天空光是指太陽光經(jīng)過大氣分子及大氣氣溶膠散射后經(jīng)任意方向到達(dá)地面的輻射。在某些時段，天空光的值占入射光能量值的一半。天空光與大氣成分有密切關(guān)系，在很多大氣光學(xué)遙感研究中具有重要意義，是遙感研究中的一個重要影響因子。另外，天空光對于定量遙感研究，特別是水質(zhì)遙感研究，如何精確測量和剔除其對地物和水體反射率的影響也越來越重要。目前獲取天空光的方法有兩種，一種是借助標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測量可獲得半球空間的天空漫射輻照度值；另一種是將測量儀器直接指向天空進(jìn)行測量，是地基大氣遙感主要采用的方法，在水質(zhì)定量遙感中對水面反射天空光消除也常采用這種測量方法。

01天空光的測量

1.1標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測量法

標(biāo)準(zhǔn)灰板可認(rèn)為是各向同性的朗伯體。實(shí)驗(yàn)過程中采用一個帶長竿的黑板在遠(yuǎn)處正好遮擋太陽直射光照射到標(biāo)準(zhǔn)灰板上，地物光譜儀傳感器探頭在標(biāo)準(zhǔn)灰板上空近距離采集數(shù)據(jù)，測得標(biāo)準(zhǔn)灰板反射天空光的輻亮度。除遮陰黑板和持黑板的人阻擋的那部分天空光外，半球空間上其余的天空光都能照射到標(biāo)準(zhǔn)灰板上，標(biāo)準(zhǔn)灰板對入射的天空光各向同性反射，傳感器可獲得標(biāo)準(zhǔn)灰板反射半球方向入射天空光輻亮度值（圖1）。

圖1標(biāo)準(zhǔn)板反演測量法

用地物光譜儀測量陰影下的標(biāo)準(zhǔn)灰板反射輻亮度值Lp_zy，根據(jù)灰板的標(biāo)定反射率ρ，反演出天空光的入射輻亮度值Ldif：

高光譜遙感在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的意義：利用光譜信息對水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；通過檢測水體中的反射和吸收特征，可以獲得水體中營養(yǎng)成分如懸浮物、有機(jī)質(zhì)、氮磷等數(shù)據(jù)。高光譜遙感能夠?qū)λw的動態(tài)演變過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并能在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對水環(huán)境的動態(tài)響應(yīng)。

1.2直接測量法

直接測量法是避開太陽直射光，采用地物光譜儀以小角度測量的方式。將傳感器探頭直接指向某個方位和高度的天空進(jìn)行測量（圖2）?？色@得特定區(qū)域內(nèi)的天空光輻亮度。本次研究采用直接測量法測量了3個不同方位：

（1）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀測平面與太陽入射主平面夾角為0°（背向太陽方向，以下簡稱背陽面）

（2）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀測平面與太陽入射平面夾角為90°（垂直太陽入射方向，以下簡稱垂陽面）

（3）地物光譜儀傳感器探頭所處的觀測平面與太陽入射平面夾角為150°（面向太陽方向，為避開太陽直射光，特偏移太陽方位30°，以下簡稱向陽面）。觀測天頂角（與大地法線的夾角）分別為0°、15°、30°、45°、60°，以及城市上空邊緣的陰霾灰色區(qū)域（83°)和邊界亮邊（80°）。

圖2直接測量法

02基于灰色系統(tǒng)理論的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

自然界中天空光的分布現(xiàn)象與規(guī)律是多種因子的綜合效果，這些因素有些已知，有些未知，難以分離，且部分變量或信息已知，部分未知，具有典型的灰色系統(tǒng)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)樣本都是有限的，為避免統(tǒng)計(jì)分析不足，本文采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色數(shù)學(xué)方法-關(guān)聯(lián)系數(shù)分析方法，通過少量樣本數(shù)據(jù)定量分析兩種測量方法的差異。令遮陰灰板測得的天空光光譜輻亮度值為參考數(shù)列，直接測量的數(shù)據(jù)為比較數(shù)列，因其量綱相同，可直接比較分析，不再做無量綱化處理。

其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)g(x0(l),xi(l))通過式（2）進(jìn)行計(jì)算。

通過式（2）計(jì)算出兩種測量方法獲取的數(shù)據(jù)在各波長處的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)（圖3）。由3個觀測方位觀測天頂角均為15°的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出不同方位直接測量天空光與標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度（表1），垂陽面方位各觀測天頂角天空光與標(biāo)準(zhǔn)灰板反演天空光間的灰關(guān)聯(lián)度結(jié)果見表2。根據(jù)表1，向陽面的灰關(guān)聯(lián)度在3個測量方位中也最大。標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光是各個方位天空光的綜合反映，向陽面的天空光高于其它測量方位，在整個半球空間的天空光強(qiáng)度中占較大比重，因此，不難解釋向陽面和標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)較大的原因。

表1不同方位直接測量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度

表2不同觀測天頂角測量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)度

圖3直接測量天空光和標(biāo)準(zhǔn)板反演天空光的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

（a. 相同觀測天頂角不同方位；b.垂陽面不同觀測天頂角）

03測量結(jié)果比較分析

3.1不同方位測量結(jié)果比較分析

線輻亮度值比較直接測量方位分別為背陽面、垂陽面和向陽面。選擇觀測天頂角為15°的測量數(shù)據(jù)，可避開城市陰霾和太陽直射光的影響。各個觀測方位測得的天空光輻亮度和標(biāo)準(zhǔn)灰板反演法得到的天空光輻亮度如圖4所示。

由圖可知，直接測量法獲取的不同方位天空光光譜分布基本一致，但輻亮度值隨方位不同而差異較大。因各方位測量天頂角相同，則等同于平緯圈觀測方式，太陽輻射在大氣中穿過的路徑相同，造成天空光輻亮度值隨方位不同的主要原因?yàn)樯⑸湎嗪瘮?shù)的取值不同。

圖4不同方位天空光比較

3.2不同方位測量結(jié)果比較分析

直接測量選取垂陽面，測量天頂角分別為0°、15°、30°、45°、60°及城市上空邊緣的陰霾灰色區(qū)域（83°）和邊界亮邊（80°），各個觀測天頂角測得的天空光輻亮度和標(biāo)準(zhǔn)板反演法得到的天空光輻亮度如圖5所示。

由圖5可知，在觀測天頂角為0°、15°、30°、45°時，直接測量法獲取的天空光輻亮度在整個光譜波段內(nèi)基本重合。標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光是對半球空間入射天空光的綜合反映，說明隨著波長增加，天空光主要來自于城市邊緣氣溶膠散射的貢獻(xiàn)。

圖5不同觀測角度天空光比較

3.3測量方法比較分析

采用標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測量法是將太陽直射光用黑板隔斷，認(rèn)為到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)灰板上的只有天空光。標(biāo)準(zhǔn)灰板可以看作是各向同性的朗伯體，通過傳感器獲得的標(biāo)準(zhǔn)灰板反射的輻亮度值可以反演半球空間上的天空光輻亮度。但一般在進(jìn)行地物光譜測量時，雖然要求標(biāo)準(zhǔn)灰板應(yīng)處于一個空曠的區(qū)域，但一般在現(xiàn)實(shí)地物測量中很難得到這樣的測量條件，標(biāo)準(zhǔn)灰板周圍基本都存在其它地物，其反射光也有可能到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)灰板上。因此，該方法獲得的是半球方向上天空光和周圍地物反射光對觀測地物的綜合貢獻(xiàn)值，且持黑板遮陰的人和黑板都會阻擋部分天空光入射到標(biāo)準(zhǔn)板上，對天空光的測量產(chǎn)生一定影響。

采用直接測量法是避開太陽直射光的方向，將傳感器指向特定位置的天空，可獲得特定方位特定觀測角的天空光輻亮度。但由于大氣散射相函數(shù)的不同以及米氏散射存在方向上的差異，致使天空光在整個散射半球空間并不均勻，采用該測量方法獲得的數(shù)據(jù)并不具有代表性，且在某些觀測角方向，易受太陽直射光影響。

04結(jié)論與建議

直接測量法可以測量不同方位（與太陽入射平面的相對位置）、不同觀測角度的天空光數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)灰板可看作是各向同性的朗伯體。因此，可通過標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測量法獲得半球空間的天空漫射輻照度值。標(biāo)準(zhǔn)灰板反演測量法反映了被研究對象周圍物體反射天空光的綜合影響，通過對測量數(shù)據(jù)的直接分析和灰關(guān)聯(lián)系數(shù)分析可知，標(biāo)準(zhǔn)板反演的天空光和不同方位、不同觀測天頂角的天空光的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)有所差異，并隨波長不同而變化，其中向陽面和城市上空的陰霾與標(biāo)準(zhǔn)板反演結(jié)果的灰關(guān)聯(lián)較大。標(biāo)準(zhǔn)板反演法并不能反映整個半球空間天空光強(qiáng)度的分布情況。直接測量法可以獲得特定天空位置天空光的強(qiáng)度，但不能獲得天空光作用于地物的天空漫射情況。

在進(jìn)行多角度遙感數(shù)據(jù)天空光校正時，建議采用直接測量方法獲取天空光。在采用地物光譜儀進(jìn)行水體光譜測量的過程中，因?yàn)闇y量距離短，進(jìn)入到傳感器的為水面反射特定方位與角度的天空光，建議采用直接測量法進(jìn)行測量。

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審核編輯 黃宇