天空光是指太陽光經過大氣分子及大氣氣溶膠散射后經任意方向到達地面的輻射。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系，在很多大氣光學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，一種是借助標準板進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行測量，是地基大氣遙感主要采用的方法，在水質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標準灰板反演測量法

標準灰板可認為是各向同性的朗伯體。實驗過程中采用一個帶長竿的黑板在遠處正好遮擋太陽直射光照射到標準灰板上，地物光譜儀傳感器探頭在標準灰板上空近距離采集數據，測得標準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準灰板上，標準灰板對入射的天空光各向同性反射，傳感器可獲得標準灰板反射半球方向入射天空光輻亮度值（圖1）。

圖1標準板反演測量法

用地物光譜儀測量陰影下的標準灰板反射輻亮度值Lp_zy，根據灰板的標定反射率ρ，反演出天空光的入射輻亮度值Ldif：

高光譜遙感在水環境監測領域具有重要的意義：利用光譜信息對水環境進行監測；通過檢測水體中的反射和吸收特征，可以獲得水體中營養成分如懸浮物、有機質、氮磷等數據。高光譜遙感能夠對水體的動態演變過程進行實時監控，并能在短時間內實現對水環境的動態響應。

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行測量（圖2）。可獲得特定區域內的天空光輻亮度。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域（83°)和邊界亮邊（80°）。

圖2直接測量法

02基于灰色系統理論的灰關聯系數計算

自然界中天空光的分布現象與規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的特點。實驗獲取的數據樣本都是有限的，為避免統計分析不足，本文采用灰色系統理論中的灰色數學方法-關聯系數分析方法，通過少量樣本數據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列，直接測量的數據為比較數列，因其量綱相同，可直接比較分析，不再做無量綱化處理。

其灰色關聯系數g(x0(l),xi(l))通過式（2）進行計算。

通過式（2）計算出兩種測量方法獲取的數據在各波長處的灰關聯系數（圖3）。由3個觀測方位觀測天頂角均為15°的測量數據計算出不同方位直接測量天空光與標準板反演天空光的灰關聯度（表1），垂陽面方位各觀測天頂角天空光與標準灰板反演天空光間的灰關聯度結果見表2。根據表1，向陽面的灰關聯度在3個測量方位中也最大。標準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度中占較大比重，因此，不難解釋向陽面和標準板反演的天空光的灰色關聯系數較大的原因。

表1不同方位直接測量天空光和標準板反演天空光的灰關聯度

表2不同觀測天頂角測量天空光和標準板反演天空光的灰關聯度

圖3直接測量天空光和標準板反演天空光的灰關聯系數

（a. 相同觀測天頂角不同方位；b.垂陽面不同觀測天頂角）

03測量結果比較分析

3.1不同方位測量結果比較分析

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°的測量數據，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準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為散射相函數的取值不同。

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準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基本重合。標準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。

圖5不同觀測角度天空光比較

3.3測量方法比較分析

采用標準灰板反演測量法是將太陽直射光用黑板隔斷，認為到達標準灰板上的只有天空光。標準灰板可以看作是各向同性的朗伯體，通過傳感器獲得的標準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。但一般在進行地物光譜測量時，雖然要求標準灰板應處于一個空曠的區域，但一般在現實地物測量中很難得到這樣的測量條件，標準灰板周圍基本都存在其它地物，其反射光也有可能到達標準灰板上。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準板上，對天空光的測量產生一定影響。

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據并不具有代表性，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據。標準灰板可看作是各向同性的朗伯體。因此，可通過標準灰板反演測量法獲得半球空間的天空漫射輻照度值。標準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，通過對測量數據的直接分析和灰關聯系數分析可知，標準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聯系數有所差異，并隨波長不同而變化，其中向陽面和城市上空的陰霾與標準板反演結果的灰關聯較大。標準板反演法并不能反映整個半球空間天空光強度的分布情況。直接測量法可以獲得特定天空位置天空光的強度，但不能獲得天空光作用于地物的天空漫射情況。

在進行多角度遙感數據天空光校正時，建議采用直接測量方法獲取天空光。在采用地物光譜儀進行水體光譜測量的過程中，因為測量距離短，進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行測量。

推薦：

地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR

地物光譜儀是萊森光學專門用于野外遙感測量、土壤環境、礦物地質勘探等領域的最新明星產品，獨有的光路設計，噪聲校準技術、可以實時自動校準暗電流，采用了固定全息光柵一次性分光，測試速度快，最短積分時間最短可達20μs，操作靈活、便攜方便、光譜測試速度快、光譜數據準確，廣泛應用于遙感測量、農作物監測、森林研究、海洋學研究和礦物勘察等各領域。

審核編輯 黃宇