水面之上法測量水體光譜的關鍵技術

汪小勇，唐軍武，李銅基，周虹麗

（國家海洋技術中心，天津 300112）

水面之上法測量水體光譜的關鍵技術

汪小勇，唐軍武，李銅基，周虹麗

（國家海洋技術中心，天津 300112）

對水體光譜特征的研究是海洋水色遙感的基礎工作之一。水體的光譜特征包括：表觀光學特性和固有光學特性。在水體的表觀光學特性研究方面，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，淺水區域較多，研究這類水體的表觀光學特性應以水面之上法為主、剖面法為輔。介紹了水面之上法水體光譜的測量技術，就其中關鍵技術問題進行了討論。

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類水體是指其光學性質主要由浮游植物及其降解物質色素所決定的海水，而II類水體是指光學性質由包括非葉綠素降解物質所決定的水體，這些物質主要是有色可溶性有機物（CDOM）、懸浮物、碎屑及細菌等。由于影響不同類水體光學特性的因素不同，所用的研究方法也就不同。在研究I類海水的表觀光學特性時，以剖面法為主；而在研究II類海水的表觀光學特性時，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特性，外推得到水表面的光學信號，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類水體中應用十分廣泛，在混濁淺水區則無用武之地。所謂水面之上法，是在水面上方采取適當的觀測幾何，通過觀測海面、對應方向上天空光和海面入射輻照度（或水平放置的標準板）等目標，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

根據最新美國SeaWiFS海洋光學規范[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，同時減少測量點周圍建筑物陰影的影響。

圖1 現場測量的幾何關系

1.2 離水輻亮度的測量

光譜儀接收到的信號為：

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

1.3 海面入射輻照度（Es）的獲取

Es參數可通過直接測量獲得，這樣的探頭大多有一個余弦采集器或者積分球，測量時必須安裝在其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垂直，并且在測量時要與測量海面部分同步進行。

另外，該參數也可以通過測量標準板的輻射亮度來間接求得[5-9]：

式中：Lp為測得的標準白板的輻射亮度；Rp為標準白板的反射率。

這種方法有優越性，也有局限性。

1.3.1 優越性

采用這種方法測量時，只用一個輻亮度探頭，只要測量儀器穩定性好、線性度好，則不需要嚴格的實驗室絕對輻射定標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、天空和標準板時的讀數；ρ和Rp分別為氣水界面反射率和標準板的反射率。

如果采用直接測量的方法來獲取Es，則需要單獨的一個探頭來測量天空輻照度，因此會引入一定的誤差，而且必須對儀器進行實驗室絕對輻射定標。另外，如果需要導出歸一化離水輻亮度、離水輻亮度等參數，同樣需要對儀器進行實驗室絕對輻射定標。

1.3.2 局限性

（1）標準板必須進行嚴格的定標，包括雙向反射率定標，否則在晴天測量時不同的太陽天頂角會引起測量結果較大的誤差；

（2）現場測量時，標準板的周圍及上層建筑的遮擋和反射影響難以消除；

（3）相對于直接測量Es的方法，測量標準板的輻射亮度，增加了測量步驟，相應也就加長了現場試驗所用的時間；

（4）測量時，要保證標準板的嚴格水平和標準板不受污染，這在野外試驗特別是在船上作業時難度較大；

（5）相對于直接測量Es的方法，測量標準板時不能和水面及天空的數據同步采集，因此不能實時觀測太陽的變化，因此，也就引入了一定的誤差。

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

圖2 海面入射輻照度Es測量值與計算值對比

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，相當于把所有的測量條件都歸于同一種情況：太陽在測量點法線方向上，真空中測量，使所有測量具有可比性。根據NASA SeaWiFS海洋光學規范，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）式計算或直接測量得到。遙感反射比定義為：

2 水面之上法的關鍵問題

2.1 儀器的定標

2.1.1 實驗室絕對輻射定標

遙感器定標是遙感信息定量化的前提，遙感數據的可靠性及應用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標精度。對現場測量的儀器，所指的定標是實驗室絕對輻射定標，一般要求每半年標定一次，或長期大型試驗前后各標定一次，根據NASA SeaWiFS海洋光學規范要求，實驗室絕對輻照度定標的不確定度＜2%，輻亮度定標的不確定度＜3%。

實驗室絕對輻射定標是建立探測器輸出信號的數值量化值與該探測器對應目標的實際輻射值之間的定量關系的一個過程，包括輻照度定標和輻亮度定標。

輻照度定標需要：標準燈、光欄、穩壓電源、數字電壓表、千分尺等輔助設備；

輻亮度定標需要：標準燈、光欄、穩壓電源、數字電壓表、標準反射板、千分尺等輔助設備。

實驗室定標流程：調整光路—測量距離—給標準燈緩慢加電—定標測量—計算定標系數。定標示意圖如圖3所示。

另外，實驗室絕對輻射定標對實驗室要求很高，包括對外界光的屏蔽、對溫度濕度的要求、對實驗室清潔度的要求等[10]。

圖3 實驗室絕對輻射定標示意圖

2.1.2 波長定標

波長定標的目的是校正儀器響應波長的漂移，一般要求每半年標定一次。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準燈。用標準燈的特征波長來校正儀器的響應波長即可。

圖4是FieldSpec波長定標的數據，圖中光譜曲線的峰值為儀器響應波長，表1中列出了標準燈的特征波長及儀器的響應波長，從結果來看，儀器的波長漂移很小，性能良好。

圖4 波長定標數據

表1 波長定標結果/nm

2.1.3 試驗期間的儀器質量跟蹤

質量跟蹤的含義是用穩定的光源來檢測儀器定標方程的變化。由于野外試驗的環境復雜，如果試驗期間儀器性能變化太大，在此期間獲得的數據就沒有可比性。因此，經實驗室絕對輻射定標后的儀器在長期的野外試驗期間，必須進行質量跟蹤，確保獲得高質量的數據。

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，二級海況以下，觀測幾何為（40°，135°）時，ρ可選取0.021，但實際現場試驗中天氣情況要復雜得多，因此ρ的選取十分復雜也很重要。

因為近紅外波段的強烈吸收，在近紅外波段，一般離水輻亮度就已經為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 的假設是可以成立的[11]，而在II類水體則比較復雜，要根據水體的本身情況來確定，可選擇Lw(1012)=0[12]。當離水輻亮度Lw為0時，由式（2）可以得到氣水界面反射率。

根據Mobley[13-14]研究表明，ρ與風速、觀測角度以及太陽天頂角有關。并給出了在40°觀測角時風速和太陽天頂角對應氣水界面反射率的關系（圖5）。一般在全云覆蓋、低風速、觀測角為40°時，ρ可定為0.028，這比我們的經驗值稍大。

圖5 氣水界面反射率與風速、天頂角之間的關系（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現對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特定儀器開發的，算法中有些參數普通儀器無法測得。因此我們采用選擇適當的觀測幾何，最大程度地避免太陽耀斑等光污染的影響。所以現場的觀測幾何是相當重要的。根據Hooker等人[15-16]多次比對試驗表明，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海洋光學觀測規范也建議在（40°,135°）的觀測幾何下測量海面和天空光輻亮度。

即使采取了適當的觀測幾何，還是不能完全避免太陽耀斑燈光污染的影響（圖6），必須在后期的數據處理中予以剔除。由于太陽耀斑的信號比較強，一般比其他方面的貢獻要大，因此，數據處理中要剔除較大的數據。

圖6 一個波浪周期內海面光譜數據

2.4 雙向反射率的校正

在晴天而且用測量標準板方法來獲得Es的情況下，必須對所得數據進行雙向反射率校正。表2是一個反射率為35%的標準板在不同觀測角度時測定的反射率隨波長變化的數據，從中可以看出，在觀測角為10°和70°時反射率之間的誤差最大能達到14.6%，因此在晴天情況下測得的數據，后期處理時必須予以校正；但是，在陰天情況下測得的數據，由于各方向光照均勻，則不能進行雙向反射率的校正。

雙向反射率校正的過程比較復雜，涉及到測量太陽直射輻照度，這在船上現場操作比較困難，精度也不夠，現提供一種粗校正的方法。需要的參數有：測量點的經緯度和觀測時間，計算當時當地的太陽天頂角，在雙向反射率表中，找出對應角度的反射率計算。

表2 不同觀測角度對應反射率及相互間誤差

2.5 儀器的積分時間或增益的調整

在0～1級海況，晴天無云的天氣情況下，采用不同的積分時間（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，積分時間越長，對應的遙感反射比越大，主要原因是長積分時間無法避免隨機性的太陽耀斑等光污染。但若積分時間太短，會導致儀器信噪比下降。綜合考慮，儀器的積分時間可確定為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，為減小儀器更換積分時間(切換增益)帶來的系統誤差，還要盡量使儀器測量標準板與測量海面目標用同一積分時間(增益)，由于海面的信號比較弱，建議使用反射率為20%～30%的標準板。

圖7 晴天時同一測量點不同積分時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誤差、測量用標準反射率白板的標定誤差、測量方法不當引入的誤差以及光照條件變化引起的誤差。其中，儀器定標誤差約5%；標準板標定（BRF）誤差約3%；數據處理誤差約7%，總誤差約為9.2%。以上誤差是在儀器和標準板經嚴格實驗室定標、現場測量時嚴格遵循現場測量幾何關系下，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）儀器定標誤差約為5%，其中包含標準傳遞引起的誤差，約1%，這是不能避免的，另外使用標準板引入的誤差，約3%，其他誤差來自各探頭離點光源距離不等，以及距離測量等方面。

（2）標準板標定誤差為約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行改進才能減小這方面誤差。

（3）數據處理誤差為約7%,包含測量數據引起的誤差，由于波浪的影響，海面觀測數據在1 s以內變化都是很大的（圖6），有效數據不到10%，減小誤差的方法是連續快速采集盡量多的數據，設置采樣間隔，以確保跨一個或多個波浪周期。另外，在確定氣水界面反射率ρ時，也會引入較大的誤差，因為ρ與風速風向、太陽位置以及觀測幾何等因素有關，比較復雜，應盡快建立有效的模型來確定此參數，以減小此方面帶來的誤差。

4 結論

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鍵問題，對其中關鍵問題如實驗室定標、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行了詳細的敘述，但有些細節尚需進一步的研究，同時對水面之上法的各種誤差來源進行了分析。只有把握住每一個環節中的關鍵問題，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揮更大的作用。

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

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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查與評價專項資助項目——ST11區塊海洋光學調查與研究（908-01-ST11）;我國近海海洋綜合調查與評價專項資助項目——我國近海海洋光學與遙感調查研究（908-ZC-I-04）

汪小勇（1978-），男，高級工程師，研究方向為海洋光學遙感。Email：wangs78@163.com