牟平觀測(cè)平臺(tái)水體表觀光學(xué)特性測(cè)量功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李銅基，馬超飛，朱建華，劉 廷，楊安安

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

海洋水色遙感是全球和區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)海洋生物地球化學(xué)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的重要數(shù)據(jù)來源，服務(wù)于海洋經(jīng)濟(jì)、海洋管理、海洋安全以及其他公益服務(wù)等眾多領(lǐng)域，是國(guó)家自然資源管理、全球海洋環(huán)境觀測(cè)的重要手段[1-2]。對(duì)星載遙感器的長(zhǎng)期輻射性能跟蹤、輻射校正及衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱定標(biāo)檢驗(yàn)）是海洋水色遙感定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[3-5]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在海洋生物地球化學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)長(zhǎng)期定標(biāo)和檢驗(yàn)的綜合計(jì)劃中指出，在總結(jié)寬視場(chǎng)水色掃描儀（the Seaviewing Wide Field-of-view Sensor，SeaWiFS）/中分辨率成像光譜儀（the Moderate resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）等前期衛(wèi)星計(jì)劃以及SIMBIOS（Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies）計(jì)劃經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立長(zhǎng)期的海洋生物地球化學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)和檢驗(yàn)?zāi)芰κ墙鉀Q實(shí)際問題的一個(gè)務(wù)實(shí)辦法[4]。自HY-1A海洋衛(wèi)星工程立項(xiàng)論證初期就把其遙感器的定標(biāo)檢驗(yàn)作為定量化應(yīng)用的關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性技術(shù)[5]，在建立和完善海洋衛(wèi)星與衛(wèi)星海洋應(yīng)用的業(yè)務(wù)化體系過程中，定標(biāo)檢驗(yàn)系統(tǒng)都是衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的核心組成部分。隨著我國(guó)海洋水色衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)星載遙感器的定標(biāo)和檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展也不斷提出更高的要求。特別是HY-1C和HY-1D組成我國(guó)首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)化衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)上、下午全球組網(wǎng)觀測(cè)，標(biāo)志著我國(guó)水色遙感進(jìn)入到全球業(yè)務(wù)化觀測(cè)的新階段。2019年12月，我國(guó)首個(gè)專門用于海洋水色系列衛(wèi)星（HY-1）真實(shí)性檢驗(yàn)的離岸觀測(cè)平臺(tái)——牟平觀測(cè)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱牟平平臺(tái)）主體設(shè)施完成舾裝，牟平平臺(tái)的上層建筑為25 m×25 m的浮式半潛平臺(tái)（圖1），其主甲板離海面高度7 m，并部署在煙臺(tái)養(yǎng)馬島以北24 km的海域，周邊海域水深約20 m。平臺(tái)上部署的觀測(cè)設(shè)備涵蓋了水體光學(xué)特性、大氣光學(xué)特性、水色主要水體成分濃度、紅外輻射溫度、水文、氣象等海洋水色衛(wèi)星檢驗(yàn)所需的參數(shù)類型，設(shè)備均具備長(zhǎng)期無人值守自動(dòng)觀測(cè)能力。平臺(tái)設(shè)有生物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室、儀器輻射性能跟蹤實(shí)驗(yàn)室、通海觀測(cè)井、監(jiān)控指揮室、集成控制室等專業(yè)觀測(cè)設(shè)施，同時(shí)具備9名試驗(yàn)人員開展7天駐留試驗(yàn)的后勤保障能力。本文重點(diǎn)論述該平臺(tái)水體表觀光學(xué)特性測(cè)量功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 牟平觀測(cè)平臺(tái)

1 平臺(tái)水體表觀光學(xué)特性測(cè)量功能設(shè)計(jì)

由于受到陸源輸入、沿岸流等影響，我國(guó)廣闊的近岸水體為光學(xué)復(fù)雜的Ⅱ類水體，牟平平臺(tái)部署的海域就是這類水體的典型代表。未來海洋水色研究的一個(gè)重大挑戰(zhàn)就是對(duì)溶解和顆粒組分占主要影響因素的沿海和邊緣海的研究能否達(dá)到大洋水體（Case-I）的研究水平[4]。由于水體光學(xué)性質(zhì)垂直結(jié)構(gòu)變化大，垂直透明度低、水深較淺，以及海面擾動(dòng)等，對(duì)其表觀光學(xué)特性（Apparent Optical Properties，AOP）的測(cè)量存在固有的不確定度。在大多數(shù)這類具有顯著垂直結(jié)構(gòu)和光學(xué)復(fù)雜度的Ⅱ類水體中，AOP的水面之上測(cè)量法（Above Water Method）可能優(yōu)于水中測(cè)量法（In Water Method），因?yàn)樗鼈兛梢灾苯訙y(cè)量海面，易于剔除海面擾動(dòng)，且無儀器陰影干擾[6]，雖然必須恰當(dāng)?shù)販p小平臺(tái)陰影和反射源的影響[7]。更為重要的是，采用水上法測(cè)量對(duì)儀器部署和維護(hù)的難度要低，部署后對(duì)周邊船舶活動(dòng)的影響小，更適用于長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)。ZIBORDI G等[8]利用多年全球氣溶膠和水色觀測(cè)網(wǎng)（AERONET-OC）測(cè)量數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品比對(duì)的研究結(jié)果表明，水面之上法的輻射測(cè)量能力已達(dá)到有效滿足產(chǎn)品檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度要求，同時(shí)也呈現(xiàn)出在世界各地光學(xué)復(fù)雜水域極好的測(cè)量能力[8]。針對(duì)我國(guó)水色遙感的現(xiàn)實(shí)需求和未來方向，牟平平臺(tái)AOP觀測(cè)設(shè)備選型突出在海岸帶水域更精確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，重點(diǎn)是長(zhǎng)期觀測(cè)問題，考慮技術(shù)要求包括：（1）采用水上法測(cè)量；（2）光譜范圍涵蓋350～900 nm；（3）自適應(yīng)調(diào)整觀測(cè)幾何，適合無人值守自動(dòng)觀測(cè)，維護(hù)便捷。

為保障牟平平臺(tái)上表觀光學(xué)參數(shù)測(cè)量的穩(wěn)健、可靠性，在平臺(tái)上設(shè)計(jì)部署了兩種表觀光學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)：（1）自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)（CAOP）；（2）水色版太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)（SeaPRISM）。

1.1 自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)

自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)（CAOP）為廣州水色海洋技術(shù)有限公司自主研發(fā)，原為船舶走航式水體表觀光譜觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載3套Trios公司的高性能高光譜輻射計(jì)（光譜范圍為320～950 nm，光譜準(zhǔn)確度為0.3 nm），可同步測(cè)量海面下行總漫射輻照度（E s）、海面輻亮度（L t）和天空光輻亮度（L i）。系統(tǒng)安裝后效果圖如圖2所示。該系統(tǒng)具有自動(dòng)觀測(cè)方位角調(diào)整部件，同步記錄觀測(cè)視野圖像部件。在較完善的軟件系統(tǒng)支撐下，可實(shí)現(xiàn)光譜采集積分時(shí)間調(diào)整、觀測(cè)幾何自動(dòng)調(diào)整、定時(shí)觀測(cè)等功能。自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)部署在牟平平臺(tái)的東角，如圖3所示，以保障能夠嚴(yán)格按觀測(cè)幾何要求（觀測(cè)天底角40°，與太陽(yáng)相對(duì)方位角135°）獲得更多的數(shù)據(jù)。CAOP系統(tǒng)具有三維自適應(yīng)平衡裝置，滿足在平臺(tái)、甚至船舶走航情況下對(duì)海觀測(cè)幾何的保持。

圖2 CAOP自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)

圖3 CAOP和SeaPRISM在平臺(tái)的部署位置

使用水面之上測(cè)量法需要妥善地規(guī)避上層建筑對(duì)觀測(cè)光場(chǎng)的影響。為此，專門設(shè)計(jì)建造了一個(gè)高5 m、長(zhǎng)7 m的安裝支臂，如圖4所示。CAOP安裝在測(cè)量支臂的頂端，使儀器距海面高度約12 m。圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別給出CAOP在夏至、秋分、冬至11時(shí)海面觀測(cè)點(diǎn)位置模擬計(jì)算結(jié)果，由此可見，在加裝觀測(cè)支臂后，CAOP在全年9—16時(shí)觀測(cè)均屬“遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)”，保障其測(cè)量AOP的準(zhǔn)確性。

圖4 CAOP安裝支臂示意及實(shí)際效果圖

圖5 CAOP在夏至、秋分、冬至11時(shí)海面觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.2 水色版太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

水色版太陽(yáng)光度計(jì)是一種改良的全自動(dòng)商業(yè)太陽(yáng)光度計(jì)。該設(shè)備由法國(guó)CIMEL公司生產(chǎn)，AERONET-OC中采用的核心設(shè)備[9-10]。該設(shè)備可在執(zhí)行太陽(yáng)光度計(jì)功能（正常的太陽(yáng)和天空測(cè)量）之后測(cè)量海面，設(shè)備采用濾光片轉(zhuǎn)盤方式依次測(cè)量得到400 nm、412.5 nm、442.5 nm、490 nm、510 nm、560nm、620nm、665nm、779nm、865nm和1 020 nm的太陽(yáng)直射輻照度（E0）、天空散射輻亮度（Lsky，平緯圈、太陽(yáng)基礎(chǔ)面、等散射角3種模式）、海面輻亮度（Lt）以及相應(yīng)的天空光輻亮度（Li）。該設(shè)備具有測(cè)量精度高、易攜帶安裝、自動(dòng)瞄準(zhǔn)、太陽(yáng)能供電、可自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)，適用于離岸觀測(cè)平臺(tái)的使用。圖6給出SeaPRISM在牟平平臺(tái)部署后的效果。按照AERONET-OC的部署建議，儀器部署安裝在平臺(tái)西角[10]，如圖6所示。

圖6 SeaPRISM水色版太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

為保障SeaPRISM按觀測(cè)幾何要求（觀測(cè)天底角40°，與太陽(yáng)相對(duì)方位角90°）獲得更多遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，減小平臺(tái)上層建筑對(duì)測(cè)量光場(chǎng)的影響，特別建造了一個(gè)5 m高的儀器專業(yè)觀測(cè)臺(tái)，如圖7所示，儀器實(shí)際對(duì)海觀測(cè)時(shí)距海面高12 m。同樣，本文也對(duì)SeaPRISM在全年對(duì)海觀測(cè)的狀態(tài)進(jìn)行了模擬，圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）分別給出SeaPRISM在夏至、秋分和冬至11時(shí)海面觀測(cè)點(diǎn)位置模擬計(jì)算結(jié)果。由此可見，在全年9—16時(shí)的大部分觀測(cè)屬“遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)”。當(dāng)太陽(yáng)直射北半球，太陽(yáng)方位角變化范圍增大，在早和晚時(shí)會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)落入“近場(chǎng)觀測(cè)”范圍內(nèi)，這以夏至日為最，10：30之前和14：30之后，對(duì)海觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)入“近場(chǎng)觀測(cè)”范圍。

圖7 SeaPRISM儀器安裝的觀測(cè)臺(tái)示意圖

圖8 SeaPRISM在夏至、秋分、冬至11時(shí)海面觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.3 水體表觀光學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行情況

在經(jīng)過多次測(cè)試與調(diào)試后，2020年4月29日，牟平平臺(tái)上2套水體表觀光學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)投入試運(yùn)行。CAOP的工作時(shí)序?yàn)槊刻?：00—18：30間隔約10 min測(cè)量一組，每組測(cè)量3次。SeaPRISM按內(nèi)設(shè)工作模式（即在滿足內(nèi)設(shè)對(duì)海觀測(cè)條件時(shí)）對(duì)海觀測(cè)。SeaPRISM并不是直接測(cè)量Es，而是通過對(duì)多角度天空輻亮度測(cè)量，經(jīng)輻射傳輸模型估算Es[10]。因此，其完成水體表觀光學(xué)特性的測(cè)量是建立在良好太陽(yáng)直射輻照度測(cè)量（氣溶膠光學(xué)厚度測(cè)量）、天空輻亮度多角度掃描測(cè)量并實(shí)現(xiàn)大氣輻射傳輸模型估算Es的基礎(chǔ)上[11-12]。

自4月29日試運(yùn)行以來，截止至9月30日，CAOP共進(jìn)行了3 062組測(cè)量（每組均需完整測(cè)量3次），在采用光譜質(zhì)量控制[13]以及3次測(cè)量一致性控制（CV＜0.05）等基本質(zhì)量控制后，可靠數(shù)據(jù)為1 933組，如圖9所示。圖9中出現(xiàn)6個(gè)時(shí)間段無測(cè)量，與偶發(fā)性通訊異常（包含L t傳感器通訊線接觸不良）、偶發(fā)性測(cè)量次數(shù)不足或單次測(cè)量數(shù)據(jù)量少等原因有關(guān)，最長(zhǎng)的一次中斷是在7月7—15日儀器因自動(dòng)觀測(cè)方位角調(diào)整部件故障維修。

圖9 2020年4月29日至9月30日CAOP測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)

嚴(yán)格按照AERONET對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的質(zhì)控后[11-12]，SeaPRISM在此期間共獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)水體表觀光學(xué)特性測(cè)量341組，在采用光譜質(zhì)量控制[13]后，可靠數(shù)據(jù)為269組，詳見圖10。由圖10可見，由于SeaPRISM采用濾光片輪依次進(jìn)行各波段太陽(yáng)直射、天空掃描和海面觀測(cè)的觀測(cè)機(jī)制，以及采用較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)控，主要是對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）的質(zhì)控，SeaPRISM對(duì)水體表觀光學(xué)特性測(cè)量?jī)H出現(xiàn)在29天內(nèi)。在6月下旬至8月上旬的雨季，對(duì)水體表觀光學(xué)特性的測(cè)量幾乎難以達(dá)到質(zhì)控要求。

圖10 2020年4月29日至9月30日SeaPRISM測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)

2 運(yùn)行與比測(cè)

2.1 比測(cè)試驗(yàn)效果

2020年6月11日，利用地物光譜儀（ASD）對(duì)平臺(tái)上部署的CAOP和SeaPRISM進(jìn)行功能性驗(yàn)證。3種儀器獨(dú)立測(cè)量，ASD為人工手動(dòng)測(cè)量，比測(cè)時(shí)間為9：20—14：40，大約20 min測(cè)量一組，共進(jìn)行了15組測(cè)量。比測(cè)期間天氣為全陰，偶有小雨，風(fēng)速均在2 m/s以下。圖11和圖12分別給出ASD和CAOP 15次同步觀測(cè)的結(jié)果和比對(duì)結(jié)果，由圖可見，CAOP測(cè)量的遙感反射比（Rrs）與ASD測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性，且CAOP自動(dòng)觀測(cè)的結(jié)果更為穩(wěn)健。ASD測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大的原因可能是因其依次觀測(cè)Es、Lt、Li的機(jī)制，以及周邊環(huán)境的干擾造成。

圖11 20200611比測(cè)試驗(yàn)ASD和CAOP測(cè)量的Rrs

圖12 20200611比測(cè)試驗(yàn)ASD和CAOP測(cè)量Rrs的比對(duì)結(jié)果

如前所述，SeaPRISM對(duì)水體表觀光學(xué)特性的測(cè)量必須在光照穩(wěn)定的晴朗天氣下進(jìn)行。在20200611比測(cè)試驗(yàn)中，為達(dá)到驗(yàn)證目的，在利用SeaPRISM測(cè)量Rrs中，采用CAOP同步測(cè)量的Es。比測(cè)試驗(yàn)中，共實(shí)現(xiàn)SeaPRISM與ASD同步觀測(cè)9次，圖13和圖14分別給出這9次觀測(cè)SeaPRISM的測(cè)量結(jié)果，以及與ASD的比對(duì)結(jié)果。由于采用濾光片輪依次觀測(cè)機(jī)制，SeaPRISM測(cè)量中各波段為獨(dú)立測(cè)量，測(cè)量周期長(zhǎng)，這可能是造成圖13中各光譜譜型差異大，甚至明顯異常（如BD06）的原因。圖14可知SeaPRISM測(cè)量的Rrs與ASD測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性，SeaPRISM測(cè)量結(jié)果總體略偏小，這可能是因?yàn)镾eaPRISM沒有720 nm波段而在處理算法中采用665 nm波段數(shù)據(jù)對(duì)殘留耀斑剔除所致[14-17]。

圖13 20200611比測(cè)試驗(yàn)期間SeaPRISM測(cè)量的Rrs

圖14 20200611比測(cè)試驗(yàn)期間SeaPRISM測(cè)量的Rrs與ASD測(cè)量結(jié)果的比對(duì)

2.2 長(zhǎng)時(shí)間序列測(cè)量水體遙感反射率的比對(duì)

針對(duì)2020年4月29日至9月30日期間牟平平臺(tái)CAOP和SeaPRISM測(cè)量的可靠數(shù)據(jù)，本文按±1 h的時(shí)間匹配規(guī)則進(jìn)行匹配，共實(shí)現(xiàn)96組匹配數(shù)據(jù)。圖15給出2020年4月29日至9月30日期間CAOP與SeaPRISM測(cè)量Rrs的比對(duì)結(jié)果，可見，2種設(shè)備對(duì)水體表觀光學(xué)特性的測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性。SeaPRISM測(cè)量結(jié)果總體略偏小，如上文所述，這可能是因?yàn)镾eaPRISM沒有720 nm波段而在處理算法中采用665 nm波段數(shù)據(jù)對(duì)殘留耀斑剔除所致[14-17]。

圖15 2020年4月29日至9月30日CAOP與SeaPRISM測(cè)量Rrs的比對(duì)結(jié)果

3 結(jié) 論

隨著我國(guó)海洋水色遙感事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)水色遙感器的定標(biāo)與檢驗(yàn)技術(shù)也得到不斷提高。在國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目資助下，我國(guó)首個(gè)專門用于水色衛(wèi)星真實(shí)性檢驗(yàn)的離岸觀測(cè)平臺(tái)——牟平觀測(cè)平臺(tái)投入試運(yùn)行。該平臺(tái)具有較為完善的水色衛(wèi)星真實(shí)性檢驗(yàn)原位測(cè)量系統(tǒng)和試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施條件。

本文重點(diǎn)介紹了平臺(tái)上水體表觀光學(xué)特性測(cè)量功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，涉及觀測(cè)模式分析、儀器選型、部署裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、基本運(yùn)行情況。針對(duì)我國(guó)水色遙感的現(xiàn)實(shí)需求和未來方向，牟平平臺(tái)AOP觀測(cè)設(shè)備選型突出在海岸帶水域更精確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，重點(diǎn)是長(zhǎng)期觀測(cè)問題，因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了涵蓋350～900 nm光譜范圍，具備自適應(yīng)調(diào)整觀測(cè)幾何水上法測(cè)量的2種表觀光學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)（CAOP和SeaPRISM）。為CAOP專門設(shè)計(jì)建造了一個(gè)高5 m，長(zhǎng)7 m的安裝支臂，從而保證其在全年9—16時(shí)觀測(cè)均屬“遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)”；為SeaPRISM特別建造了一個(gè)5 m高的儀器專業(yè)觀測(cè)臺(tái)，以保證其盡可能避免上層建筑對(duì)觀測(cè)光場(chǎng)的干擾。

文中利用20200611比測(cè)試驗(yàn)和2020年4月29日至9月30日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析，結(jié)果表明，平臺(tái)上搭建的2種水體表觀光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)能夠按照標(biāo)準(zhǔn)的觀測(cè)幾何要求，實(shí)施無人值守自動(dòng)觀測(cè)，測(cè)量獲得遙感反射率的比對(duì)呈現(xiàn)較好的一致性，驗(yàn)證了平臺(tái)在水體表觀光學(xué)特性的基本測(cè)量功能。2020年4月29日至9月30日，CAOP獲得可靠數(shù)據(jù)1 933組，SeaPRISM獲得可靠數(shù)據(jù)341組，極大豐富了對(duì)水色衛(wèi)星產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的原位數(shù)據(jù)，也突顯了長(zhǎng)期固定觀測(cè)站點(diǎn)在衛(wèi)星定標(biāo)檢驗(yàn)工作中的作用。