一種東中國海水體漫衰減系數(shù)Kd（490）的反演方法

胡連波，張亭祿

（中國海洋大學(xué)海洋技術(shù)系，山東 青島 266110）

一種東中國海水體漫衰減系數(shù)Kd（490）的反演方法

胡連波，張亭祿

（中國海洋大學(xué)海洋技術(shù)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(shù)Kd(490)的業(yè)務(wù)化反演算法—Mueller算法在東中國海不再適用?；?006—2007年3個(gè)東中國海航次的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了一種漫衰減系數(shù)Kd（490）的反演算法，在Mueller算法基礎(chǔ)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(gè)航次的東中國海現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行印證，反演相對(duì)誤差為12.1%，均方根誤差0.08，相關(guān)系數(shù)0.99（N=74）。結(jié)果表明該算法有效提高M(jìn)ueller算法在東中國海的反演精度。

漫衰減系數(shù)；遙感反射比；東中國海；經(jīng)驗(yàn)算法

漫衰減系數(shù)是一個(gè)重要的海洋光學(xué)參數(shù)，對(duì)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(shù)定義為[1]：

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

對(duì)于廣袤的海洋來說，獲取漫衰減系數(shù)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(yè)務(wù)化反演算法都是基于藍(lán)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(yè)務(wù)化反演算法在東中國海誤差較大。本文在分析東中國海現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，修正Kd(490)業(yè)務(wù)化反演算法，提高反演精度。

1 方法

漫衰減系數(shù)Kd（490）是海色數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之一，其反演算法可分為經(jīng)驗(yàn)算法和半分析算法。經(jīng)驗(yàn)算法主要是建立Kd（490）和遙感反射比藍(lán)綠波段比值之間的關(guān)系，模型簡單易用，但缺乏明確的理論基礎(chǔ)。Austin and Petzold率先建立了第一臺(tái)海色傳感器CZCS的Kd(490)和藍(lán)綠波段離水輻亮度比值之間的經(jīng)驗(yàn)算法[2]。Morel把葉綠素濃度作為中間變量，建立了Kd(490)與藍(lán)綠波段遙感反射比比值之間的經(jīng)驗(yàn)算法[3]。最近，Morel根據(jù)NASA Bio-Optical Marine Algorithm Data數(shù)據(jù)集對(duì)該算法經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了更新[4]。Mueller根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)Austin and Petzold模型進(jìn)行修正并作為第二代海色傳感器SeaWiFS和MODIS數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)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(chǔ)，不依賴于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，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(shù)值模擬建立了Kd(490)和水體吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)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(shù)；bb(490)為水體在490 nm的后向散射系數(shù)。a(490)和bb(490)可通過QAA算法解析獲得[7]。

王曉梅等根據(jù)黃海、東海的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出了黃、東海的Kd(490)和遙感反射比之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑珱]有給出模式的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[8]。唐軍武等利用2003年春季黃、東海實(shí)驗(yàn)建立了由遙感反射比反演三要素濃度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)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(hào)中包含了部分葉綠素?zé)晒獾挠绊懀珽NVISAT衛(wèi)星上的MERIS傳感器增設(shè)了一個(gè)620 nm波段專門用作懸浮物的監(jiān)測(cè)。本文基于2006—2007年3個(gè)東中國海航次的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)提出了一種Kd（490）的反演算法。該算法在Mueller反演算法基礎(chǔ)上增加了620 nm波段以反映東中國海渾濁水體的特性。

2 數(shù)據(jù)

采用的數(shù)據(jù)來自在東中國海的3個(gè)航次測(cè)量數(shù)據(jù)（圖1所示），分別為2006年4月17—29日在黃海進(jìn)行的“上層海洋－低層大氣生物地球化學(xué)與物理過程耦合”春季航次（三角符號(hào)）；2006年12月31日—2007年1月17日在北黃海進(jìn)行的“我國近海的綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)”冬季航次（圓點(diǎn)符號(hào)）；2007年1月21日—2月14日黃東海進(jìn)行的“中國東部陸架邊緣海海洋物理環(huán)境演變及其環(huán)境效應(yīng)”冬季航次（方塊符號(hào)）；共有74個(gè)匹配站位。

圖1 三個(gè)航次站位圖

2.1 漫衰減系數(shù)Kd（490）

漫衰減系數(shù)Kd（490）通過水下高光譜輻射計(jì)測(cè)量的剖面向下輻照度計(jì)算得到。實(shí)際測(cè)量中由于表面波的聚焦，船體陰影以及由于海水的波動(dòng)引起測(cè)量深度帶來的不確定性，不能根據(jù)公式（1）簡單地從已知的兩個(gè)深度的輻照度計(jì)算Kd。為了減少這些不利影響，本文采用上層水體Ed（z）的對(duì)數(shù)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(shù)據(jù)由海面高光譜輻射計(jì)Hyper-TSRB測(cè)量獲得。姚晴晴等討論了3種由Hyper-TSRB數(shù)據(jù)估算海面遙感反射比的方法，其關(guān)鍵是獲取如何計(jì)算漫衰減系數(shù)[10]。本文將采用水下高光譜輻射計(jì)實(shí)測(cè)的漫衰減系數(shù)，然后根據(jù)Lambert-Beer定律計(jì)算海表面的遙感反射比。

圖2 Kd（490）和Rrs(490)/Rrs(555)比值的相關(guān)性

圖3 Kd(490)和Rrs(620)的相關(guān)性

2.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

圖2給出了Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(555)比值的相關(guān)性?？梢钥闯?，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(shù)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(shù)，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(shù)值模擬

由于可匹配的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)較少，且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地存在由于儀器、測(cè)量方法產(chǎn)生誤差。本文根據(jù)3個(gè)航次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的海洋光學(xué)數(shù)據(jù)特性，利用半分析算法[11]模擬產(chǎn)生東中國海海洋光學(xué)數(shù)據(jù)集。利用半分析算法的原因如下：（1）準(zhǔn)確度高，與Hydrolight的模擬結(jié)果誤差約1%[11]；（2）計(jì)算速度快；（3）已被海洋學(xué)家廣泛應(yīng)用。如何恰當(dāng)選擇和確定海水中各組分的光學(xué)特性、濃度范圍和它們之間的相互關(guān)系以盡可能地反映東中國海的光學(xué)特性是進(jìn)行數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本文在對(duì)東中國現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，模擬產(chǎn)生東中國海海洋光學(xué)數(shù)據(jù)集。數(shù)值模擬的輸入?yún)?shù)見表1。

表1 模擬輸入?yún)?shù)

模擬數(shù)據(jù)集分為7個(gè)獨(dú)立的葉綠素濃度，每個(gè)葉綠素濃度有200組隨機(jī)的CDOM和碎屑濃度，總共1 400組模擬數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集共分為兩組，其中700組模擬數(shù)據(jù)用來發(fā)展算法，其余數(shù)據(jù)進(jìn)行印證。圖4、圖5分別給出模擬數(shù)據(jù)的Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(555)比值和Rrs(620)的相關(guān)性?？梢钥闯瞿M數(shù)據(jù)與東中國海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有類似的光學(xué)特性，說明模擬數(shù)據(jù)能夠反映東中國海的水體光學(xué)特性，可以用來進(jìn)行反演算法研究。

圖4 模擬數(shù)據(jù)的Kd(490)與Rrs(490)/Rrs(550)的相關(guān)性

圖5 模擬數(shù)據(jù)的Kd(490)和Rrs(620)相關(guān)性

4 Kd(490)反演算法建立和印證

綜合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)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(chǔ)上提出如下的Kd(490)反演算法：

式中：m0～m4是常數(shù)。在清潔水體Rrs（620）基本為零，公式（6）就轉(zhuǎn)換為Mueller算法。利用700組訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)公式（6）進(jìn)行最小二乘法擬合，得到常數(shù)m0～m4,分別為0.02,0.141,-1.54,20.4,817.2。圖6給出700組印證數(shù)據(jù)集對(duì)公式（6）反演的Kd(490)的比較?？梢钥闯?，兩者吻合很好，相對(duì)誤差3.6%，均方根誤差為0.027 8（對(duì)數(shù)形式）。此外，用3個(gè)航次的東中國海現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)本文提出的Kd(490)反演算法進(jìn)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(duì)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(guān)系數(shù)分別為0.72，0.99，0.99?？梢钥闯?，Mueller算法在 Kd(490)＜0.3 時(shí)誤差較小，但當(dāng)Kd(490)＞0.3時(shí)Mueller算法嚴(yán)重低估。新算法與Lee半分析算法反演精度相當(dāng)。

圖6 模擬數(shù)據(jù)集對(duì)新方法的印證

5 結(jié)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(yè)務(wù)化算法—Mueller算法反演的漫衰減系數(shù)Kd（490）會(huì)明顯低估，不適合在東中國應(yīng)用。在對(duì)2006—2007年三個(gè)東中國海航次的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，對(duì)Mueller反演算法進(jìn)行修正，增加1個(gè)紅光波段620 nm的信息以反映總懸浮物對(duì)漫衰減系數(shù)的影響。與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的印證表明，新算法的相對(duì)誤差為12.1%，均方根誤差為0.06，相關(guān)系數(shù)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。

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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(xué)青年基金資助項(xiàng)目（40906087）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41276041）

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

book=63,ebook=143