汪小勇，唐軍武，李銅基，周虹麗

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

水面之上法測量水體光譜的關(guān)鍵技術(shù)

汪小勇，唐軍武，李銅基，周虹麗

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

對(duì)水體光譜特征的研究是海洋水色遙感的基礎(chǔ)工作之一。水體的光譜特征包括：表觀光學(xué)特性和固有光學(xué)特性。在水體的表觀光學(xué)特性研究方面，目前國際水色界推行的有：剖面法和水面之上法（也稱表面法）。由于我國近岸水體混濁度較高，淺水區(qū)域較多，研究這類水體的表觀光學(xué)特性應(yīng)以水面之上法為主、剖面法為輔。介紹了水面之上法水體光譜的測量技術(shù)，就其中關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了討論。

水面之上法，水體光譜，光譜測量

在海洋水色遙感中，通常把海水分為兩類：I類水體和II類水體。I類水體是指其光學(xué)性質(zhì)主要由浮游植物及其降解物質(zhì)色素所決定的海水，而II類水體是指光學(xué)性質(zhì)由包括非葉綠素降解物質(zhì)所決定的水體，這些物質(zhì)主要是有色可溶性有機(jī)物（CDOM）、懸浮物、碎屑及細(xì)菌等。由于影響不同類水體光學(xué)特性的因素不同，所用的研究方法也就不同。在研究I類海水的表觀光學(xué)特性時(shí)，以剖面法為主；而在研究II類海水的表觀光學(xué)特性時(shí)，則以水面之上法為主。所謂剖面法，是縱向測量水下不同深度水體的光學(xué)特性，外推得到水表面的光學(xué)信號(hào)，從而求得離水輻亮度（Lw）、歸一化離水輻亮度（Lwn）和遙感反射比（Rrs）等遙感物理量。這種方法在大洋I類水體中應(yīng)用十分廣泛，在混濁淺水區(qū)則無用武之地。所謂水面之上法，是在水面上方采取適當(dāng)?shù)挠^測幾何，通過觀測海面、對(duì)應(yīng)方向上天空光和海面入射輻照度（或水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板）等目標(biāo)，來求得與剖面法相同的遙感物理量。水面之上法在我國近岸水體及湖泊水體的光譜特性研究中，發(fā)揮著越來越大的作用。

1 水面之上法的測量原理及分析

水面之上法的測量過程是通過測量海面、天空光的輻射亮度以及海面入射輻照度來導(dǎo)出離水輻亮度、歸一化離水輻亮度及遙感反射比等遙感物理量。

1.1 觀測幾何

根據(jù)最新美國SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范[1-4]推薦的觀測角度為（θ,φ）=（40°，135°），其中：θ是儀器觀測方向與海面法線方向的夾角；φ是儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角（圖1）。采取此觀測角度可最大程度地避免太陽直射反射，同時(shí)減少測量點(diǎn)周圍建筑物陰影的影響。

圖1 現(xiàn)場測量的幾何關(guān)系

1.2 離水輻亮度的測量

光譜儀接收到的信號(hào)為：

式中：Lw為離水輻亮度貢獻(xiàn)：ρ*Lsky為對(duì)應(yīng)方向反射天空光輻亮度的貢獻(xiàn)；ρ為氣水界面反射率；Lg為太陽直射反射貢獻(xiàn)。采取前述的觀測幾何，可認(rèn)為Lg≈0，因此有：

1.3 海面入射輻照度（Es）的獲取

Es參數(shù)可通過直接測量獲得，這樣的探頭大多有一個(gè)余弦采集器或者積分球，測量時(shí)必須安裝在其180°立體視場角均無遮擋物的地方，而且要保證儀器探頭的絕對(duì)垂直，并且在測量時(shí)要與測量海面部分同步進(jìn)行。

另外，該參數(shù)也可以通過測量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射亮度來間接求得[5-9]：

式中：Lp為測得的標(biāo)準(zhǔn)白板的輻射亮度；Rp為標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率。

這種方法有優(yōu)越性，也有局限性。

1.3.1 優(yōu)越性

采用這種方法測量時(shí)，只用一個(gè)輻亮度探頭，只要測量儀器穩(wěn)定性好、線性度好，則不需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)就可以獲得遙感反射比等物理量：

式中：DNsea，DNsky，DNp分別為光譜儀面向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)的讀數(shù)；ρ和Rp分別為氣水界面反射率和標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。

如果采用直接測量的方法來獲取Es，則需要單獨(dú)的一個(gè)探頭來測量天空輻照度，因此會(huì)引入一定的誤差，而且必須對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)。另外，如果需要導(dǎo)出歸一化離水輻亮度、離水輻亮度等參數(shù)，同樣需要對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)。

1.3.2 局限性

（1）標(biāo)準(zhǔn)板必須進(jìn)行嚴(yán)格的定標(biāo)，包括雙向反射率定標(biāo)，否則在晴天測量時(shí)不同的太陽天頂角會(huì)引起測量結(jié)果較大的誤差；

（2）現(xiàn)場測量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)板的周圍及上層建筑的遮擋和反射影響難以消除；

（3）相對(duì)于直接測量Es的方法，測量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射亮度，增加了測量步驟，相應(yīng)也就加長了現(xiàn)場試驗(yàn)所用的時(shí)間；

（4）測量時(shí)，要保證標(biāo)準(zhǔn)板的嚴(yán)格水平和標(biāo)準(zhǔn)板不受污染，這在野外試驗(yàn)特別是在船上作業(yè)時(shí)難度較大；

（5）相對(duì)于直接測量Es的方法，測量標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)不能和水面及天空的數(shù)據(jù)同步采集，因此不能實(shí)時(shí)觀測太陽的變化，因此，也就引入了一定的誤差。

圖2是直接測量的Es和通過測量標(biāo)準(zhǔn)板（反射率為25%）的輻亮度而獲得的Es的比較結(jié)果。從圖中可以看出，兩者的結(jié)果相差不大，最大誤差在7%左右，這可能是標(biāo)準(zhǔn)白板和現(xiàn)場環(huán)境的上層建筑帶來的誤差。

圖2 海面入射輻照度Es測量值與計(jì)算值對(duì)比

1.4 歸一化離水輻亮度及遙感反射比等物理量的求取

歸一化是消除太陽光照影響和大氣影響，相當(dāng)于把所有的測量條件都?xì)w于同一種情況：太陽在測量點(diǎn)法線方向上，真空中測量，使所有測量具有可比性。根據(jù)NASA SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范，歸一化離水輻亮度定義為：

式中：F0為大氣層外平均日地距離處的太陽輻照度；Ed(0+)是水表面上總的下行入射輻照度；Lw為離水輻亮度。Ed(0+)或Es可由（3）式計(jì)算或直接測量得到。遙感反射比定義為：

2 水面之上法的關(guān)鍵問題

2.1 儀器的定標(biāo)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)

遙感器定標(biāo)是遙感信息定量化的前提，遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標(biāo)精度。對(duì)現(xiàn)場測量的儀器，所指的定標(biāo)是實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)，一般要求每半年標(biāo)定一次，或長期大型試驗(yàn)前后各標(biāo)定一次，根據(jù)NASA SeaWiFS海洋光學(xué)規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻照度定標(biāo)的不確定度＜2%，輻亮度定標(biāo)的不確定度＜3%。

實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)是建立探測器輸出信號(hào)的數(shù)值量化值與該探測器對(duì)應(yīng)目標(biāo)的實(shí)際輻射值之間的定量關(guān)系的一個(gè)過程，包括輻照度定標(biāo)和輻亮度定標(biāo)。

輻照度定標(biāo)需要：標(biāo)準(zhǔn)燈、光欄、穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、千分尺等輔助設(shè)備；

輻亮度定標(biāo)需要：標(biāo)準(zhǔn)燈、光欄、穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、標(biāo)準(zhǔn)反射板、千分尺等輔助設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)流程：調(diào)整光路—測量距離—給標(biāo)準(zhǔn)燈緩慢加電—定標(biāo)測量—計(jì)算定標(biāo)系數(shù)。定標(biāo)示意圖如圖3所示。

另外，實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求很高，包括對(duì)外界光的屏蔽、對(duì)溫度濕度的要求、對(duì)實(shí)驗(yàn)室清潔度的要求等[10]。

圖3 實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)示意圖

2.1.2 波長定標(biāo)

波長定標(biāo)的目的是校正儀器響應(yīng)波長的漂移，一般要求每半年標(biāo)定一次。目前普遍的做法是，在額定的電流和電壓下，用儀器觀測有特征波長的標(biāo)準(zhǔn)燈。用標(biāo)準(zhǔn)燈的特征波長來校正儀器的響應(yīng)波長即可。

圖4是FieldSpec波長定標(biāo)的數(shù)據(jù)，圖中光譜曲線的峰值為儀器響應(yīng)波長，表1中列出了標(biāo)準(zhǔn)燈的特征波長及儀器的響應(yīng)波長，從結(jié)果來看，儀器的波長漂移很小，性能良好。

圖4 波長定標(biāo)數(shù)據(jù)

表1 波長定標(biāo)結(jié)果/nm

2.1.3 試驗(yàn)期間的儀器質(zhì)量跟蹤

質(zhì)量跟蹤的含義是用穩(wěn)定的光源來檢測儀器定標(biāo)方程的變化。由于野外試驗(yàn)的環(huán)境復(fù)雜，如果試驗(yàn)期間儀器性能變化太大，在此期間獲得的數(shù)據(jù)就沒有可比性。因此，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)后的儀器在長期的野外試驗(yàn)期間，必須進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，確保獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

2.2 氣水界面反射率的確定

氣水界面反射率的確定一直是一個(gè)有爭議的問題。式（2）中ρ為氣水界面反射率，其范圍在0.02～0.05之間。一般在晴天，二級(jí)海況以下，觀測幾何為（40°，135°）時(shí)，ρ可選取0.021，但實(shí)際現(xiàn)場試驗(yàn)中天氣情況要復(fù)雜得多，因此ρ的選取十分復(fù)雜也很重要。

因?yàn)榻t外波段的強(qiáng)烈吸收，在近紅外波段，一般離水輻亮度就已經(jīng)為0或接近于0了。如在I類水體（葉綠素a濃度 ＜0.25 mg/m3）中，Lw(670)=0 的假設(shè)是可以成立的[11]，而在II類水體則比較復(fù)雜，要根據(jù)水體的本身情況來確定，可選擇Lw(1012)=0[12]。當(dāng)離水輻亮度Lw為0時(shí)，由式（2）可以得到氣水界面反射率。

根據(jù)Mobley[13-14]研究表明，ρ與風(fēng)速、觀測角度以及太陽天頂角有關(guān)。并給出了在40°觀測角時(shí)風(fēng)速和太陽天頂角對(duì)應(yīng)氣水界面反射率的關(guān)系（圖5）。一般在全云覆蓋、低風(fēng)速、觀測角為40°時(shí)，ρ可定為0.028，這比我們的經(jīng)驗(yàn)值稍大。

圖5 氣水界面反射率與風(fēng)速、天頂角之間的關(guān)系（觀測角為40°）

2.3 太陽耀斑的剔除

目前，已有很多算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽耀斑等光污染的剔除，如M80，C85，S95，L98等。但這些算法都是針對(duì)特定儀器開發(fā)的，算法中有些參數(shù)普通儀器無法測得。因此我們采用選擇適當(dāng)?shù)挠^測幾何，最大程度地避免太陽耀斑等光污染的影響。所以現(xiàn)場的觀測幾何是相當(dāng)重要的。根據(jù)Hooker等人[15-16]多次比對(duì)試驗(yàn)表明，采取(30°＜θ＜45°,90°＜φ＜135°)觀測幾何，可以減小耀斑的影響。最新版的NASA海洋光學(xué)觀測規(guī)范也建議在（40°,135°）的觀測幾何下測量海面和天空光輻亮度。

即使采取了適當(dāng)?shù)挠^測幾何，還是不能完全避免太陽耀斑燈光污染的影響（圖6），必須在后期的數(shù)據(jù)處理中予以剔除。由于太陽耀斑的信號(hào)比較強(qiáng)，一般比其他方面的貢獻(xiàn)要大，因此，數(shù)據(jù)處理中要剔除較大的數(shù)據(jù)。

圖6 一個(gè)波浪周期內(nèi)海面光譜數(shù)據(jù)

2.4 雙向反射率的校正

在晴天而且用測量標(biāo)準(zhǔn)板方法來獲得Es的情況下，必須對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向反射率校正。表2是一個(gè)反射率為35%的標(biāo)準(zhǔn)板在不同觀測角度時(shí)測定的反射率隨波長變化的數(shù)據(jù)，從中可以看出，在觀測角為10°和70°時(shí)反射率之間的誤差最大能達(dá)到14.6%，因此在晴天情況下測得的數(shù)據(jù)，后期處理時(shí)必須予以校正；但是，在陰天情況下測得的數(shù)據(jù)，由于各方向光照均勻，則不能進(jìn)行雙向反射率的校正。

雙向反射率校正的過程比較復(fù)雜，涉及到測量太陽直射輻照度，這在船上現(xiàn)場操作比較困難，精度也不夠，現(xiàn)提供一種粗校正的方法。需要的參數(shù)有：測量點(diǎn)的經(jīng)緯度和觀測時(shí)間，計(jì)算當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶柼祉斀?，在雙向反射率表中，找出對(duì)應(yīng)角度的反射率計(jì)算。

表2 不同觀測角度對(duì)應(yīng)反射率及相互間誤差

2.5 儀器的積分時(shí)間或增益的調(diào)整

在0～1級(jí)海況，晴天無云的天氣情況下，采用不同的積分時(shí)間（272 ms，544 ms，1 088 ms和 2 176 ms）來觀測海面，得到圖7中的遙感反射比曲線。由圖7分析可知，積分時(shí)間越長，對(duì)應(yīng)的遙感反射比越大，主要原因是長積分時(shí)間無法避免隨機(jī)性的太陽耀斑等光污染。但若積分時(shí)間太短，會(huì)導(dǎo)致儀器信噪比下降。綜合考慮，儀器的積分時(shí)間可確定為100～300 ms，一方面保證儀器的信噪比，另一方面避免太陽耀斑等光污染的影響[6]。同時(shí)，為減小儀器更換積分時(shí)間(切換增益)帶來的系統(tǒng)誤差，還要盡量使儀器測量標(biāo)準(zhǔn)板與測量海面目標(biāo)用同一積分時(shí)間(增益)，由于海面的信號(hào)比較弱，建議使用反射率為20%～30%的標(biāo)準(zhǔn)板。

圖7 晴天時(shí)同一測量點(diǎn)不同積分時(shí)間下獲得的遙感反射比

3 誤差的來源及分析

水面之上法測量誤差主要源于儀器的定標(biāo)誤差、測量用標(biāo)準(zhǔn)反射率白板的標(biāo)定誤差、測量方法不當(dāng)引入的誤差以及光照條件變化引起的誤差。其中，儀器定標(biāo)誤差約5%；標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定（BRF）誤差約3%；數(shù)據(jù)處理誤差約7%，總誤差約為9.2%。以上誤差是在儀器和標(biāo)準(zhǔn)板經(jīng)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、現(xiàn)場測量時(shí)嚴(yán)格遵循現(xiàn)場測量幾何關(guān)系下，并且晴天、無云、能見度高、海況較好的情況下得到的。

誤差分析：

（1）儀器定標(biāo)誤差約為5%，其中包含標(biāo)準(zhǔn)傳遞引起的誤差，約1%，這是不能避免的，另外使用標(biāo)準(zhǔn)板引入的誤差，約3%，其他誤差來自各探頭離點(diǎn)光源距離不等，以及距離測量等方面。

（2）標(biāo)準(zhǔn)板標(biāo)定誤差為約3%，包含其朗勃特性和均勻性方面誤差，需要在材料和工藝方面進(jìn)行改進(jìn)才能減小這方面誤差。

（3）數(shù)據(jù)處理誤差為約7%,包含測量數(shù)據(jù)引起的誤差，由于波浪的影響，海面觀測數(shù)據(jù)在1 s以內(nèi)變化都是很大的（圖6），有效數(shù)據(jù)不到10%，減小誤差的方法是連續(xù)快速采集盡量多的數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣間隔，以確?？缫粋€(gè)或多個(gè)波浪周期。另外，在確定氣水界面反射率ρ時(shí)，也會(huì)引入較大的誤差，因?yàn)棣雅c風(fēng)速風(fēng)向、太陽位置以及觀測幾何等因素有關(guān)，比較復(fù)雜，應(yīng)盡快建立有效的模型來確定此參數(shù)，以減小此方面帶來的誤差。

4 結(jié)論

本文給出了水面之上法光譜測量的原理，討論了光譜測量中的關(guān)鍵問題，對(duì)其中關(guān)鍵問題如實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、氣水界面反射率的求取、太陽耀斑的剔除及雙向反射率的校正等問題進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，但有些細(xì)節(jié)尚需進(jìn)一步的研究，同時(shí)對(duì)水面之上法的各種誤差來源進(jìn)行了分析。只有把握住每一個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵問題，提高水面之上法的整體精度，才能在我國的近岸海洋水色遙感中發(fā)揮更大的作用。

[1]James LMueller,Giulietta SFargion，Charles R McClain，et al.Ocean Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2003,Rev4.

[2]Fargion GS，J LMueller.Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2002,Rev3.

[3]Fargion GS，J LMueller.Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2000,Rev2.

[4]Mueller J L，R WAustin.Ocean Optics Protocols for SeaWiFSValidation[M].1995,Rev1.

[5]汪小勇，李銅基，唐軍武，等.雙通道高光譜地物波譜儀測量水體的遙感反射率[J].海洋技術(shù)，2003，22(3)：20-24.

[6]汪小勇，李銅基，唐軍武,等.二類水體表觀光學(xué)特性的測量與分析—水面之上法方法研究[J].海洋技術(shù)，2004，23(2)：1-6,23.

[7]唐軍武,田國良，汪小勇，等.水體光譜測量與分析——水面之上測量法[J].遙感學(xué)報(bào)，2004，8(1)：37-44.

[8]唐軍武.水色光譜分析與多成分反演算法[J].遙感學(xué)報(bào)，1997，1(4)：252-256.

[9]唐軍武.海洋光譜測量與數(shù)據(jù)分析處理方法[J].海洋通報(bào)，1998，17(1)：71-79.

[10]汪小勇，李銅基.光學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)輻射定標(biāo)及現(xiàn)場質(zhì)量跟蹤[J].海洋技術(shù)，2003，22(1)：29-33.

[11]Gordon H R.Apreliminaryassessment ofthe Nimbus-7 CZCSatmospheric correction algorithmin a horizontallyinhomogeneous atmosphere[C]//J F R Gower.OceanographyfromSpace,PlenumPress,1981：257-266.

[12]Bukata R P,J H Jerome,J E Bruton.Particulate Concertrations in Lake St.Clair as recorded by shipborne multispectral optical monitoring system[J].Remote Sens.Environ.,1998，25：201-229.

[13]Mobley,Curtis D.Light and water--radiative transfer in natural waters[M].Academic Press，1994.

[14]MorelA，BGentili.Diffusereflectanceofoceanicwaters.III.Implication ofbidirectionalityfor theremote-sensingproblem[J].Applied Optics,1996，35（24）：4850-4862.

[15]Hooker SB,GZibordi,GLazin,et al.The SeaBOARR-98 Field Campaign[R].SeaWiFSPostlaunch Technical Report Series,NASA/TM-1999-206892,Vol.3.

[16]Hooker SB,GZibordi,GLazin,et al.An Evaluation ofAbove-and In-Water methods for DeterminingWater-LeavingRadiances[J].Journal ofatmos pheric and oceanic technology，2002，19（4）：486-515.

Key Technologies of Water Spectra Measurements with Above-water Method

WANG Xiao-yong,TANG Jun-wu,LI Tong-ji,ZHOU Hong-li
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China)

The research on water spectral properties is a basic work of ocean color remote sensing.The water spectral properties contain Apparent Optical Properties(AOP)and Inherent Optical Properties(IOP).There are two popular methods to study water AOP:profiling method and above-water method at present.Due to the turbid and shallow coastal waters of our country,the main research method on AOP of these waters is above-water method,and the profiling method is auxiliary.The above-water method of water spectra measurements and analysis were given and a discussion was given about key technologies.

above-water method;water spectra;spectral measurement

TP79

B

1003-2029（2012）01-0072-05

2011-11-10

我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——ST11區(qū)塊海洋光學(xué)調(diào)查與研究（908-01-ST11）;我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——我國近海海洋光學(xué)與遙感調(diào)查研究（908-ZC-I-04）

汪小勇（1978-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊鈱W(xué)遙感。Email：wangs78@163.com