂角為37°, 45°, 53°，觀測(cè)方位角為0°, 90°, 135°，偏振角為0°, 45°, 90°；每個(gè)角度分別測(cè)量加偏振鏡的信號(hào)和不加偏振鏡的信號(hào)。水面光譜測(cè)量采用水色遙感常用的水面以上測(cè)量法，測(cè)量某個(gè)觀測(cè)角度的水體之后要測(cè)量觀測(cè)天頂角對(duì)稱方向的天空光。

1.4 測(cè)量過程

試驗(yàn)區(qū)為北京奧林匹克公園的奧海，設(shè)置了兩個(gè)采樣點(diǎn)：1號(hào)點(diǎn)(E 116.393082°，N 40.013548°)、2號(hào)點(diǎn)(E 116.392352°，N 40.015202°)，實(shí)驗(yàn)日期為2013年5月1日。采集數(shù)據(jù)時(shí)要盡可能加快速度，保證入射光的差異隨時(shí)間變化不大。本次試驗(yàn)同一觀測(cè)幾何下每組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間間隔約為3分鐘，不同觀測(cè)幾何之間的時(shí)間相隔約為5分鐘，因此忽略太陽(yáng)天頂角和太陽(yáng)方位角的變化。1號(hào)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間是北京時(shí)間9:00左右，太陽(yáng)天頂角θs=48.4°，太陽(yáng)方位角φs=106.9°。2號(hào)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間是北京時(shí)間14:00左右，太陽(yáng)天頂角θs=34.4°，太陽(yáng)方位角φs=231.3°。

2 結(jié)果與討論

測(cè)量得到兩個(gè)采樣點(diǎn)在多個(gè)觀測(cè)角度下的偏振光譜如圖1所示。每個(gè)子圖對(duì)應(yīng)固定某個(gè)觀測(cè)方位角、觀測(cè)天頂角時(shí)，實(shí)測(cè)得到的0°，45°和90°偏振輻亮度光譜，以及未加偏振鏡的輻亮度光譜。

2.1 相同觀測(cè)幾何條件下各偏振角光譜比較

從圖1可以看出在同一觀測(cè)幾何下，即φv和θv保持不變時(shí)，不同角度的偏振光測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。實(shí)測(cè)輻亮度基本都符合以下規(guī)律：I90°>I45°>I0°。這是因?yàn)榭傂盘?hào)中，離水輻射常常被認(rèn)為是接近于自然光的非偏振光，即90°，45°和0°偏振分量的比例都較為接近；而總信號(hào)中的水表反射光常常以90°偏振分量占主要部分，0°偏振分量占份額較少；因此，當(dāng)使用能有效阻止90°偏振分量光進(jìn)入的0°偏振鏡測(cè)量時(shí)，水表反射光的主體部分不能被傳感器接收到，從而導(dǎo)致了0°偏振鏡測(cè)量結(jié)果低于其他偏振角度下的測(cè)量結(jié)果。

圖1 兩個(gè)采樣點(diǎn)的多角度偏振輻亮度光譜測(cè)量結(jié)果

2.2 基于偏振光譜的水面天空光反射剝離效果分析

為了檢驗(yàn)基于偏振光譜的水表天空反射光的剝離效果，對(duì)比了常用方法計(jì)算得到的離水輻亮度Lw和偏振測(cè)量得到的離水輻亮度Lp，結(jié)果如圖2所示，圖2中還列出了光譜儀總接收遙感信號(hào)L0。

圖2 常規(guī)方法與偏振方法剝離天空光效果對(duì)比

從圖2可以看出，渾濁內(nèi)陸水體的水面天空反射光占總接收信號(hào)的比例較低，離水輻射占總接收信號(hào)的比例較高，這與清潔大洋水體的差別較大。

為了更明確地評(píng)價(jià)剝離效果，這里計(jì)算不同采樣點(diǎn)在不同觀測(cè)幾何下的剝離效率，如圖3所示。

圖3 水表天空反射光剝離效率對(duì)比

從圖3可以看出剝離效果最好的是2號(hào)點(diǎn)(φv=135°,θv=53°)觀測(cè)方向，而效果最差的是1號(hào)點(diǎn)(φv=0°,θv=37°)觀測(cè)方向。2號(hào)點(diǎn)(φv=135°,θv=37°)與1號(hào)點(diǎn)(φv=135°,θv=37°)天空反射光剝離效率相似，2號(hào)點(diǎn)(φv=90°,θv=37°)與1號(hào)點(diǎn)(φv=90°,θv=37°)天空反射光剝離效率相似。當(dāng)φv=135°，θv=53°時(shí)，剝離效率較好，超過80%。一方面，這與前人的結(jié)論是一致的[7]，即采用水面以上法測(cè)量水面遙感反射率時(shí)推薦的觀測(cè)幾何是φv為135°,θv約為45°。另一方面，該結(jié)論符合菲涅耳反射折射定律，即當(dāng)光以53.2°入射時(shí)，水表反射光為全偏振光并且偏振角度為90°，這時(shí)利用0°偏振鏡測(cè)量可以較好地消除水表反射光的影響。

剝離效果較好的波段范圍是550～700 nm，在藍(lán)綠光范圍(<550 nm)和近紅外光范圍(>700 nm)，天空光剝離效果較差。同一觀測(cè)天頂角，不同的觀測(cè)方位角下，剝離效率服從：φv=135°>φv=90°>φv=0°；同一觀測(cè)方位角，不同的觀測(cè)天頂角下，剝離效果服從：θv=53°>θv=37°。

2.3 基于偏振光譜的水面天空光反射剝離優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)水面以上法測(cè)量水面遙感反射率時(shí)，由于需要分別測(cè)量水體輻亮度光譜和天空光輻亮度光譜，因此需要兩臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)量或者利用一臺(tái)光譜儀先后轉(zhuǎn)換觀測(cè)幾何進(jìn)行測(cè)量。若使用兩臺(tái)儀器同步測(cè)量，則成本較高，而且兩臺(tái)儀器之間必須要相對(duì)標(biāo)定。若先后轉(zhuǎn)換觀測(cè)幾何測(cè)量，則當(dāng)氣象條件不穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量的天空光數(shù)據(jù)與水體離水輻亮度難以匹配，容易引起誤差。

基于偏振的離水輻射測(cè)量方法具有易操作、測(cè)量精確、受氣象條件變化影響小等優(yōu)勢(shì)。測(cè)量過程不需要變換觀測(cè)幾何，僅僅通過對(duì)水體的光譜測(cè)量即可消除或減弱水表天空反射光效應(yīng)。因此操作較為簡(jiǎn)單，同時(shí)減少了更改觀測(cè)幾何造成的測(cè)量誤差。由于可以連續(xù)對(duì)水體進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或低空飛行監(jiān)測(cè)時(shí)，即使短時(shí)間內(nèi)氣象條件變化較大，但是由于測(cè)量可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，因此受到氣象條件變化影響很小。

3 結(jié) 論

通過組合地物光譜儀和湯姆森偏振棱鏡，實(shí)現(xiàn)了自然光條件下內(nèi)陸水體水面原位偏振反射率光譜測(cè)量。利用在北京奧林匹克公園奧海水面獲取的多角度偏振反射率光譜數(shù)據(jù)，分析了不同觀測(cè)角度下水體偏振光學(xué)特性以及偏振測(cè)量在剝離水表天空反射光中的應(yīng)用效果。得到如下結(jié)論。

(1)在同一觀測(cè)幾何條件下，不同偏振角度的測(cè)量的輻亮度光譜基本符合以下規(guī)律：90°偏振角接收輻亮度>45°偏振角接收輻亮度>0°偏振角接收輻亮度。

(2)同一觀測(cè)天頂角，不同觀測(cè)方位角條件下，采用偏振測(cè)量剝離水表天空反射光的剝離效率服從以下規(guī)律：135°觀測(cè)方位角剝離效率>90°觀測(cè)方位角剝離效率>0°觀測(cè)方位角剝離效率。同一觀測(cè)方位角，不同觀測(cè)天頂角條件下，剝離效果服從以下規(guī)律：53°觀測(cè)天頂角剝離效率>37°觀測(cè)天頂角剝離效率。

(3)當(dāng)觀測(cè)方位角為135°、觀測(cè)天頂角為53°時(shí)，采用偏振測(cè)量剝離水表天空反射光的剝離效率較好，推薦采用該觀測(cè)幾何進(jìn)行水面偏振光譜觀測(cè)。

[1] YAN Lei, CHEN Wei, XIANG Yun, et al(晏 磊, 陳 偉, 相 云, 等). Polarization Remote Sensing Physics(偏振遙感物理). Beijing: Science Press(北京: 科學(xué)出版社), 2014.

[2] LIU Zhi-gang, ZHOU Guan-hua(劉志剛, 周冠華). Journal of Infrared and Millimeter Waves(紅外與毫米波學(xué)報(bào)), 2007, 5: 362.

[3] ZHOU Guan-hua, ZHAO Yong-chao, GENG Xiu-rui, et al(周冠華, 趙永超, 耿修瑞, 等). Advances in Water Science(水科學(xué)進(jìn)展), 2007, 5: 762.

[4] ZHAO Nai-zhuo, ZHAO Yun-sheng (趙乃卓, 趙云升). Optical Technique(光學(xué)技術(shù)), 2007, 6: 932.

[5] ZHOU Guan-hua, LIU Zhi-gang, LIU Qin-huo, et al(周冠華, 劉志剛, 柳欽火, 等). Journal of Remote Sensing(遙感學(xué)報(bào)), 2008, 2: 322.

[6] TANG Jun-wu, TIAN Guo-liang, WANG Xiao-yong, et al(唐軍武, 田國(guó)良, 汪小勇, 等). Journal of Remote Sensing(遙感學(xué)報(bào)), 2004, 8(1): 37.

[7] Mobley C D. Applied Optics, 1999, 38(36): 7442.

(Received Jul. 28, 2015; accepted Oct. 30, 2015)

*Corresponding author

Analyzing Spectral Characteristics of Water Involving In-Situ Multiangle Polarized Reflectance and Extraction of Water-Leaving Radiance

SHEN Qian, LI Jun-sheng*, ZHANG Bing, WU Yan-hong, ZOU Lei, WU Tai-xia

Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, 100094 Beijing, China

Polarization is defined as an asymmetry in the direction of vibration with respect to the direction of light propagation. Polarization information is an important component to remote sensed data, which comprises spatial, spectral, and radiation information. In optical remote sensing, polarization information supplements spectral information. Polarization-based remote sensing has a significant application potential for analyzing the spectral characteristics of water bodies, wherein a very important technique is eliminating the mirror reflection caused by skylight on the water surface and extracting water-leaving radiance that carry the constituent information. The incident sunlight on the surface of water either reflects or scatters owing to the existence of particles in water, which results in water-leaving signals with strong polarization characteristics. The ongoing experiments on remote sensing involve water polarization cover either clean ocean waters under natural light or indoor simulations of water under artificial light; however, turbid inland waters under natural light have rarely been investigated. Through the combination of a field spectroradiometer and a Thompson polarizing prism, this study obtained in-situ measurements of the spectral polarization reflectance over inland waters under natural light conditions. Using the obtained multiangle polarized reflectance spectra, the polarization spectral characteristics of water under multiangle viewing conditions were quantitatively analyzed, and the water-leaving radiance was achieved by eliminating skylight reflection. When observing water bodies at an azimuth of 135° and a zenith of 53°, the measurement of polarization to eliminate skylight reflection had better elimination efficiency than at other viewing angles, and this observation angle was recommended for conducting spectral polarized above-water observations. Compared with the traditional methods including non-polarized above-water measurements, the proposed method is less prone to being affected by changes in weather conditions, and it can extract water-leaving radiance more accurately.

Polarization; Multiangle; Reflectance spectra; Water color remote sensing; Skylight reflection

2015-07-28，

2015-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目(41325004)，面上項(xiàng)目(41571361，41471308)和青年項(xiàng)目(41001205)資助

申 茜，女，1981年生，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員 e-mail: shenqian@radi.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: lijs@radi.ac.cn

TP79

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3269-05