一種東中國海水體漫衰減系數Kd（490）的反演方法

胡連波，張亭祿

（中國海洋大學海洋技術系，山東 青島 266110）

一種東中國海水體漫衰減系數Kd（490）的反演方法

胡連波，張亭祿

（中國海洋大學海洋技術系，山東 青島 266110）

東中國海是典型的二類水體或者渾濁水體，海色傳感器SeaWiFS和MODIS漫衰減系數Kd(490)的業務化反演算法—Mueller算法在東中國海不再適用。基于2006—2007年3個東中國海航次的現場數據和模擬數據基礎上提出了一種漫衰減系數Kd（490）的反演算法，在Mueller算法基礎上增加了620 nm的波段信息以反映東中國海渾濁水體的特性。該算法與3個航次的東中國海現場數據進行印證，反演相對誤差為12.1%，均方根誤差0.08，相關系數0.99（N=74）。結果表明該算法有效提高Mueller算法在東中國海的反演精度。

漫衰減系數；遙感反射比；東中國海；經驗算法

漫衰減系數是一個重要的海洋光學參數，對海洋上層的熱量傳輸、海洋生化過程（比如光合作用）、水下視覺、水下成像、淺海水深的反演等都有重要的意義。漫衰減系數定義為[1]：

式中：Kd(z;λ)為漫衰減系數；z為深度；Ed(z;λ)是深度 z處的向下輻照度。

對于廣袤的海洋來說，獲取漫衰減系數的唯一有效方式是通過星載海色傳感器。目前海色傳感器SeaWiFS和MODIS的Kd(490)業務化反演算法都是基于藍綠波段的比值，適合大洋水體。東中國海是典型的渾濁水體，海色傳感器Kd(490)業務化反演算法在東中國海誤差較大。本文在分析東中國海現場數據的基礎上，修正Kd(490)業務化反演算法，提高反演精度。

1 方法

漫衰減系數Kd（490）是海色數據的標準產品之一，其反演算法可分為經驗算法和半分析算法。經驗算法主要是建立Kd（490）和遙感反射比藍綠波段比值之間的關系，模型簡單易用，但缺乏明確的理論基礎。Austin and Petzold率先建立了第一臺海色傳感器CZCS的Kd(490)和藍綠波段離水輻亮度比值之間的經驗算法[2]。Morel把葉綠素濃度作為中間變量，建立了Kd(490)與藍綠波段遙感反射比比值之間的經驗算法[3]。最近，Morel根據NASA Bio-Optical Marine Algorithm Data數據集對該算法經驗參數進行了更新[4]。Mueller根據大量實測數據，對Austin and Petzold模型進行修正并作為第二代海色傳感器SeaWiFS和MODIS數據處理的業務化反演算法[5]，其算法如下：

式中：nLw為歸一化的離水輻亮度。半分析算法以輻射傳遞為理論基礎，不依賴于現場數據，反演精度較高，但反演過程繁瑣。Lee等通過輻射傳遞方程和Hydrolight數值模擬建立了Kd(490)和水體吸收系數、后向散射系數以及太陽天頂角之間的理論模型[6]，模型如下：

式中：θ0為太陽天頂角；a(490)為水體在490 nm的吸收系數；bb(490)為水體在490 nm的后向散射系數。a(490)和bb(490)可通過QAA算法解析獲得[7]。

王曉梅等根據黃海、東海的現場實驗統計得出了黃、東海的Kd(490)和遙感反射比之間的經驗模式，但沒有給出模式的經驗系數[8]。唐軍武等利用2003年春季黃、東海實驗建立了由遙感反射比反演三要素濃度的神經網絡模型,結果表明僅需555 nm、670 nm波段的遙感反射比就足以反映出近岸水體的總懸浮物信息[9]。由于670 nm的遙感反射比信號中包含了部分葉綠素熒光的影響，ENVISAT衛星上的MERIS傳感器增設了一個620 nm波段專門用作懸浮物的監測。本文基于2006—2007年3個東中國海航次的現場數據提出了一種Kd（490）的反演算法。該算法在Mueller反演算法基礎上增加了620 nm波段以反映東中國海渾濁水體的特性。

2 數據

采用的數據來自在東中國海的3個航次測量數據（圖1所示），分別為2006年4月17—29日在黃海進行的“上層海洋－低層大氣生物地球化學與物理過程耦合”春季航次（三角符號）；2006年12月31日—2007年1月17日在北黃海進行的“我國近海的綜合調查與評價專項”冬季航次（圓點符號）；2007年1月21日—2月14日黃東海進行的“中國東部陸架邊緣海海洋物理環境演變及其環境效應”冬季航次（方塊符號）；共有74個匹配站位。

圖1 三個航次站位圖

2.1 漫衰減系數Kd（490）

漫衰減系數Kd（490）通過水下高光譜輻射計測量的剖面向下輻照度計算得到。實際測量中由于表面波的聚焦，船體陰影以及由于海水的波動引起測量深度帶來的不確定性，不能根據公式（1）簡單地從已知的兩個深度的輻照度計算Kd。為了減少這些不利影響，本文采用上層水體Ed（z）的對數和深度z之間最小二乘法擬和，擬和曲線的斜率得到。

2.2 海面遙感反射比Rrs(λ)

海面遙感反射比數據由海面高光譜輻射計Hyper-TSRB測量獲得。姚晴晴等討論了3種由Hyper-TSRB數據估算海面遙感反射比的方法，其關鍵是獲取如何計算漫衰減系數[10]。本文將采用水下高光譜輻射計實測的漫衰減系數，然后根據Lambert-Beer定律計算海表面的遙感反射比。

圖2 Kd（490）和Rrs(490)/Rrs(555)比值的相關性

圖3 Kd(490)和Rrs(620)的相關性

2.3 現場數據分析

圖2給出了Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(555)比值的相關性。可以看出，在清潔水體（Kd(490)小于 0.3 m-1）Rrs(490)/Rrs(555)比值隨Kd(490)的增加冪指數下降；而在渾濁水體（Kd(490)大于0.3 m-1）Rrs(490)/Rrs(555)比值隨 Kd(490)的增加趨于常數，從而可以解釋Mueller算法在東中國海失效的原因。圖3可以看出Kd(490)隨Rrs(620)的增加而線性增大。

3 數值模擬

由于可匹配的現場測量數據較少，且現場測量數據不可避免地存在由于儀器、測量方法產生誤差。本文根據3個航次現場測量的海洋光學數據特性，利用半分析算法[11]模擬產生東中國海海洋光學數據集。利用半分析算法的原因如下：（1）準確度高，與Hydrolight的模擬結果誤差約1%[11]；（2）計算速度快；（3）已被海洋學家廣泛應用。如何恰當選擇和確定海水中各組分的光學特性、濃度范圍和它們之間的相互關系以盡可能地反映東中國海的光學特性是進行數值模擬的關鍵。本文在對東中國現場數據分析和統計基礎上，模擬產生東中國海海洋光學數據集。數值模擬的輸入參數見表1。

表1 模擬輸入參數

模擬數據集分為7個獨立的葉綠素濃度，每個葉綠素濃度有200組隨機的CDOM和碎屑濃度，總共1 400組模擬數據。數據集共分為兩組，其中700組模擬數據用來發展算法，其余數據進行印證。圖4、圖5分別給出模擬數據的Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(555)比值和Rrs(620)的相關性。可以看出模擬數據與東中國海實測數據具有類似的光學特性，說明模擬數據能夠反映東中國海的水體光學特性，可以用來進行反演算法研究。

圖4 模擬數據的Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(550)的相關性

圖5 模擬數據的Kd(490)和Rrs(620)相關性

4 Kd(490)反演算法建立和印證

綜合現場數據和模擬數據集可以看出，Mueller反演算法在東中國海失效，而620 nm波段可以很好地反映東中國海富含懸浮物的特性。因此在Mueller的算法基礎上提出如下的Kd(490)反演算法：

式中：m0～m4是常數。在清潔水體Rrs（620）基本為零，公式（6）就轉換為Mueller算法。利用700組訓練數據集對公式（6）進行最小二乘法擬合，得到常數m0～m4,分別為0.02,0.141,-1.54,20.4,817.2。圖6給出700組印證數據集對公式（6）反演的Kd(490)的比較。可以看出，兩者吻合很好，相對誤差3.6%，均方根誤差為0.027 8（對數形式）。此外，用3個航次的東中國海現場數據對本文提出的Kd(490)反演算法進行印證。圖7給出了Mueller算法，Lee半分析算法和本文提出的反演算法的印證，相對誤差分別為：51.1%，13.6%，12.1%，均方根誤差分別為 0.38，0.08，0.06，相關系數分別為0.72，0.99，0.99。可以看出，Mueller算法在 Kd(490)＜0.3 時誤差較小，但當Kd(490)＞0.3時Mueller算法嚴重低估。新算法與Lee半分析算法反演精度相當。

圖6 模擬數據集對新方法的印證

5 結果和討論

東中國海特別是沿岸水體是典型的渾濁水體或二類水體，海色傳感器SeaWiFS和MODIS的Kd（490）業務化算法—Mueller算法反演的漫衰減系數Kd（490）會明顯低估，不適合在東中國應用。在對2006—2007年三個東中國海航次的現場數據分析基礎上，對Mueller反演算法進行修正，增加1個紅光波段620 nm的信息以反映總懸浮物對漫衰減系數的影響。與現場數據的印證表明，新算法的相對誤差為12.1%，均方根誤差為0.06，相關系數為0.99，極大提高了Mueller算法在東中國海特別是在渾濁水體Kd（490）的反演精度。

[1]Curtis D Mobely.Light and Water,Radiative Transfer in Natural Waters[M].New York∶Elsevier,1994∶70-71.

[2]Austin R W,T J Petzold.The determination of the diffuse attenuation coefficient of sea water using the coastal zone color scanner,in Oceanography From Space[M].New York∶Plenum,1981∶239-256.

[3]Morel A.Optical modeling of the upper ocean in relation to its biogenous matter content[J].Journal of Geophysical Research,1988,93(10)∶749-768.

[4]Morel A,S Maritorena.Bio-optical properties of oceanic waters∶A reappraisal[J].Journal of Geophysical Research,2001,106(4)∶7163-7180.

[5]Mueller J L.SeaWiFS algorithm for the diffuse attenuation coefficient,K(490),using water-leaving radiances at 490 and 555 nm[R].NASA Goddard Space Flight Center,2000∶24-27.

[6]Lee Z P,K Du,R Arnone,et al,Penetration of solar radiation in the upper ocean∶A numerical model for oceanic and coastal waters[J].Journal of Geophysical Research,2005,110(C09019).

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[8]王曉梅,等.黃海東海二類水體漫衰減系數與透明度反演模式研究[J].海洋學報,2005,27(5)：38-45.

[9]唐軍武,等.黃東海二類水體三要素濃度反演的神經網絡模型[J].高技術通訊,2004,15(3)∶83-88.

[10]姚晴晴，陳樹果，張亭祿.由Hyper-TSRB數據估算海面遙感反射比的方法比較[J].海洋技術，2012,31(2)∶54-62.

[11]Z P Lee,K L Carder,C D Mobley,et al.Hyperspectral remote sensing for shallow waters.1.A semianalytical model[J].Applied Optics,1998,37(27)∶6329-6338.

A Method to Derive the Diffuse Attenuation Coefficient Kd(490)in the East China Sea

HU Lian-bo,ZHANG Ting-lu
(Department of Ocean Technology,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266110,China)

The East China Sea(ECS)is the typical Case II waters or turbid waters,the operational diffuse attenuation coefficients Kd(490)algorithm-Mueller algorithm of ocean color sensor SeaWiFS and MODIS would fail in the ECS.A new Kd(490)inversion algorithm was developed based on the analysis of in situ data and simulation data of three cruises during 2006 to 2007.Mueller algorithm was revised by adding a 620 nm band to reflect the characteristics of turbid waters of the ECS.The new algorithm was validated using in situ data(N=74)and the relative error,root mean square error and correlation coefficient are 12.1%,0.08 and 0.99,respectively.The results show that the algorithm could largely improve the inversion accuracy of Mueller algorithm in the ECS.

diffuse attenuation coefficients;remote sensing reflectance;East China Sea;empirical algorithm

TP79

A

1003-2029（2012）04-0060-04

2012-06-18

國家自然科學青年基金資助項目（40906087）；國家自然科學基金資助項目（41276041）

胡連波(1980-)，工程師，碩士,主要從事海洋光學與海色遙感方向研究。Email:lianbo.hu@gmail.com

book=63,ebook=143