兩種水體后向散射系數(shù)測量方法的比較研究

陳利博，李銅基，黃妙芬，朱建華，周虹麗，楊安安

（1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

兩種水體后向散射系數(shù)測量方法的比較研究

陳利博1，2，李銅基2，黃妙芬1，朱建華2，周虹麗2，楊安安2

（1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

水體后向散射系數(shù)的測量方法是固有光學(xué)量中的一個難點和待完善部分。以2010年9月蓬萊航次獲得的實驗數(shù)據(jù)為例，比較分析了分光光度計測量水體后向散射系數(shù)與水體后向散射系數(shù)測量儀HydroScat-6測量法的實測結(jié)果，結(jié)果表明兩者所測結(jié)果在藍(lán)綠光波段有較好的一致性。

后向散射系數(shù)；FTF/T-R法；懸浮顆粒物

水體后向散射系數(shù)bb是重要的海洋光學(xué)參數(shù)，在海洋水色要素反演、水色組分濃度反演和生物光學(xué)模型中扮演重要的角色，其測量方法一直是個難點[1-2]。目前對水體后向散射系數(shù)bb的測量主要通過后向散射系數(shù)測量儀（如美國Hobilabs公司產(chǎn)的HydroScat-6等）在現(xiàn)場進(jìn)行，這類儀器價格昂貴、定標(biāo)過程復(fù)雜。Tasaan和Allali 2002年提出了一種可同時測量水體吸收和后向散射系數(shù)的FTF/T-R法[3,8]，該方法使用分光光度計附加一個60 mm直徑積分球的裝置，同時可測量水體顆粒物和非色素顆粒物的后向散射系數(shù)。該方法的研究可推動我國近岸水體后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立，因此研究分析這兩種方法對自然水體的測量結(jié)果有著重要的意義。

為了分析比較HS-6(HydroScat-6)后向散射系數(shù)測量儀和分光光度計測量水體后向散射系數(shù)，本文選擇山東煙臺蓬萊長島附近海域作為試驗區(qū)，此海域水體懸浮物分布梯度明顯，水體光學(xué)特征主要表現(xiàn)為典型的二類水體特點，具有較強的海區(qū)代表性。2010年9月，利用HS-6后向散射系數(shù)測量儀進(jìn)行現(xiàn)場測量并同步采樣帶回實驗室利用分光光度法測量，然后根據(jù)算法公式計算得到各站位水體的后向散射系數(shù)，將得到的結(jié)果與經(jīng)sigma糾正后的HS-6結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。本航次共得到了13個站位的后向散射系數(shù)測量結(jié)果，站位分布見圖1所示。

1 方法與結(jié)果

1.1 方法介紹

HS-6測量方法介紹：6通道后向散射儀 (HydroScat-6 SprctralBackscattering Sensor，HS-6)是由美國 Hobi-labs 公司生產(chǎn)，可在6個不同波段測量水體后向散射系數(shù)的儀器，6個波段的通道彼此獨立，每個通道都有獨立的光源和光接收器，光源產(chǎn)生對應(yīng)于該通道波段的光束并射入水中，同時光接收器接收由水體散射出來的那部分光。儀器通過測量出射光的能量和接收到的(140°的散射光)光通量，得到140°角處的體積散射函數(shù)β（λ，θ），再利用體散射函數(shù)和后向散射系數(shù)之間的關(guān)系得到水體的后向散射系數(shù)[9-10]。本次試驗中使用的 HS-6儀器波段設(shè)置為 442 nm，488 nm，510 nm，550 nm，676 nm，852 nm。

圖1 蓬萊近岸13個站位分布圖

分光光度計測量方法介紹：該方法也可稱為FTF/T-R法，結(jié)合算法公式可作為一種同時測量水體懸浮顆粒物后向散射系數(shù)和吸收系數(shù)的新方法，該方法結(jié)合了 （modifiedtransfer-freeze）FTF 法[11,16]和 （transmittance–reflectance）T-R法的各自優(yōu)點，最大程度地避免了光程放大因子β的影響和散射損失。測量過程中利用雙光路分光光度計附加積分球的裝置，對富集在玻片上的后向散射因子顆粒物進(jìn)行透射比和反射比測量，將得到的測量量代入算法公式得到樣品的后向散射系數(shù)值。分光光度法測量水體后向散射系數(shù)的原理公式為[3]：

式中：X是樣品過濾體積除以有顆粒物的濾紙面積的比值；T0是經(jīng)前向散射損失校正后得到的樣品透射比；Ta是T0中與吸收有關(guān)的一個物理量。

根據(jù)事先設(shè)計好的采樣點的經(jīng)緯度，利用手持GPS依次到達(dá)各個采樣點，采集表層海水樣品。并將樣品瓶放到保溫箱中，同時用HS-6測量該站位的水體后向散射系數(shù)。所有站位采樣結(jié)束后，立即將得到的樣品送回實驗室完成FTF/TR法的測量。FTF/T-R法測量中使用的分光光度計為澳大利亞科儀公司生產(chǎn)的紫外/可見分光光度計Cintra20（波長間隔1.2 nm，波長范圍：380～700 nm，附加直徑60 mm的積分球）。

1.2 測量結(jié)果

HS-6測量結(jié)果：對13個站位HS-6測量得到的水體后向散射系數(shù)做sigma校正，得到修正后的水體后向散射系數(shù)如圖2所示。

從HS-6測量的結(jié)果來看，站位PL12，PL13的后向散射系在數(shù)值上明顯高于其它站位，以442nm波段為例，最大值為0.028 5 m-1，出現(xiàn)在 PL12站位；最小值為 0.013 6 m-1，出現(xiàn)在PL11站位。在水體吸收峰的特征波段480 nm處有波谷出現(xiàn)，這可能與測量后的數(shù)據(jù)經(jīng)過sigma糾正有關(guān)。

圖2 蓬萊近岸13個站位HS-6后向散射系數(shù)

分光光度法測量結(jié)果：由分光光度計測量得到的數(shù)據(jù)代入公式（1）計算得到蓬萊13個站位的后向散射系數(shù)如圖3所示。

分光光度法是一種新的測量水體后向散射系數(shù)的方法，該方法獲得的是全波段的水體后向散射系數(shù)，從譜型上來看，后向散射系數(shù)值隨著波長的減小而呈指數(shù)形式的增加，這與國外morel和國內(nèi)周雯等人提出的理論相一致[17,20]。以各站位的全波段水體后向散射系數(shù)的平均值結(jié)果來看，最大值出現(xiàn)在PL13站位，其值為0.044 m-1，最小值出現(xiàn)在PL04站位，其值為0.031 m-1。從兩種方法的整體測量結(jié)果來看，PL12，PL13站位后向散射系數(shù)值均較高，PL08，PL10站位兩種測量方法所得值均處于中間位置，其它站位分布相對較集中,兩者的測量結(jié)果均表現(xiàn)出較為一致的梯度分布。

圖3 蓬萊近岸13個站位分光光度計測量法得到的后向散射系數(shù)

2 結(jié)果與討論

由于分光光度計測量計算得到的后向散射系數(shù)是全波段的，為了與HS-6測量結(jié)果進(jìn)行比對分析，且考慮實驗室內(nèi)的分光光度計在近紅外波段受雜散光影響較大，且近紅外波段在水色遙感領(lǐng)域?qū)儆谒翱诓ǘ?，舍?52 nm波段的比較結(jié)果，把兩種測量方法得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，圖4為兩種方法的比對圖。

圖4 兩種方法結(jié)果比對圖

由圖4的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行兩者的線性度計算，在442 nm波段兩者的線性度較好，對應(yīng)的R2=0.936 3，448 nm對應(yīng)的R2=0.789 7，510 nm對應(yīng)的 R2=0.860 2，550 nm對應(yīng)的 R2=0.672 8，676 nm對應(yīng)的R2=0.627 2?？芍?76 nm波段處兩者測量結(jié)果的偏離程度較大，這可能是由于676 nm靠近近紅外波段，在分光光度計的測量中引入的雜散光和誤差因素較多，且HS-6在676 nm的波段寬度設(shè)置和藍(lán)綠光波段的設(shè)置并不相同也可能是其中的原因之一。

利用分光光度計測量得到的442 nm，488 nm，510 nm，550 nm，676 nm的后向散射系數(shù)值與HS-6實測值的偏差對兩種方法進(jìn)行評價，相對偏差計算公式為：

表1給出的是利用公式2得到的兩種測量方法的特征波段相對偏差和平均偏差分布。從分布情況可知不同站位的平均相對偏差變化較大，最大值出現(xiàn)在PL08站位，最小值出現(xiàn)在PL12站位，各波段的平均相對偏差在676 nm較大，其它波段均可控制在±10%之內(nèi)。

圖5給出了13個站位在5個特征波段的相對偏差分布和每個站位在特征波段的平均相對偏差分布情況。

表1 兩種測量方法特征波段的相對偏差分布/%

圖5 兩種測量方法對應(yīng)的特征波段相對偏差分布

由圖5可知兩種測量方法所得的結(jié)果在676 nm處相對偏差過大，超出可接受范圍，表明分光光度法測量值在此波段不具備可比性。但在442 nm，488 nm，510 nm，550 nm處兩者的相對偏差較小，均控制在合理的范圍內(nèi)；兩種測量方法一致性較好的站位為PL03，PL05，PL12，從13個站位的分布和測量結(jié)果分析， 如 PL05，PL06，PL07 和 PL09，PL11，PL12站位兩種測量方法的相對誤差范圍在0.01～0.02之間，通過圖6分光光度計實測值相對于HS-6實測值的相對偏差分布對兩種測量方法的對比分析，一定程度上可作為后向散射系數(shù)的真值檢驗依據(jù)，但是依據(jù)更充分的分析需要更多重復(fù)性實驗結(jié)果驗證。

圖6 分光光度計實測值相對于HS-6實測值的相對偏差分布

由圖6的統(tǒng)計結(jié)果可知平均相對偏差在±10%之內(nèi)的有3個站位，平均相對偏差在±10%和±20%之間的有7個站位，平均相對偏差大于±20%的有3個站位。數(shù)據(jù)結(jié)果同時表明兩種測量方法的結(jié)果存在著系統(tǒng)誤差，原因可能與各站位水體組分、粒徑分布狀態(tài)、儀器的測量操作引入的誤差等有關(guān)，更深入的分析有待進(jìn)一步的研究。

3 總結(jié)

本文通過對蓬萊近岸13個站位的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為利用分光光度計測量水體后向散射系數(shù)這一新方法和HS-6測量方法在442 nm，488 nm，510 nm，550 nm處有較高的一致性，相對偏差變化平穩(wěn)，在676 nm處分光光度法和HS-6值之間存在的誤差較大?？偟膩碇v分光光度法是一種未成熟但值得研究的水體后向散射系數(shù)測量的新方法，該方法的誤差因素較多，兩者的結(jié)果分析只可作為一個參考，對分光光度計測量水體后向散射系數(shù)方法還有待進(jìn)一步的研究。

[1]BOSS Emmanuel，PEGAU W Scott．Relationship of light scattering at an angle in the backward direction to the backscattering coefficient[J]．Appl Opt,2001,40(30):5503-5507．

[2]BOSS Emmanuel，LEWIS MARLOU.Why should we measure optical backscattering the coefficient?[J].Oceanography,2004(17):46-49.

[3]Tassan S,Karima Aliali.Proposal for the simultaneous measurement of light absorption and backscattering by aquatic particulates[J].Journal of Plankton research,2002(24):471-479.

[4]Tassan S,Ferrari G M.Measurement of the light absorption by aquatic particulates retained on filters:determination of the optical path length amplification by the‘Transmittance-Reflectance method[J].J Plankton Res,1998(20):1699-1709.

[5]Tassan S,Ferrari G M.An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters[J].Limnol Oceanogr,1995(40):1358-1368.

[6]Tassan S,Ferrari G M.Proposal for the measurement of backward and total scattering by mineral particles suspended in water[J].Appl Opt,1995(34):8345-8353.

[7]朱建華,等.光透射-光反射放大的光程放大校正因子研究[J].海洋技術(shù)，2008,27(1):53-57.

[8]朱建華,等.基于小球藻的T-R方法光程放大校正因子的適用性研究[J].海洋技術(shù),2010,29(1):40-45.

[9]宋慶君,唐軍武.黃海、東海海區(qū)水體散射特性研究[J].海洋學(xué)報,2006,28(4):56-63.

[10]HydroScat-6 Spectral Backscattering Sensor user’s manual,Revision date:Jan 22,2002[EB/OL].www.hobilabs.com,2002-01-22/2002-05-10.

[11]Allali K,Bricaud A,Babin M，et al.A new method for measuring spectral absorption coefficients of marine particles[J].Limnol Oceanogr,1995（40） :1526-1532.

[12]ANDERSON T R.A spectrally averaged model of light penetration and photosynthesis[J].Limnol Oceanogr,1993(38):1403-1419.

[13]Sieracki CK,Sierackime,Yentsch C S.Animage-in-flow system for automated analysis of marine microplankton[J].Marine Ecology Progress Series,1998,168:285-296.

[14]Bricaud A,Morel A,Prieur L.Optical efficiency factors of some phytoplankters[J].Limnol Oceanogr,1983,28:816-832.

[15]Allali K,Bricaud A,Claustre H.Spatial variations in the chlorophyll-specific absorption coefficients of phytoplankton and photo synthetically active pigments in the Equatorial Pacific[J].J.Geophys Res,1997,102:12413-12423.

[16]Morel A,Bricaud A.(1981)Theoretical results concerning the optics of phytoplankton,with special reference to remote sensing applications[C]//COSPAR/SCOR/IUCRM Symposium ‘Oceanography from Space’,Venice,May 1980.Plenum Press,1981：313–327.

[17]Maffi R A.Instruments and methods for measuring the backward-scattering coefficient of ocean waters[J].Appl Opt,1997,36:6057-6067.

[18]Bricaud A,Morel A,Prieur L.Optical efficiency factors of some phytoplankters[J].Limnol Oceanogr,1983,28:816-832.

[19]Sathyendranath L,Prieur A.three-component model of ocean colour and its application to remote sensing of phytoplankton pigments in coastal waters[J].INT J Remote sensing,1989,10(8):1373-1394.

[20]周雯,曹文熙,李彩.浮游植物吸收和散射特性:理論模型[J].光學(xué)技術(shù),2007,33(2):177-180.

Abstract：The measurement of backscattering coefficients is a difficulty in inherent optical properties and needs to be improved.According to the data from September 2010 at Penglai cruise,a new experimental method using the spectrophotometer to get the backscattering coefficients is compared with the traditional method with the HS-6.The result indicates that the backscattering coefficients obtained by the two methods are coincident in blue-green wave band.

Key words：backscattering coefficient;FTF/T-R method;suspended matter

Comparison of Two Methods for Backscattering Coefficients Measurement in Water Body

CHEN Li-bo1,LI Tong-ji2,HUANG Miao-fen1,ZHU Jian-hua2,ZHOU Hong-li2,YANG An-an2
（1.Dalian Ocean University,Dalian Liaoning 116023,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

TP722.4

A

1003-2029（2011）01-0057-05

2010-10-26

國家海洋局青年基金資助項目（2009417）

陳利博（1986－），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事物理海洋測量、固有光學(xué)測量方面研究。E-mail:clbdlwl@sohu.com