水体光谱测量与分析水面以上测量法解读Word格式文档下载.docx

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该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。

现场表观光谱的测量从方法上可分为两类:

剖面测量法和水表面以上测量法。

两种方法相对独立,适用范围上具有互补性。

该文主要针对水面以上测量法进行讨论。

水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下0-深度的辐照度比R等。

国际上有关水色的测量规范中,仅有针对大洋一类水体的。

中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。

同时,对数据分析处理中的一些关键参数的确定,提出新方法。

关键词:

　水色遥感;

水体光谱;

光谱测量技术中图分类号:

　TP79/P71　　　文献标识码:

　A

1　引　言

保护生态环境与可持续发展的重要方面是对水体（江河湖海）的合理保护与开发利用,因此对水体信息定量化遥感的需求日益迫切,也对水体光谱的测量提出了新的要求。

近年来,与水体光谱特性有关的课题很多,越来越多的科技人员投入到水体光谱测量与分析工作中。

但很多测量没有依据相应的规范,或缺少必要的测量项目,导致测量结果不可用或不具有可比性。

水体可见光遥感即水色遥感（OceanColorSens2ing）的基础之一是对水体光谱特征正确把握。

按照

OpticProperties,AOPs）和固有光学（InherentOpticProperties,IOPs）。

所谓表观光学量是指随入射光场变化而变化的水体光学参数,如向上辐亮度Lu、辐照度Ed、漫衰减系数K等;

固有光学量是仅与水体成分有关的光学量,如光束衰减系数c,吸收系数a、散射系数b、散射相函数P等,这些量不随入射光场的变化而变化。

本文主要讨论与水色遥感直接相关的表观光谱的测量与分析。

水色遥感是将卫星信号,经大气校正,得到刚好在水面以上的离水辐射率Lw或归一化离水辐射率LwN,再由归一化离水辐射率直接反演水体信息,或经由归一化离水辐射率和大气参数得到遥感反射率

[6]

Rrs或水面以下的辐照度比R反演得到水体信息。

水色遥感以及水体光谱特性相关研究要求表观光谱特性的测量必须能够导出以下几个基本参数:

离水辐射率Lw;

归一化离水辐射率LwN

+

LwN=LwF0/Ed（0）,

水色遥感的通行做法,将影响水体光谱的成分主要分为三种:

叶绿素、无机悬浮物（悬浮泥沙）和黄色物质。

其中大洋一类水体（Case2ⅠWaters）的主要色素贡献是叶绿素a,近岸二类水体（Case2ⅡWaters）、湖水的成分包括这三种色素,且相互独立变化[1—3]。

另外,由于水体成分垂直分布受日照、海流、温跃层等因素的影响,具有强烈的层化效应。

水体光谱特性应该包括两个方面[4,5]:

表观光

　　收稿日期:

2002206204;

修订日期:

2003201205

（1）

其中F0为平均日地距离大气层外太阳辐照度,

Ed（0）为水面入射辐照度。

归一化的目的是使得不同时间、地点、大气条件

（2001AA636010）。

基金项目:

国家863“模块化二类水体相关遥感信息提取技术”

）,男,研究员,1987年毕业于天津大学计算机系,1999年获中国科学院遥感应用研究所博士学位。

现主要从作者简介:

唐军武（1965—　

事海洋可见光遥感、水体光谱、遥感器辐射校正等方面工作。

发表论文多篇。

38　遥　　感　　学　　报第8卷

下的测量结果具有可比性,因为归一化基本消除了入射光场的影响。

遥感反射率Rrs

Rrs=Lw/Ed（0）=LwN/F0,

非常低地水体信号而采用很长的积分时间和自动积分时间调整;

又认为,因采用比值而可以不对仪器进行严格的辐射标定

。

（2）（3）

刚好处于水面以下0-深度的辐照度比R

---R（0）=Eu（0）/Ed（0）,

其中Eu为向上辐照度,Ed为向下辐照度。

这些量都不是可直接测量的量,必须结合一定的测量方法和相应的数据处理分析才能得到。

国际上有关水色遥感的测量规范[7,8],主要是针对大洋一类水体的。

而我国的近岸水体绝大部分是二类水体,因此本文将对二类水体光谱测量的有关问题进行讨论。

两种方法相对独立,使用范围具有互补性,因为这两种测量方法的误差源及信号过程不一样。

剖面法（Profilingmethod）是由水下光场测量外推得到水表信号,同时可以更好地刻画出水体光场垂直变化,器操作、布放复杂,水体。

表面法（谱测量近似的仪器,,通过合理的观测几何安排和测量积分时间设置,也可以得到上述几个主要的观测量。

在一类水体,剖面法是国际水色遥感界推荐的首选方法;

在二类水体,目前唯一有效的方法是表面法。

水面以上的光谱辐亮度信号组成是:

Lsw=Lw+rLsky+Lwc+Lg

（4）

图1　水面以上水体信号构成（引自Kirk1994）

Fig.1　Abovewatersignalcomposition（fromKirk1994）

:

1）ρt,除,因为;

2）在船边垂直向下观测的数据,受船体影响

（船体破坏了水体光场分布）、太阳直射反射的影响

非常大;

3）不对天空光进行测量,无法分离携带水体信息的离水辐射率与不带任何水体信息的水表面反射信息;

4）由于水体反射较低,往往采用自动或很长的

其中:

Lsw是总信号;

LW是进入水体的光被水体散射回来进入仪器的离水辐射率,rLsky是天空光在水面反射以后进入观测仪器的信号,没有任何水体信息,r是气水界面反射率;

Lwc是海面白帽（WhiteCap）的信息,Lg是水面波浪对太阳直射光的随机反射（sunglint,specularreflection）,没有任何水体信息。

水体信号来源与构成参见图1。

对于现场测量,可忽略由大气散射信号。

值得注意的是,目前中国开展的很多水体光谱测量中,测量是在船边垂直向下进行的,且将水体目标的测量值Lt比上标准板的测量值Lp,进行所谓“水体反射率”的测量并进行数据处理:

ρt=Lt/Lp

（5）

积分时间,导致严重的太阳直射反射信号污染。

NASA出版的SeaWiFs技术资料Vol.25[7]对该方法的描述也不系统全面;

NASA2002年新版海洋光学规范[8]对此方法进行了充实,但仍有很多不足之处,如气水界面对天空光的反射率问题。

因此,本文的讨论主要是对利用便携式光谱仪在水面以上进行光谱测量的方法、数据分析方法进行系统地讨论。

这种方法国际上应用最成功的研究组是Uni2versityofSouthFlorida的Carder及ZhongpingLee（李忠平）等人。

他们以该方法为主进行表观光学量的测量,并导出了基于遥感反射率的SeaWiFS和MODIS水色反演算法[9—11]。

实验研究表明,一类水体的表面法与剖面法的测量结果差异在5%—10%左右[13]。

由于水体离水辐射率也具有二向性[14—16],因此垂直观测的剖面结果和倾斜观测的表面法必须存

其中,Lt为面向水体测量得到的信号,Lp为折合到100%反射率板的信号。

并且错误地为“准确”测量

第1期唐军武等:

水面以上测量法　39

在差异。

中国HY21卫星地面应用系统辐射校正分系统的工作表明,剖面法和表面法获得的离水辐射率差异可控制在15%左右,最好地结果差异可在5%以内[17]。

化不大,所以为避开太阳直射反射（Sunglint,Specu2larreflection）和船舶阴影对光场的破坏,在现场船舶上的观测几何最好按以下方式设定（以下角度都是以光线矢量的走向为依据）:

仪器观测平面与太阳入射平面的夹角90°

≤<

v（背向太阳方向）,仪器与海面法线方向的夹≤135°

θ角30°

≤45°

这样便可避免绝大部分的太阳直v≤射反射,同时减少船舶阴影的影响。

天空光在水面的反射是不可避免的,因此,在仪器面向水体进行测量后,必须将仪器在观测平面内向上旋转一个角度,使得天空光辐亮度Lsky的观测方向天顶角等于水面测量时的观测角θv。

目前,典型的观测几何设置为:

i）<

v=90°

θv=40°

这种安排的优点是

2　水面以上光谱测量与分析原理

利用光谱仪进行水面以上光谱测量（Above2wa2termeasurement）与分析方法[7,8,10,11,16],其目的是利用便携式瞬态光谱仪和标准板,导出离水辐射率Lw、归一化离水辐射率LwN、遥感反射率Rrs和水面以下辐照度比R等参数。

211　观测几何

因为离水辐射率Lw在天顶角0—40°

范围内变

图2　光谱仪水面以上观测几何

Fig.2　Viewinggeometryoftheabove2watermeasurement

　　3天空光分布均匀,天空光的测量受船舶摇摆的影响较小;

3根据Mobley（1994）的结果,在此角度的表面反射率受海面粗糙度的影响较小;

3仪器在船上的安装架设和几何安排比较容易。

这种安排的缺点是:

3相对于<

v=135°

θ几何设置而言,与v=40°

剖面观测结果的固有差异较大,也即水体二向性影响较大[15,16];

3太阳直射反射比较严重,需要快速获取大量的数据进行太阳耀斑剔除工作,有效数据量可能在5%左右。

ii）<

这种安排的优点是:

3可更好地避免太阳直射反射;

3与剖面观测的固有差异较小。

3天空光的均匀性较差,船舶的晃动会产生一定的影响。

目前国际水色SIMBIOS计划中推荐采用第二种观测几何[9,19]。

212　离水辐射率的测量

在避开太阳直射反射、忽略或避开水面泡沫的情况下,光谱仪测量的水体光谱数据为:

（6）Lsw=Lw+rLsky其中Lw为离水辐亮度;

Lsky天空漫散射光,不带有

任何水体信息,必须去掉;

r=211%—5%,r=r（W,θv,<

v,θ0,<

0）为气2水界面对天空光的反射

40　遥　　感　　学　　报第8卷

率,取决于太阳位置（θ观测几何（θ风0,<

0）、v,<

v）、速风向（W）或海面粗糙度等因素。

海表反射率r的取值目前仍有很大争议,应当分别参照文献[12]和[19]的结果,并且值得更深入

的研究。

根据我们的经验,在上述观测几何条件下,平静水面可取r=2.2%,在5m/s左右风速的情况下,r可取01025,10m/s左右风速的情况下,取01026—01028

图3　离水辐亮度（Lw）与天空光反射（rLsky）（）

Fig.3　Relativemagnitudesofwater2leavingsky　　由此可得离水辐亮度为Lw=Lsw-rLrLsky月在黄海利用ASD,,136msd（）Es可由测量标准板（Plaque）的反射而得:

3+

（7a）Lp=ρpEd（0）/π

+3

Ed（0）≡Es=Lpπ/ρp

（7b）

值。

由图中可以看出以下问题:

1）天空光的贡献与水体信号相当;

2）总的水体信号Lsw（下脚标sw表示sky+wa2

ter）变化很快,一秒内相差约20%,参见1秒钟内连

续测量的Lsw2611—Lsw2615五条曲线[计数值],总信号Lsw之间的差值,相当于水体信息Lw的50