韓宏達(dá)

（黑龍江地理信息工程院,黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

隨著全球陸地資源日漸短缺，很多國家將視線轉(zhuǎn)移至海洋中。對(duì)海洋的水體進(jìn)行離水輻射亮度檢測，能得到水體中各物質(zhì)的組成與含量。水下剖面光譜測量是檢測離水輻射亮度的主要方法，離水輻射亮度的產(chǎn)生源于水體中存在的生物與懸浮物，這些物質(zhì)在水、光、大氣的共同作用下發(fā)生散射，得到離水輻射亮度。對(duì)離水輻射亮度的精準(zhǔn)測量能幫助專家精準(zhǔn)地推測海洋的水質(zhì)狀況，為海洋水質(zhì)研究提供有價(jià)值的參考。

在目前的有關(guān)研究中，田禮等[1]基于SBA水體光譜現(xiàn)場獲取原理，設(shè)計(jì)了基于SBA的水體光譜測量系統(tǒng)硬件和軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)直接觀測，得到離水輻亮度；曾凱等[2]設(shè)計(jì)了海底光譜反射率測量雙光路采集系統(tǒng)，為消除測量探頭與被測物之間的距離影響，采用放置靈活的參考白板，方便對(duì)目標(biāo)物貼近測量，雙通道的同步測量能夠避免水下光場對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，使測量結(jié)果相對(duì)精準(zhǔn)。以上傳統(tǒng)的光譜剖面測量方法中，使用普通衛(wèi)星能夠接收海洋中的離水輻射亮度，但是由于大氣粉塵等形成的氣溶膠以及一些小直徑粒子的散射影響，使普通衛(wèi)星接收到的離水輻射亮度出現(xiàn)偏差。為提高衛(wèi)星的接收精度，本文設(shè)計(jì)一種基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法。

1.基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法研究

1.1 水下光譜剖面儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在水下光譜剖面測量方法設(shè)計(jì)過程中，需要采用光纖式高光譜剖面儀。該類型儀器的主要媒介是光纖，以完成光信號(hào)傳輸，將信號(hào)從水下位置傳輸至光譜儀中，完成水下剖面光譜數(shù)據(jù)的通訊與測量[3]。水下光譜剖面儀的測量過程示意圖（如圖1所示）：

圖1 剖面儀測量使用示意圖

由圖1可知，水下光譜剖面儀在工作過程中需遠(yuǎn)離船體，因此利用硬質(zhì)連桿支撐光纖的電纜，將浮子系統(tǒng)移動(dòng)至船體向陽面，電纜采集到水下的光信號(hào)后連接表面光譜儀，測量過程中所獲得的信號(hào)能夠通過光纖連接船上的光譜與水下的測量狀況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析之后得到水下的剖面光譜[4]。在光纖選擇過程中，由于水體中的入射光存在于入射光譜近紅外波中，測量過程中易被大氣、海水表層所吸收，因此在光纖選取中需要重視波段為250nm-341nm的光纖傳輸性能。一般的光纖芯直徑較小，相對(duì)于水下光譜剖面儀而言，其接收并傳輸?shù)娜肷漭椛淞窟_(dá)不到檢測范圍要求，因此光纖需要選擇水下光譜剖面儀的適配特種石英PCS光纖，其芯徑為0.58mm~0.65mm，數(shù)值孔徑為0.57mm，這種適配特種光纖在測量過程中產(chǎn)生的損耗較小，其曲線與鏡頭測量值具有較高的相似性。使用該類光纖與水下光譜剖面儀相連接，能夠提高實(shí)測值的精度。

1.2 引入星站差分GPS技術(shù)

傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)因受氣候限制，定位精度較差，因此本文使用星站差分GPS代替?zhèn)鹘y(tǒng)RTK技術(shù)應(yīng)用于水下光譜剖面測量。星站差分GPS實(shí)際上是一種單機(jī)RTK技術(shù)，與傳統(tǒng)RTK相比，其對(duì)基準(zhǔn)站進(jìn)行了更換和替代。星站差分GPS技術(shù)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：L波段的通信衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用戶接收機(jī)、注入站、數(shù)據(jù)處理器及遍布全球的GNSS參考站網(wǎng)絡(luò)。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取信息后，通過參考站網(wǎng)絡(luò)傳輸至注入站與數(shù)據(jù)處理器，再經(jīng)雷達(dá)傳至L波段的通信衛(wèi)星上，經(jīng)過DGPS差分之后，得到差分改正數(shù)據(jù)，傳入用戶接收機(jī)中，實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)聯(lián)通與交換。本文研究的水下光譜剖面測量方法使用MarineSTAR星站差分技術(shù)，針對(duì)不同的水下光譜剖面進(jìn)行測量，MarineSTAR星站差分技術(shù)可以提供多種GPS差分等級(jí)服務(wù)，能夠針對(duì)不同的置信度環(huán)境提供有效的定位精度，總體來說在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，平面和高程的精度能夠保證在15cm以下[5]。在星站差分GPS測量系統(tǒng)中，設(shè)置雙串口PC卡、PC機(jī)以及GPS接收機(jī)等硬件裝置，其中重要的探測儀器為15H型海鷹探測儀，在星站差分GPS工作機(jī)制下，衛(wèi)星接收到輻射亮度后，其測量所處的大氣環(huán)境對(duì)輻射亮度的測量結(jié)果具有重要影響。因此，為保證測量獲得的離水輻射率準(zhǔn)確度，需進(jìn)行大氣校正。

1.3 水下光譜剖面測量數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

由于受衛(wèi)星工作環(huán)境的影響，在惡劣天氣條件下，圖像的獲取與通信會(huì)存在一些條帶，因此在測量結(jié)束后，需要對(duì)圖像以及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文采用自適應(yīng)局部回歸法，在數(shù)據(jù)相同的多個(gè)測量圖像中，選擇區(qū)域面積最小且相關(guān)性最大的區(qū)域進(jìn)行分析。針對(duì)遙感圖像，選擇經(jīng)過自適應(yīng)局部回歸法去除條帶后的某波段圖像，搭配大氣校正的波段圖像，并切割圖像以簡化數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行掩膜處理，以去除遙感圖像中的陸地部分。

完成數(shù)據(jù)整理后，需要對(duì)星站差分得到的遙感數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行輻射校正。在水下剖面測量過程中，傳感器傳輸?shù)妮椛鋸?qiáng)度能以圖像灰度值的方式體現(xiàn)[6]。在真實(shí)的測量過程中，傳感器能夠接收到的輻射強(qiáng)度除了目標(biāo)物自身的真實(shí)輻射外，還受水下其他物質(zhì)的影響。在測量過程中，除了傳感器誤差外，對(duì)于大氣輻射進(jìn)行校正是測量方法中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；诖髿馀c太陽輻射的獨(dú)特性，太陽輻射在穿越大氣過程中經(jīng)過一系列折射、吸收及散射等自然現(xiàn)象，其在計(jì)算水層遙感反射率時(shí)需依據(jù)輻射校正后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于星站差分GPS衛(wèi)星，計(jì)算如式（1）所示：

本文在測量中主要利用ETM+的3波段，通過查閱相關(guān)資料，可以確定上式中值為0.9215，為遙感抵消，具體數(shù)值為-3.8810。校正的相關(guān)流程（如圖2所示）：

圖2 大氣校正流程圖

在上述校正流程下，對(duì)遙感圖像進(jìn)行相關(guān)的波度運(yùn)算，從而得到輻射亮度值。對(duì)于遙感反射率，其計(jì)算如式（2）所示：

式（2）中，P0為目標(biāo)反射的輻射能量；P為總?cè)肷淠芰?；RS為無量綱。由于不同目標(biāo)的外在形狀及質(zhì)地不同，故遙感反射率存在一定差異。針對(duì)水下光譜剖面進(jìn)行測量，目標(biāo)絕大多數(shù)時(shí)候會(huì)發(fā)生漫反射，這種情況下的太陽輻射波長與角度對(duì)最終的測量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。為提高測量精度，可以采用縮小自然光入射角的方式減少鏡面反射。一般水中物體的反射率范圍為[0,1]，通過反射率數(shù)值判定目標(biāo)物體的性質(zhì)與濃度。在測量中，需對(duì)大氣傳輸?shù)姆匠踢M(jìn)行簡化，編寫與太陽光譜相關(guān)的信號(hào)以模擬太陽輻射的傳輸過程，假定測量環(huán)境為晴朗無云，考慮到大氣環(huán)境中正常物質(zhì)的系統(tǒng)以及氣溶膠散射問題，故將相關(guān)參數(shù)與處理過的水下遙感數(shù)據(jù)代入計(jì)算，得到高質(zhì)量的水下光譜剖面測量遙感數(shù)據(jù)。至此完成基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法研究。

2.試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法的有效性，選擇某研究區(qū)的水體進(jìn)行測量。該研究區(qū)的海水納污能力強(qiáng)，其中含有的泥沙較多，海灘土質(zhì)松散，包括粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、粉砂混合土等多種類型。在該片研究區(qū)中設(shè)置若干測量點(diǎn)，分別對(duì)其進(jìn)行表觀光學(xué)及固有光學(xué)測量。選擇其中兩個(gè)測試點(diǎn)，得到相關(guān)點(diǎn)位信息（如表1所示）：

表1 兩個(gè)觀測點(diǎn)相關(guān)點(diǎn)位信息

在測量過程中，本文使用基于星站差分GPS的水下光譜測量法，將光譜儀的觀測角度設(shè)置為與太陽入射平面夾角的135°，與地平面的法線夾角為40°，儀器測量示意圖（如圖3所示）：

圖3 水下光譜測量示意圖

水下光譜的遙感反射率計(jì)算如式（3）所示：

式（3）中，ρ為漫反射板的反射率；本文選擇的漫反射板反射率值為24%，Yi為水下反射率；n為海洋表面的反射率；Yi為天空反射率；Yq為離水輻射率。水下光譜剖面測量儀主要是依靠其特有的輻照度來接收水下測量的輻照度，使用漫反射板測量水面到測量船中的上行光輻射率，水下各層面的遙感漫反射率計(jì)算如式（4）所示：

式（4）中，λ為海面的入射輻照度。在上行光以及下行光所覆蓋的測量剖面中，各個(gè)方向光的分布相對(duì)均勻，因此某些角度的通光量較理想中的分布大。本研究使用的測量儀器與傳統(tǒng)方法使用的測量儀器參數(shù)（如表2所示）：

表2 兩種方法所用儀器參數(shù)

在上述試驗(yàn)環(huán)境下，使用傳統(tǒng)水下光譜剖面測量方法進(jìn)行同步測量，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過測量試驗(yàn)，得到兩種方法的水層遙感反射率曲線（如圖4所示）：

圖4 兩種方法得到的水下遙感反射率曲線

根據(jù)公式中的計(jì)算方法，分別使用本文設(shè)計(jì)的測量方法與傳統(tǒng)測量方法得到水下統(tǒng)一深度的遙感反射率。由于光線在水中發(fā)生折射，故水下光譜剖面儀能接收到經(jīng)水面折射的光斑。從上圖可以看出，本文測量方法得到的遙感反射率與標(biāo)準(zhǔn)水層遙感反射率曲線在450nm~800nm高度相關(guān)，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)比，兩曲線的相關(guān)系數(shù)R2>0.995，傳統(tǒng)測量方法得到的曲線與標(biāo)準(zhǔn)水層遙感反射率曲線的相關(guān)系數(shù)R2>0.855，吻合情況不及本文方法，說明本文方法的測量準(zhǔn)確度較傳統(tǒng)方法高。

3.結(jié)束語

在遙感反射率測量過程中，大氣環(huán)境及水環(huán)境中存在諸多影響測量準(zhǔn)確性的因素，因此本文引入星站差分GPS技術(shù)以避免測量及傳輸過程中帶來的誤差和影響。在水下光譜剖面測量過程中，受傳統(tǒng)基站束縛較少，通過一系列傳輸流程使衛(wèi)星接收到輻射亮度。為保證測量準(zhǔn)確度，還需對(duì)水下光譜剖面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算以校正大氣輻射。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方法可提高遙感反射率曲線的測量準(zhǔn)確度。