地物光谱仪的两种天空光测量方法比较-莱森光学

地物光谱仪的两种天空光测量方法比较天空光是指太阳光经过大气分子及大气气溶胶散射后经任意方向到达地面的辐射。

天空光是指太阳光经过大气分子及大气气溶胶散射后经任意方向到达地面的辐射。在某些时段，天空光的值占入射光能量值的一半。天空光与大气成分有密切关系，在很多大气光学遥感研究中具有重要意义，是遥感研究中的一个重要影响因子。另外，天空光对于定量遥感研究，特别是水质遥感研究，如何精确测量和剔除其对地物和水体反射率的影响也越来越重要。目前获取天空光的方法有两种，一种是借助标准板进行测量可获得半球空间的天空漫射辐照度值；另一种是将测量仪器直接指向天空进行测量，是地基大气遥感主要采用的方法，在水质定量遥感中对水面反射天空光消除也常采用这种测量方法。

01天空光的测量

1.1标准灰板反演测量法

标准灰板可认为是各向同性的朗伯体。实验过程中采用一个带长竿的黑板在远处正好遮挡太阳直射光照射到标准灰板上，地物光谱仪传感器探头在标准灰板上空近距离采集数据，测得标准灰板反射天空光的辐亮度。除遮阴黑板和持黑板的人阻挡的那部分天空光外，半球空间上其余的天空光都能照射到标准灰板上，标准灰板对入射的天空光各向同性反射，传感器可获得标准灰板反射半球方向入射天空光辐亮度值（图1）。

图1标准板反演测量法

用地物光谱仪测量阴影下的标准灰板反射辐亮度值Lp_zy，根据灰板的标定反射率ρ，反演出天空光的入射辐亮度值Ldif：

高光谱遥感在水环境监测领域具有重要的意义：利用光谱信息对水环境进行监测；通过检测水体中的反射和吸收特征，可以获得水体中营养成分如悬浮物、有机质、氮磷等数据。高光谱遥感能够对水体的动态演变过程进行实时监控，并能在短时间内实现对水环境的动态响应。

1.2直接测量法

直接测量法是避开太阳直射光，采用地物光谱仪以小角度测量的方式。将传感器探头直接指向某个方位和高度的天空进行测量（图2）。可获得特定区域内的天空光辐亮度。本次研究采用直接测量法测量了3个不同方位：

（1）地物光谱仪传感器探头所处的观测平面与太阳入射主平面夹角为0°（背向太阳方向，以下简称背阳面）

（2）地物光谱仪传感器探头所处的观测平面与太阳入射平面夹角为90°（垂直太阳入射方向，以下简称垂阳面）

（3）地物光谱仪传感器探头所处的观测平面与太阳入射平面夹角为150°（面向太阳方向，为避开太阳直射光，特偏移太阳方位30°，以下简称向阳面）。观测天顶角（与大地法线的夹角）分别为0°、15°、30°、45°、60°，以及城市上空边缘的阴霾灰色区域（83°)和边界亮边（80°）。

图2直接测量法

02基于灰色系统理论的灰关联系数计算

自然界中天空光的分布现象与规律是多种因子的综合效果，这些因素有些已知，有些未知，难以分离，且部分变量或信息已知，部分未知，具有典型的灰色系统的特点。实验获取的数据样本都是有限的，为避免统计分析不足，本文采用灰色系统理论中的灰色数学方法-关联系数分析方法，通过少量样本数据定量分析两种测量方法的差异。令遮阴灰板测得的天空光光谱辐亮度值为参考数列，直接测量的数据为比较数列，因其量纲相同，可直接比较分析，不再做无量纲化处理。

其灰色关联系数g(x0(l),xi(l))通过式（2）进行计算。

通过式（2）计算出两种测量方法获取的数据在各波长处的灰关联系数（图3）。由3个观测方位观测天顶角均为15°的测量数据计算出不同方位直接测量天空光与标准板反演天空光的灰关联度（表1），垂阳面方位各观测天顶角天空光与标准灰板反演天空光间的灰关联度结果见表2。根据表1，向阳面的灰关联度在3个测量方位中也最大。标准板反演的天空光是各个方位天空光的综合反映，向阳面的天空光高于其它测量方位，在整个半球空间的天空光强度中占较大比重，因此，不难解释向阳面和标准板反演的天空光的灰色关联系数较大的原因。

表1不同方位直接测量天空光和标准板反演天空光的灰关联度

表2不同观测天顶角测量天空光和标准板反演天空光的灰关联度

图3直接测量天空光和标准板反演天空光的灰关联系数

（a. 相同观测天顶角不同方位；b.垂阳面不同观测天顶角）

03测量结果比较分析

3.1不同方位测量结果比较分析

线辐亮度值比较直接测量方位分别为背阳面、垂阳面和向阳面。选择观测天顶角为15°的测量数据，可避开城市阴霾和太阳直射光的影响。各个观测方位测得的天空光辐亮度和标准灰板反演法得到的天空光辐亮度如图4所示。

由图可知，直接测量法获取的不同方位天空光光谱分布基本一致，但辐亮度值随方位不同而差异较大。因各方位测量天顶角相同，则等同于平纬圈观测方式，太阳辐射在大气中穿过的路径相同，造成天空光辐亮度值随方位不同的主要原因为散射相函数的取值不同。

图4不同方位天空光比较

3.2不同方位测量结果比较分析

直接测量选取垂阳面，测量天顶角分别为0°、15°、30°、45°、60°及城市上空边缘的阴霾灰色区域（83°）和边界亮边（80°），各个观测天顶角测得的天空光辐亮度和标准板反演法得到的天空光辐亮度如图5所示。

由图5可知，在观测天顶角为0°、15°、30°、45°时，直接测量法获取的天空光辐亮度在整个光谱波段内基本重合。标准板反演的天空光是对半球空间入射天空光的综合反映，说明随着波长增加，天空光主要来自于城市边缘气溶胶散射的贡献。

图5不同观测角度天空光比较

3.3测量方法比较分析

采用标准灰板反演测量法是将太阳直射光用黑板隔断，认为到达标准灰板上的只有天空光。标准灰板可以看作是各向同性的朗伯体，通过传感器获得的标准灰板反射的辐亮度值可以反演半球空间上的天空光辐亮度。但一般在进行地物光谱测量时，虽然要求标准灰板应处于一个空旷的区域，但一般在现实地物测量中很难得到这样的测量条件，标准灰板周围基本都存在其它地物，其反射光也有可能到达标准灰板上。因此，该方法获得的是半球方向上天空光和周围地物反射光对观测地物的综合贡献值，且持黑板遮阴的人和黑板都会阻挡部分天空光入射到标准板上，对天空光的测量产生一定影响。

采用直接测量法是避开太阳直射光的方向，将传感器指向特定位置的天空，可获得特定方位特定观测角的天空光辐亮度。但由于大气散射相函数的不同以及米氏散射存在方向上的差异，致使天空光在整个散射半球空间并不均匀，采用该测量方法获得的数据并不具有代表性，且在某些观测角方向，易受太阳直射光影响。

04结论与建议

直接测量法可以测量不同方位（与太阳入射平面的相对位置）、不同观测角度的天空光数据。标准灰板可看作是各向同性的朗伯体。因此，可通过标准灰板反演测量法获得半球空间的天空漫射辐照度值。标准灰板反演测量法反映了被研究对象周围物体反射天空光的综合影响，通过对测量数据的直接分析和灰关联系数分析可知，标准板反演的天空光和不同方位、不同观测天顶角的天空光的灰关联系数有所差异，并随波长不同而变化，其中向阳面和城市上空的阴霾与标准板反演结果的灰关联较大。标准板反演法并不能反映整个半球空间天空光强度的分布情况。直接测量法可以获得特定天空位置天空光的强度，但不能获得天空光作用于地物的天空漫射情况。

在进行多角度遥感数据天空光校正时，建议采用直接测量方法获取天空光。在采用地物光谱仪进行水体光谱测量的过程中，因为测量距离短，进入到传感器的为水面反射特定方位与角度的天空光，建议采用直接测量法进行测量。

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