謝栢成, 許占堂, 楊躍忠, 曾 凱, 張 雨, 劉永明, 周 雯, 李 彩

1. 中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室, 廣東 廣州 510301

2. 中國科學院大學, 北京 100049

3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室, 廣東 廣州 511458

引 言

自然界中, 大部分物體屬于非朗伯體性質, 其對太陽的短波輻射和散射的表現(xiàn)具有明顯的方向性。 研究學者們觀察到這種現(xiàn)象, 并提出雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution functions, BRDF)這一概念對物體物體表面的光譜特性進行定義[1]。 BRDF表征的是: 光經過目標表面后的反射輻射在空間的分布特征, 量化不同角度的入射總輻射與出射輻射之間的關系, 可通俗表示為目標表面在任何觀測角上所具有的反射特征或目標單位立體角上的反射率, 能全面描述目標表面的反射輻射特征[2]。 由于不同地物的雙向反射特性各異, 可借助目標的雙向反射特性達到采用遙感光譜區(qū)分不同地物的目的。

在光學淺水遙感中, 不同目標的反射率表征底部目標的特征信號[3], 通過分析水下底質光譜信號能精準地獲取底質狀態(tài)分布信息(如珊瑚的健康狀況信息)。 為提高遙感對珊瑚底質的反演, 有較多學者對珊瑚的反射率光譜進行測量, 如Miller獲取了澳洲大堡礁海域, 包含珊瑚, 沙質等多種底質的BRDF測量數(shù)據(jù), 測量采用的是水表測量法, 在每次測量時均需在空氣中對參考板進行測量, 計算過程復雜, 且采用水表之上測量法忽略了底質反射率在水下和水上存在較大差異的現(xiàn)象[4]。 水下底質遙感的一個困境在于光學淺海復雜的底質環(huán)境中, 所識別的反射率光譜中涵蓋多種底質, 且部分底質光譜特征具有相似性, 以至于同一反射光譜信號多種生化組分信息的糅合、 混淆, 缺乏有效手段對淺海區(qū)域復雜底質高光譜海底反射特征及其光譜進行組分區(qū)分[5]。 曾凱等采用自主設計的水下雙通道同步輻射測量能很好地解決底質反射率水下原位測量的誤差問題, 同化目標物和標準參考物在相同光場下的測量條件, 消除光在水中光程差影響等, 對獲取到的珊瑚、 海草等底質反射率光譜具有很好的效果, 但是測量角度單一, 儀器自陰影和角度對測量數(shù)據(jù)影響很大[6]。 單角度的珊瑚反射率進行測量, 能夠在一定程度上體現(xiàn)出珊瑚的部分特性, 若想要更深入了解珊瑚的冠層信息, 結構層次等特征信息還需要對珊瑚進行全方位的測量; 由于珊瑚間距, 分枝形狀, 顏色等差異導致珊瑚各向反射率差異。 采用珊瑚高光譜雙向反射分布函數(shù)信息, 可以提取出珊瑚冠層結構特征[7]。

目前主要制約水下珊瑚遙感監(jiān)測的困境在于現(xiàn)有珊瑚的反演精度不足以實現(xiàn)珊瑚的精細化監(jiān)測, 針對光譜特征相似的底質難以區(qū)分。 珊瑚的現(xiàn)場定標需要準確的方向性珊瑚反射率光譜信息, 需要對珊瑚進行現(xiàn)場多角度的反射率測量, 并且多角度的珊瑚反射率測量精度會影響珊瑚定標的精度[8]。 由于受到觀測技術的限制, 同時海底觀測相對于陸地植被人工操作儀器的巨大困難性, 導致了海底BRDF的研究相對于海洋水體光學的研究嚴重滯后, 影響了淺水區(qū)域海底地形、 水深、 底棲生態(tài)狀況的監(jiān)測; 而對于淺水水質的反演, 因底質BRDF信息不明確與水體信息混雜, 也在一定程度上影響了水質信息的遙感提取。

目前國內對珊瑚進行雙向反射率測量相關的研究報道較少, 本工作設計了一套用于水下珊瑚或其他底質目標物的雙向反射率測量系統(tǒng)。 測量系統(tǒng)主要包括光學傳感器及相應的機械構件, 光學傳感器為雙路配置, 可以進行同步測量減少在測量過程中水下光場的迅速變化引起的測量誤差, 同時利用經定標過的白板放置在目標物側邊, 在同光程差和光場條件下進行同步測量, 得到準確的水下目標物下行輻照度。 本系統(tǒng)是目前國內首次進行珊瑚雙向反射率測量的測量系統(tǒng), 可為淺海珊瑚底質的雙向反射率研究提供現(xiàn)場數(shù)據(jù), 同時為遙感反演珊瑚信息提供基礎的數(shù)據(jù)服務, 為海洋遙感對珊瑚結構層次信息的研究提供重要的技術手段。

1 珊瑚雙向反射率測量系統(tǒng)的設計

1.1 設計原理

以往學者在進行珊瑚反射率光譜測量中大部分使用單探頭的測量方式, 然而單探頭測量的前提是在天空光場基本保持穩(wěn)定的條件下進行, 事實上進行水下上行和下行輻照度的測量時, 波浪變化引起耀斑的改變, 導致水下光環(huán)境的瞬間變化, 使得原位數(shù)據(jù)獲取存在著很大的不確定因素。 為了避免在進行海底目標測量時, 未知水體的吸收衰減、 水下光環(huán)境變化、 太陽光在水體內的水柱校正等因素所帶來的誤差, 系統(tǒng)采用雙通道同步測量的方法, 即在海底目標物附近放置在實驗室已經標定的參考反射板, 參考反射板放置位置貼近目標物, 且與目標物在同一高度平面內。 在進行珊瑚目標物測量時, 兩輻射探頭并行, 分別對珊瑚和反射板進行同步光譜測量, 示意圖如圖1。

圖1 水下珊瑚雙向反射測量系統(tǒng)示意圖

淺海光學底部目標物在單位方位角上的輻亮度值是由BRDF決定的, 因此可通過目標的BRDF信息進而得到目標的反射光譜特征。 由于目標的BRDF特征難以直接測量, 從而使用容易測量得到的反射比因子(bidirectional reflectance factors, BRF)進行描述。 BRF可表示為目標特定方向上行輻射通量與理想朗伯體在該方向上的輻射通量的比值。 在水下條件, 具有漫反射特性的參考板與目標物處于同一水平面內的相鄰位置, 可認為待測物與參考板所接收到的下行輻射是一致的, 且光譜探頭的瞬時視場角足夠小, 由此可認為測量得到的反射比是具有方向性的, 即方向反射比因子等價于特定方向上的目標反射率。 反射率計算公式為:

(1)

式(1)中:θ為測量天頂角;φ為測量方位角:Lu(t)(λ,θ,φ)為在特定天頂角所測量到的珊瑚目標物反射的上行輻亮度;Lu(r)(λ,θ,φ)為與珊瑚目標物并行測量到的參考反射板的上行輻亮度;ρ(θ,φ)是通過實驗室測得的參考板反射率因子;R(λ,θ,φ)為在珊瑚目標物在該方位角, 天頂角計算得到的反射率。

1.2 系統(tǒng)結構

海底目標雙向反射率測量系統(tǒng)的核心構件為光譜輻射探頭, 為了減小水下測量時探頭自陰影對測量的影響, 在探頭設計上, 對光譜輻射探頭進行了小型化設計, 使其更適于實際現(xiàn)場作業(yè)。 測量系統(tǒng)主體可分為三個功能模塊: 電路控制模塊, 電信號處理模塊和功能性傳感器集成模塊。 電路控制模塊主要實現(xiàn)光譜的采集、 光譜采樣積分時間的調控和外部清潔刷子的開、 關; 電信號處理模塊則是將采集到的光信號通過光柵細化分光后, 進行信號放大及信號轉化, 將數(shù)據(jù)以可視化的形式輸出; 功能性傳感器集成模塊主要與上位機進行通訊, 電源供給等, 同時還搭載有角度傳感器進行探頭天頂角、 方位角數(shù)據(jù)的測量, 此部分數(shù)據(jù)是為了探頭在進行雙向反射測量時提供角度數(shù)據(jù)支持。 功能性模塊上還搭載有壓力傳感器, 用以校準水深數(shù)據(jù)。

海底目標雙向反射測量系統(tǒng)的核心構件為光譜輻射探頭, 為減小測量時探頭陰影對測量的影響, 對光譜探頭進行小型化設計, 圖2為雙向反射測量系統(tǒng)原理。 通過上位機連接控制多功能模塊進行壓力數(shù)據(jù)、 角度數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)的采集, 壓力數(shù)據(jù)經功能模塊模電轉換后與角度數(shù)據(jù)一同被上位機直接存儲。 兩輻射探頭分別對應目標物及參考反射板, 后向反射光譜經光譜轉換模塊后同步傳輸至功能性模塊中進行數(shù)據(jù)讀取并可視化。

圖2 雙向反射測量系統(tǒng)設計原理圖

1.2.1 微型光譜輻射探頭的設計

光學路徑的衰減和儀器的陰影, 是影響水下雙向反射測量結果的最主要因素, 采用雙光路結合參考板的方式消除了水體光學路徑衰減帶來的影響。 而對于儀器陰影的干擾, 則嘗試對儀器進行小型化設計。

微型化光譜輻射探頭的主體結構如圖3(a)所示: 清潔刷子, 窗口玻璃, 聚焦透鏡, 光纖, 起到防水作用的O型圈, 微型馬達及能對電路板進行固定的穩(wěn)定架。 經過珊瑚反射回的光輻射通過窗口玻璃和衰減片后, 被聚焦透鏡以一定的角度聚焦在光纖傳感器上, 內置電路板將光輻射信號轉化為電子信號并進行可視化輸出。 為了避免在進行珊瑚目標物的反射光譜測量時, 由于視場角過大而導致珊瑚周邊底質的反射一同進入到探頭, 在設置光譜輻射探頭時, 盡可能把視場角縮小。 圖3(b)為探頭入射窗口的實物照片, 本系統(tǒng)中所用的光纖入光孔徑為0.3 mm, 平凸鏡焦距15 mm, 所具有的視場角1.8°, 能夠確保在探頭對準珊瑚目標物時, 只有珊瑚這單一屬性的光譜輻射。 探頭的光譜分辨率為2～3 nm, 具有很好的光譜分辨效果, 對光譜相應的動態(tài)范圍大, 在可見光波段范圍內具有很好的測量精度, 完全滿足對海底珊瑚反射率的測量需求, 探頭最終加工完成后的實物照片, 見圖3(c)。

圖3 (a)光譜輻射探頭結構圖; (b), (c)光譜輻射探頭實物圖

1.2.2 水下雙向反射支架的設計

目標物的雙向反射測量支架為直徑一米的半圓弧形, 在圓弧上以90°為起始點向兩側等間距鉆孔, 間距間隔為20°, 兩側最低角度分別為30°和150°。 配備有凹形連接桿, 通過固定螺絲可將兩輻射探頭固定在圓弧的任意角度上。 測量時, 需要將圓弧架子放置在目標物的正上方, 考慮到海底地形起伏, 特意配置了不同高度的安裝架使測量架平臺在測量時能維持穩(wěn)定且保持水平。 架子采用雙軌道模式, 固定兩圓弧間距為30 cm, 通過底部焊接使兩軌道能穩(wěn)定垂直于地面。

在野外現(xiàn)場測試中, 方位角定義為: 自地理坐標的正北作為0°起始, 順時針方向到測量方向線上的水平夾角為測量方位角。 天頂角定義為: 儀器光學探頭與地面法線間的夾角。 對沙子的方位角選取為0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°, 以45°遞進的方式進行, 而方位角90°和270°, 由于與太陽光入射方向相同而忽略。 天頂角設定為0°、 20°、 40°和60°。 水下實際操作中會因潮汐力, 浮力等諸多條件限制難以對水下底質進行小或較大角度的天頂角測量, 因此在部分水下底質在測量過程中, 放棄部分測量天頂角, 如: 珊瑚目標的實際測量天頂角只設定了0°和20°, 方位角的測量與沙質一致。

2 數(shù)據(jù)測量與分析

目前我國珊瑚集群主要集中在南中國海域的大量島礁附近, 部分零散分布在沿岸地區(qū), 其中廣東大亞灣區(qū)域就存在部分零散的珊瑚分布。 大亞灣位于廣東珠江口左側, 界于113°29′42″—11 4°49′42″E, 23°31′12″—24°50′00″N之間, 平均水深11 m, 最大深度為21 m, 是南海北部一個較大的半封閉性海灣, 灣內有大小島嶼50多個。 珊瑚BRDF測量現(xiàn)場實驗于2021年12月29日—30日, 在中國科學院大亞灣海洋生物綜合實驗站附近海域, 且有零散珊瑚生長的地方進行, 實驗站點分布見圖4。 由于系統(tǒng)中無主動光源, 采用的是自然狀態(tài)下的太陽光下行輻射, 因此在測量時間上選擇太陽光強最強、 目標物反射最強的時段: 正午時分11:00—14:00, 盡量選擇天氣晴朗, 周邊無云的天氣狀況, 避免在測量過程中由于云層對太陽光的遮擋而導致下行輻射改變。

圖4 試驗站點圖

光學淺?；|較為常見的主要有: 沙質、 碎石、 珊瑚礁、 海草、 淤泥等, 雙向反射測量系統(tǒng)是對目標各向反射率測量, 從而探究具有結構層次的目標物與非結構目標物的在不同方向上反射率特性。 無論是沙灘上的沙子或是海底底質中的沙子都是平鋪在底層, 層層堆疊, 并非如海草、 珊瑚這般具有縱向或橫向的結構特征, 對于采用BRDF測量系統(tǒng)研究非結構體目標的反射率特征具有很大的幫助。 目標物的選取主要選擇兩種具有代表性的基質: 不具有結構特征的沙質與具有結構層次特征的珊瑚。 雙向反射測量系統(tǒng)的野外現(xiàn)場測試如圖5(a, b)所示。

圖5 測試現(xiàn)場照片: 岸邊沙質的雙向反射測量(a)與水下珊瑚的雙向反射測量(b)

2.1 沙子雙向反射測量分析

雙向反射測量系統(tǒng)對沿岸均勻細沙進行雙向測量后所得的反射率與國內外相關學者對沙質的反射率測量結果對比圖如圖6所示。

圖6 不同學者測得的岸上細沙反射率光譜對比圖

可觀察到本研究雙向反射測量系統(tǒng)在方位角0°和180°, 所測得的細沙反射率與Eugenio采用WorldView-2得到的加那利群島上的底質沙反射率[9]與曾凱于2020年在三亞所測得的沙質反射結果相似[6], 且與Guillaume于2020年使用高光儀獲取Porquerolles島沙灘上的細沙反射率光譜在趨勢上一致[10], 雖然反射率值大小有所差異, 但是光譜信息中所包含的目標光譜特征一致。 這驗證了雙向反射系統(tǒng)所測得的岸上細沙的反射率光譜數(shù)據(jù)的可靠性。

實驗結果顯示干沙子的光譜反射率在10%～35%之間, 于600 nm波段上升區(qū)域趨于平緩, 并在675 nm附近存在一個小的波谷, 光譜曲線沒有明顯的波峰、 波谷, 并呈顯直線上升趨勢。

實驗結果顯示, 岸上細沙的反射率值在10%～35%之間, 光譜曲線沒有明顯的波峰、 波谷, 隨著波長的增大反射率值也逐步增大, 在500～650 nm之間時增幅加快, 于650 nm波段后趨勢減緩。

雙向反射測量系統(tǒng)對水下底質細沙進行測量后所得的反射率與國內外相關學者對淺海沙質的反射率測量結果對比圖如圖7所示。 數(shù)據(jù)源有Reichstetter在利用MODIS和SesWiFS的遙感反射率進行底海底底質反射率反演時的淺海沙質的反射率光譜數(shù)據(jù)[5]、 Bajjouk關于留尼旺島海洋保護區(qū)進行的遙感反演所進行的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)中包含兩種不同狀態(tài)的沙子的反射率光譜[11]和Zeng等利用自主研發(fā)的海底高光譜反射率測量儀進行野外現(xiàn)場測試時所測得的水下沙子反射率數(shù)據(jù)[8]。 不同研究者所測量的沙質反射率在數(shù)值上存在很大的不一致性, 這是由于不同學者的測量條件、 環(huán)境因素等不同因素導致的, 雖在反射率值大小有所差異, 但是光譜信息中所包含的目標光譜特征基本一致, 均表現(xiàn)為: 在575 nm前光譜曲線持續(xù)上升, 在575～640 nm波段范圍光譜趨于平緩且存在小反射峰, 在675 nm都存在較強的吸收峰。 圖7表明, 即使對于同種底質類型, 不同研究學者根據(jù)不同的儀器、 不同測量方式, 反射率光譜曲線都存在細微的差異, 同時驗證了有研究學者提及的“同物異譜”或“同譜異物”的現(xiàn)象。

圖7 不同學者測得的水下沙質反射率光譜對比圖

通過對岸上細沙進行BRDF測量, 圖8數(shù)據(jù)表明: (1)無論是在20°、 40°或是在60°天頂角下對細沙進行測量, 在方位角為135°時所測量的細沙反射率都是最大的, 最小反射率是在方位角為225°時測得。 這是由于在方位135°時, 太陽光經沙質反射后, 存在較強的逆向反射, 方位角135°與太陽入射角差值較小, 相對方位角225°而言具有更強的“熱點效應”。 此外, 可以觀測到在相同方位角上所測得的反射率整體差異不大, 不存在明顯的分層現(xiàn)象。 如, 在天頂角為20°時, 在400～700 nm波段, 方位角180°、 0°和135°的反射率最大值與反射率最小值在方位角225°時測得, 并且反射率最大值和最小值在600～700 nm波段可進行區(qū)分; (2)對比不同方位角的測量數(shù)據(jù), 在上述6個測量方位角上, 測得的反射率值近似, 未表現(xiàn)出明顯差別。 通過分別計算上述3個天頂角下各方位角測量得到反射率的相對偏差, 結果為: 在天頂角為20°時, 方位角上的反射率標準偏差的最大值為1.2%; 在天頂角為40°時相對偏差的最大值為1.4%; 天頂角為60°時相對偏差的最大值為0.8%。 表明上述的反射率偏差均很小, 表明在天頂角不變的情況下, 不同方位角上所測得的岸上沙質的反射率相同。

圖8 在天頂角(θ=20°、 40°、 60°)不變的情況下, 岸上沙質反射率在不同方位角φ位置的光譜響應

岸上沙質在不同方位角、 不同天頂角的雙向反射率測量結果如圖9所示, 數(shù)據(jù)同樣表明: 所有方位角上(φ=0°, 45°, 135°, 180°, 225°和315°)所測得的反射率中, 天頂角為20°的反射率值均為最大, 最小值為在天頂角60°時所測得。 分析認為由于現(xiàn)場野外測量時間為正午十分, 太陽高度角較大, 分析認為在垂直方向上會具有較強的逆向反射, 因此在天頂級角較小時, 會呈現(xiàn)出較強的細沙反射率特性。 通過計算各個方位角下不同天頂角的反射率標準偏差, 可知: 同方位角不同天頂角下所測得的反射率值的標準偏差最大不超過1.7%, 因此可認為此次所測量的岸上細沙底質是具有各向同性特征, 可將均勻細沙認為是較為理想的平面朗伯體。

圖9 在方位角φ不變的情況下, 岸上沙質反射率在不同天頂角(θ=20°、 40°和60°)位置的光譜響應

在進行水下沙質底質的反射率測量時, 輻射傳感器的測量角度應與岸上沙質的反射率測量角度一致, 但是由于水下測量條件限制, 水下測量時潮汐回流對測量系統(tǒng)的固定影響較大, 存在測量過程中測量平臺的移動。 水下沙質的測試持續(xù)測量兩天均難以解決沿岸的潮汐對測量的影響, 因此在后續(xù)的測試過程中對水下沙質的測量角度進行了天頂角的調整, 測量的天頂角調整為20°, 測量方位角與水上的沙質一致為0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°。

雙向反射率測量系統(tǒng)在天頂角為20°時, 在不同方位角上的測量結果如圖10所示。 由圖10看出: (1) 水下沙質, 在天頂角為20°時, 在可見光波長范圍內, 反射率最大值在方位角225°時測得, 最小值在方位角135°時測得。 分析認為測量時間為早上11點左右, 測量時, 方位角135°與太陽光入射平面的夾角為45°, 而方位角225°與太陽光入射平面的夾角為135°, 位于水下時, 底質的“熱點效應”被削弱, 鏡面反射占主導, 即方位135°時, 太陽位于輻射傳感器的后方, 而方位角為225°時, 太陽位于輻射傳感器的左前方, 因此, 在方位角225°時, 水下沙質的反射率值較大。 (2) 反射率值的相對偏差, 在400～700 nm波段, 呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。 在400 nm時, 反射率的最大值與最小值的偏差為3.8%, 但在700 nm時反射率標準差達到12%。 由于太陽光的近紅光波段(650～700 nm)在水體中存在較強的吸收, 較弱的光能量使得噪聲影響過大, 因此主要分析400～650 nm處, 水下沙質不同方位角上的反射率光譜變化趨勢。 由數(shù)據(jù)可總結出方位角的選定對反射率的測量并不存在較大影響。

圖10 在天頂角(θ=20°)不變的情況下, 水下沙質反射率在不同方位角(φ=0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°)位置的光譜響應

2.2 珊瑚雙向反射測量分析

大部分珊瑚科屬都是具有結構特征, 甚至部分珊瑚礁內存在諸如樹狀的冠層結構, 單角度的反射率測量必然不能將此類特征信息很好地表達出來, 此外珊瑚群之間分支交錯、 珊瑚間距等都會產生自陰影的影響, 因此需要對珊瑚群進行較為全面的、 多方位角度測量。

BRDF測量系統(tǒng)所測結果與相關研究學者關于珊瑚反射率光譜的對比圖如圖11所示[6, 12-14], 由于不同類別的珊瑚具有不同的反射率特征, 且不同時期由于珊瑚狀態(tài)差別, 所測得反射光譜值在大小上也會有所差異, 然而即使如此, 特定珊瑚的特定反射率光譜大體上還是趨于一致的。

圖11 不同學者測得的水下珊瑚反射率光譜對比圖

珊瑚反射率光譜顯示所選取的波段為可見光400～700 nm。 測試結果表明珊瑚在各個方向上, 總體反射率不高, 主要集中在5%～25%之間, 特別是在小于500 nm波段, 在各個方向都表現(xiàn)出較低的反射率(通常反射率在5%附近浮動), 但會隨著波長的增加而緩慢增大; 因珊瑚種類差異, 部分珊瑚的反射率光譜在520 nm附近存在一個小的反射峰。 550～650 nm附近是光譜平均反射率較高的波段, 此波段總體呈現(xiàn)出一個或兩個較強的峰, 在680～700 nm波段, 反射率光譜急速上升。 三個重要的珊瑚辨別特征是在605 nm處存在一個明顯峰, 650 nm處出現(xiàn)一個小峰, 以及在675 nm存在一個明顯的吸收峰, 此吸收峰與葉綠素特征吸收峰波段相似, 且海底珊瑚表層覆蓋著珊瑚共生藻, 因此合理推測該波峰是由于共生藻中存在葉綠素而導致的[15]。 此次雙向反射測量系統(tǒng)測得大亞灣海底珊瑚的反射率光譜具有4個特征波峰和一個特征波谷, 波峰分別位于520、 575、 605和650 nm附近, 而波谷是685 nm處的葉綠素吸收峰, 其中520 nm處峰較為明顯, 而575 nm處和655 nm處, 雖存在吸收峰, 但峰特征不明顯。

海底珊瑚反射率會因測量方位, 角度的改變而改變, 分析認為一方面是由于在進行BRDF測量時, 即使是同一目標物, 在不同角度上, 也會因光照條件, 珊瑚結構層次特征, 珊瑚分支情況, 生長狀態(tài)等其他因素影響, 而表現(xiàn)出在方向角度上的反射率差異。

圖12是雙向反射測量系統(tǒng)在不同天頂角對珊瑚進行反射率光譜測量結果, 測量天頂角為0°和20°, 測量方位角與岸上細沙、 水下細沙一致為0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°。 數(shù)據(jù)顯示結果與預期一致, 即不同方位角上的反射率會存在差異。 由于水下測試條件有限, 測量平臺應用在水下測量中時, 容易受水流沖擊的影響而導致測量過程中位置偏移, 難以測量到較大的天頂角, 但單個天頂角不同方位角的珊瑚反射率數(shù)據(jù)在一定程度上同樣能反映出珊瑚底質的反射率在空間內的分布特征。

圖12 在天頂角(θ=20°)不變的情況下, 珊瑚反射率在不同方位角(φ=0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°)位置的光譜響應

在天頂角一致的情況下, 不同方位角所測得反射率光譜值如圖12所示。 在測量天頂角為20°時, 反射率最大值在方位角為0°時測得, 但與方位角45°和225°時的反射率值差異不大; 反射率最小值在方位角315°時測得, 與其他幾個方位角所得的數(shù)據(jù)差異較為明顯。 在400～700 nm波長范圍內, 不同方位角上所測得的反射率值的標準差呈現(xiàn)先增加, 后減小而后激增的趨勢, 在400～675 nm波段范圍內, 反射率的標準差逐步遞增, 標準差從1%遞增至2%, 表明該波段內珊瑚的反射率值偏差逐步增大; 反射率值的標準差在675～700 nm時呈現(xiàn)一個陡增的狀態(tài), 在675～700 nm波段標準偏差會從1%增至5%。

3 結 論

使用微型化設計的光譜傳感器探頭, 搭建了光學淺海珊瑚雙向反射測量系統(tǒng), 采用雙通道測量法實現(xiàn)雙探頭同步測量方法, 可以有效的避免在水下進行反射率光譜測量時因水下光場的迅速變化、 水體衰減和水體擾動等諸多因素可能造成的測量誤差。 實驗數(shù)據(jù)顯示珊瑚的光譜反射率與底質細沙的光譜反射率存在明顯差異, 且測量結果與相關研究所得光譜特征一致。 測試結果表明: (1)岸上沙質的BRDF特征: 在400～700 nm內, 當天頂角固定時, 不同方位角所測得的反射率值標準偏差較小。 具體表現(xiàn)為: 當天頂角為20°時, 方位角上的反射率標準偏差的最大值為1.2%; 當天頂角為40°時, 方位角上的反射率標準偏差的最大值為1.4%; 天頂角為60°時, 標準偏差的最大值為0.8%。 另外, 在方位角不變時, 岸上沙質在不同天頂角上的反射率(6個方位角上測量所得)標準偏差均不大于1.7%。 因此, 岸上沙質的BRDF變化較小, 岸上沙質是較為理想的朗伯體; 水下沙質的BRDF光譜表明: 水下沙質的反射率存在一些差異, 但總體具有如陸地一般的各向同性特性, 不同方位角對反射率測量影響較大, 具體表現(xiàn)在400～700 nm波長范圍內, 反射率值標準偏差從3.8%遞增至12%, 因此測量方位角不是水下沙質反射率的一個重要影響參數(shù)。 (3)水下珊瑚的BRDF特征: 在400～700 nm波長范圍內, 當天頂角固定時, 不同方位角上所測得的反射率值標準偏差呈現(xiàn)先增加后減小而后激增的趨勢。 從400到605 nm, 標準偏差從1.1%升至2%, 而后從605到675 nm, 標準偏差從2%降至1.2%, 在675～700 nm, 標準偏差從1.2%增至4.9%。 現(xiàn)場測試證實了海底珊瑚雙向反射率測量系統(tǒng)的有效性, 可為珊瑚光學遙感監(jiān)測, 遙感影像提取和珊瑚礁區(qū)水深反演等多方面提供有效的、 真實的珊瑚現(xiàn)場雙向反射率數(shù)據(jù)。