水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

申 茜，李俊生，张 兵，吴艳红，邹 雷，吴太夏

中国科学院遥感与数字地球研究所，数字地球重点实验室，北京 100094

水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

申 茜，李俊生*，张 兵，吴艳红，邹 雷，吴太夏

中国科学院遥感与数字地球研究所，数字地球重点实验室，北京 100094

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。偏振信息是遥感数据空间、辐射、光谱信息之外的又一重要信息。对于光学遥感数据来说，偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力，其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射，从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用，使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体，要么面向室内人造光源条件下的模拟水体，鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜，实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱，定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性，以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时，采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好，推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。相比于传统的非偏振水面光谱测量方法，水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小，能够更精确的提取离水辐射。

偏振；多角度；反射率光谱；水色遥感；天空光反射

引 言

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。一般地，太阳入射光是自然光，被普遍认为是非偏振光。太阳光与地球-大气系统中的成分相互作用，比如光与大气分子、气溶胶、云发生散射，或者光在水平面发生反射等，这些物理过程都会引起或改变光的偏振。这是因为散射、反射等物理过程都会影响到电磁波振动方向[1]。

对于光学遥感数据来说，偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力[2]，其中一种非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射，从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。一些研究在室内实验中利用人造光源模拟太阳测量水样的多角度偏振反射光，进而分析基于偏振的天空光校正效果[3-4]，测量时水面是静止的，没有考虑风浪的影响。一些研究获取海面原位多角度偏振多光谱反射率数据，分析降低天空光水面反射的最佳观测角度, 由于测量仪器只有4～5个波段，因此无法用来分析细致的偏振光谱信息。目前，国内外鲜有研究在内陆水体水面原位测量的多角度偏振高光谱反射率数据，并基于该数据分析天空光水面反射的校正效果。

通过组合ASD地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜，实现了自然光条件下内陆水体水面原位多角度偏振高光谱反射率测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱，定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性，以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。

1 实验部分

1.1 原理

太阳光从大气入射，在气水界面上会发生反射和折射。这两个物理过程会将入射的自然光分解成振动方向相互垂直的两个独立分量，一个为振动面平行于入射面的线偏振光(简称为平行分量)，另一个为振动面垂直于入射面的线偏振光(简称为垂直分量)，并使两个分量的光矢量以不同的特性传播。进入水体的折射光与水体中的物质相互作用，又被后向散射回水面并离开水面，这部分光被称为离水辐射或离水辐亮度，是水色遥感关注的核心物理量。除了离水辐射，天空光也会在水表面镜面反射进入探测器，该过程也是一个高度偏振的过程[5]。

传统的测量并提取离水辐射的方法是水面以上法：同时或先后测量某个方向的水体辐亮度以及对称方向的天空光，然后根据风速查找表确定天空光水面镜面反射率，最后将水体辐亮度减去天空光辐亮度与天空光反射率的乘积，就得到离水辐射[6]。利用光的偏振特性提取离水辐射的物理基础是菲涅尔反射折射原理：通过实测0°偏振光谱和90°偏振光谱，代入计算公式即可以得出水面反射光强；通过从测量得到的水体的光谱辐亮度中减去水面反射光强，得到水体的离水辐射。

1.2 装置

采用光谱仪配合偏振镜进行水体的偏振测量，将偏振镜置于光谱仪光纤之前。光谱仪采用美国ASD地物光谱辐射仪FieldSpec○RPro FR，其波长响应范围为350～2 500 nm，700 nm处的光谱分辨率为3 nm。偏振镜采用光谱波动较小的汤姆森格兰棱镜，波长响应范围为350～2 300 nm，消光比小于5×10-5。为了保证以固定的方位进行测量，使用可搭载ASD光谱仪手柄的具有刻度的三维云台。

1.3 方法

为了测量不同观测方位、不同观测天顶、不同偏振角条件下的水体反射光，需要不断调整观测平台。在水平面内360°旋转云台，可以变换观测方位角；当观测方位固定时，在竖直平面内-90°～90°俯仰云台，可以变换观测天顶角；通过旋转偏振镜上的刻度盘，可以控制偏振角。选择观测天顶角为37°, 45°, 53°，观测方位角为0°, 90°, 135°，偏振角为0°, 45°, 90°；每个角度分别测量加偏振镜的信号和不加偏振镜的信号。水面光谱测量采用水色遥感常用的水面以上测量法，测量某个观测角度的水体之后要测量观测天顶角对称方向的天空光。

1.4 测量过程

试验区为北京奥林匹克公园的奥海，设置了两个采样点：1号点(E 116.393082°，N 40.013548°)、2号点(E 116.392352°，N 40.015202°)，实验日期为2013年5月1日。采集数据时要尽可能加快速度，保证入射光的差异随时间变化不大。本次试验同一观测几何下每组数据测量时间间隔约为3分钟，不同观测几何之间的时间相隔约为5分钟，因此忽略太阳天顶角和太阳方位角的变化。1号点测量时间是北京时间9:00左右，太阳天顶角θs=48.4°，太阳方位角φs=106.9°。2号点测量时间是北京时间14:00左右，太阳天顶角θs=34.4°，太阳方位角φs=231.3°。

2 结果与讨论

测量得到两个采样点在多个观测角度下的偏振光谱如图1所示。每个子图对应固定某个观测方位角、观测天顶角时，实测得到的0°，45°和90°偏振辐亮度光谱，以及未加偏振镜的辐亮度光谱。

2.1 相同观测几何条件下各偏振角光谱比较

从图1可以看出在同一观测几何下，即φv和θv保持不变时，不同角度的偏振光测量结果呈现明显的规律。实测辐亮度基本都符合以下规律：I90°>I45°>I0°。这是因为总信号中，离水辐射常常被认为是接近于自然光的非偏振光，即90°，45°和0°偏振分量的比例都较为接近；而总信号中的水表反射光常常以90°偏振分量占主要部分，0°偏振分量占份额较少；因此，当使用能有效阻止90°偏振分量光进入的0°偏振镜测量时，水表反射光的主体部分不能被传感器接收到，从而导致了0°偏振镜测量结果低于其他偏振角度下的测量结果。

图1 两个采样点的多角度偏振辐亮度光谱测量结果

2.2 基于偏振光谱的水面天空光反射剥离效果分析

为了检验基于偏振光谱的水表天空反射光的剥离效果，对比了常用方法计算得到的离水辐亮度Lw和偏振测量得到的离水辐亮度Lp，结果如图2所示，图2中还列出了光谱仪总接收遥感信号L0。

图2 常规方法与偏振方法剥离天空光效果对比

从图2可以看出，浑浊内陆水体的水面天空反射光占总接收信号的比例较低，离水辐射占总接收信号的比例较高，这与清洁大洋水体的差别较大。

为了更明确地评价剥离效果，这里计算不同采样点在不同观测几何下的剥离效率，如图3所示。

图3 水表天空反射光剥离效率对比

从图3可以看出剥离效果最好的是2号点(φv=135°,θv=53°)观测方向，而效果最差的是1号点(φv=0°,θv=37°)观测方向。2号点(φv=135°,θv=37°)与1号点(φv=135°,θv=37°)天空反射光剥离效率相似，2号点(φv=90°,θv=37°)与1号点(φv=90°,θv=37°)天空反射光剥离效率相似。当φv=135°，θv=53°时，剥离效率较好，超过80%。一方面，这与前人的结论是一致的[7]，即采用水面以上法测量水面遥感反射率时推荐的观测几何是φv为135°,θv约为45°。另一方面，该结论符合菲涅耳反射折射定律，即当光以53.2°入射时，水表反射光为全偏振光并且偏振角度为90°，这时利用0°偏振镜测量可以较好地消除水表反射光的影响。

剥离效果较好的波段范围是550～700 nm，在蓝绿光范围(<550 nm)和近红外光范围(>700 nm)，天空光剥离效果较差。同一观测天顶角，不同的观测方位角下，剥离效率服从：φv=135°>φv=90°>φv=0°；同一观测方位角，不同的观测天顶角下，剥离效果服从：θv=53°>θv=37°。

2.3 基于偏振光谱的水面天空光反射剥离优势分析

传统水面以上法测量水面遥感反射率时，由于需要分别测量水体辐亮度光谱和天空光辐亮度光谱，因此需要两台仪器同时测量或者利用一台光谱仪先后转换观测几何进行测量。若使用两台仪器同步测量，则成本较高，而且两台仪器之间必须要相对标定。若先后转换观测几何测量，则当气象条件不稳定时，测量的天空光数据与水体离水辐亮度难以匹配，容易引起误差。

基于偏振的离水辐射测量方法具有易操作、测量精确、受气象条件变化影响小等优势。测量过程不需要变换观测几何，仅仅通过对水体的光谱测量即可消除或减弱水表天空反射光效应。因此操作较为简单，同时减少了更改观测几何造成的测量误差。由于可以连续对水体进行测量，当应用于监测站点或低空飞行监测时，即使短时间内气象条件变化较大，但是由于测量可以在很短的时间内完成，因此受到气象条件变化影响很小。

3 结 论

通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜，实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用在北京奥林匹克公园奥海水面获取的多角度偏振反射率光谱数据，分析了不同观测角度下水体偏振光学特性以及偏振测量在剥离水表天空反射光中的应用效果。得到如下结论。

(1)在同一观测几何条件下，不同偏振角度的测量的辐亮度光谱基本符合以下规律：90°偏振角接收辐亮度>45°偏振角接收辐亮度>0°偏振角接收辐亮度。

(2)同一观测天顶角，不同观测方位角条件下，采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率服从以下规律：135°观测方位角剥离效率>90°观测方位角剥离效率>0°观测方位角剥离效率。同一观测方位角，不同观测天顶角条件下，剥离效果服从以下规律：53°观测天顶角剥离效率>37°观测天顶角剥离效率。

(3)当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时，采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好，推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。

[1] YAN Lei, CHEN Wei, XIANG Yun, et al(晏 磊, 陈 伟, 相 云, 等). Polarization Remote Sensing Physics(偏振遥感物理). Beijing: Science Press(北京: 科学出版社), 2014.

[2] LIU Zhi-gang, ZHOU Guan-hua(刘志刚, 周冠华). Journal of Infrared and Millimeter Waves(红外与毫米波学报), 2007, 5: 362.

[3] ZHOU Guan-hua, ZHAO Yong-chao, GENG Xiu-rui, et al(周冠华, 赵永超, 耿修瑞, 等). Advances in Water Science(水科学进展), 2007, 5: 762.

[4] ZHAO Nai-zhuo, ZHAO Yun-sheng (赵乃卓, 赵云升). Optical Technique(光学技术), 2007, 6: 932.

[5] ZHOU Guan-hua, LIU Zhi-gang, LIU Qin-huo, et al(周冠华, 刘志刚, 柳钦火, 等). Journal of Remote Sensing(遥感学报), 2008, 2: 322.

[6] TANG Jun-wu, TIAN Guo-liang, WANG Xiao-yong, et al(唐军武, 田国良, 汪小勇, 等). Journal of Remote Sensing(遥感学报), 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

国家自然科学基金杰出青年基金项目(41325004)，面上项目(41571361，41471308)和青年项目(41001205)资助

申 茜，女，1981年生，中国科学院遥感与数字地球研究所副研究员 e-mail: shenqian@radi.ac.cn *通讯联系人 e-mail: lijs@radi.ac.cn

TP79

A

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