三维水体辐射传输理论研究

水体辐射传输是水色遥感的理论基础，但目前应用较广的水体辐射传输模型如HydroLight假设水体水平均匀且只能处理底部边界影响问题，称为准三维水体辐射传输模型，不能较好的用于解决有复杂边界的问题。针对这种情况，本项目通过蒙特卡罗(Monte Carlo)来模拟用数学公式或离散数值给出边界条件下的水体辐射传输过程，对准三维模型中的假设进行完善，建立三维水体辐射传输模型。重点解决天空光分布、水中颗粒物散射相函数等关键问题。利用水槽试验实测数据对模型精度进行评价。本项目所建立的三维水体辐射传输模型能为反射管式吸收衰减系数测量仪（如ACS、AC9）散射误差校正、水槽表观光谱校正、以及水下辐射测量仪器阴影误差校正提供理论依据，形成既有水体辐射传输理论支持，又具有实用性的数值水槽，为海洋水色定量遥感奠定研究基础。

本项目基于Monte Carlo 方法来模拟有边界条件下的水体辐射传输，建立了真三维水体辐射传输模型。解决了辐射传输过程所涉及到的水表光场初始化、光子与水气界面作用、光子传播方向、传播距离、与水中颗粒物以及边界碰撞、光子记录以及表观光学量计算等问题。水表光场初始化中，重点开展了天空光分布研究，建立了天空光分布模型。与水中颗粒物碰撞中，重点研究了颗粒物散射相函数，基于实测固有光学特性数据（包括衰减系数以及后向散射概率），通过迭代建立了散射相函数模型。从多个角度对所建立的真三维水体辐射传输模型进行精度评定，首先是基于Mobley et al.(1993)所提出的问题，将本项目所建立的开阔水体辐射传输模型与现有的模型(包括目前广泛应用的HydroLight)进行比对。其次，利用现场实测数据对开阔水体辐射传输模型进行评定。评定结果表明所建立的开阔水体辐射传输模型可靠。为对真三维水体辐射传输模型进行精度评价，开展了室内人造光源及室外自然光水槽试验，测量了水体表观及固有光学量以及天空光。基于实测固有光学量以及光照几何，利用真三维水体辐射传输模型来模拟水体表观光谱，并与实测表观光谱进行比对，表明本项目所建立的真三维辐射传输模型精度可靠。该三维模型克服了现有水体辐射传输模型无法解决侧面影响问题，有望成为一种新的数字水槽工具，解决水色遥感应用中受侧面影响的问题，如水槽试验表观光谱校正，浮标阴影对水体光谱影响评估、反射管式吸收系数测量散射误差校正(如 Wetlabs AC-9 及AC-S)。