主流的透明度半分析反演算法在渤、黃海的適用性評(píng)價(jià)＊

秦 平，肖艷芳，崔廷偉*，劉榮杰，牟 冰

(1．中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100;2．國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061)

水體透明度是描述海水光學(xué)特性的基本參數(shù)之一，反映水體的渾濁程度，與海水中懸浮物、葉綠素、黃色物質(zhì)的含量和成分密切相關(guān)，可用于識(shí)別水團(tuán)和流系等［1］。透明度盤(pán)法［2］是常用的透明度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，但存在耗時(shí)長(zhǎng)、同步性差等缺點(diǎn)。遙感技術(shù)具有大范圍、快速、同步觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，已成為獲取大面積水體透明度信息的重要手段。

基于遙感技術(shù)的透明度反演方法主要包括經(jīng)驗(yàn)方法和半分析方法。經(jīng)驗(yàn)方法基于多元統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)建立最優(yōu)波段或波段組合與實(shí)測(cè)透明度數(shù)據(jù)的回歸模型，實(shí)現(xiàn)透明度反演［3－6］。這類算法通常只適用于某一特定區(qū)域，普適性較差。半分析方法［7－12］基于生物光學(xué)模型，結(jié)合輻射傳輸模型與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系實(shí)現(xiàn)透明度反演，具有較強(qiáng)的普適性，是透明度反演的重要發(fā)展方向。此外，由于半分析算法具有較為清晰的物理機(jī)制，更有利于確定反演誤差的可能原因，為算法的修正提供思路。在透明度半分析反演算法方面，Doron等的工作最具代表性，他們先后提出了三種半分析算法，分別是基于709 nm波段、基于560 nm波段和基于固有光學(xué)量準(zhǔn)分析算法(QAA)的透明度半分析算法［8，9］。韓留生等［10］、魏國(guó)妹等［11］、張居詩(shī)等［12］分別開(kāi)展了上述算法在中國(guó)近海的區(qū)域性檢驗(yàn)工作，但主要是針對(duì)其中的某一種算法開(kāi)展的，而且涉及渤、黃海的算法評(píng)估研究所用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少、時(shí)空覆蓋率低，評(píng)估結(jié)果的代表性不足。

本文基于407組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了三種主流的透明度半分析反演算法在渤、黃海的適用性，為透明度遙感反演模型的研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)源與方法

1．1 數(shù)據(jù)源

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于2003、2005、2007和2009年的渤、黃海生物光學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)站位分布見(jiàn)圖1。透明度采用透明度盤(pán)(直徑為30 cm的白色圓盤(pán))測(cè)得，渤海實(shí)測(cè)透明度的范圍是0．1～7．0 m，黃海實(shí)測(cè)透明度的范圍是0．1～18．0 m。

現(xiàn)場(chǎng)水體光譜數(shù)據(jù)采用水面以上測(cè)量法［13］獲得，測(cè)量?jī)x器為美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的便攜式雙通道可見(jiàn)光－近紅外光譜輻射計(jì)，測(cè)量和數(shù)據(jù)處理參照海洋光學(xué)規(guī)范［13］。根據(jù)我國(guó)渤、黃海水體的光譜特征［14］，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除光譜曲線形狀異常的數(shù)據(jù)，最終獲得質(zhì)量較好的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)407組，部分站位的實(shí)測(cè)遙感反射率光譜見(jiàn)圖2。

圖1 實(shí)測(cè)站位分布圖(“+”，“○”，“◇”和“×”分別表示2003、2005、2007和2009年的實(shí)測(cè)站位)Fig．1 Location of the sampling station．“+”，“○”，“◇”and“×”represents in－situ stations in 2003，2005，2007 and 2009，respectively

圖2 實(shí)測(cè)遙感反射率光譜Fig．2 In－situ remote sensing reflectance

1．2 透明度半分析遙感反演算法

Doron針對(duì)歐洲二類水體，發(fā)展的透明度反演模型［8］為:

其中，ZSD為水體透明度;InC0/Ce為常數(shù)，表示透明度盤(pán)對(duì)比度與肉眼觀測(cè)對(duì)比度閾值的比，范圍是5～10［8，9］，文獻(xiàn)［8，9］沒(méi)有提及該常數(shù)的具體取值，本文取為7．5;P是490 nm處漫衰減系數(shù)Kd(490)與光束衰減系數(shù)c(490)的函數(shù)，計(jì)算公式如下:

Kd(490)和c(490)可由水體吸收系數(shù)a(490)和后向散射系數(shù)bb(490)進(jìn)行估算，a(490)和bb

(490)通過(guò)水體遙感反射率反演得到，因此透明度的反演歸結(jié)為a(490)和bb(490)的計(jì)算。

根據(jù)水體固有光學(xué)量a(490)和bb(490)反演算法的不同，Doron發(fā)展了3種反演透明度的半分析算法［8，9］:第一種算法是根據(jù)709 nm波段的遙感反射率計(jì)算水體的a(490)和bb(490)，這里記為Doron－SA709;第二種算法是采用560 nm作為參考波段，計(jì)算水體固有光學(xué)量，記為Doron－SA560;第三種算法是利用QAA算法［15，16］計(jì)算a(490)和bb(490)，這里記為Doron－QAA。這3種算法(Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA)的計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 Doron等發(fā)展的透明度半分析反演算法的計(jì)算流程Fig．3 Flowchart of semi－analytical algorithms estimating transparency developed by Doron et al．

1．3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選擇以下指標(biāo)評(píng)價(jià)透明度反演模型的精度:反演數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)r2、均方根誤差RMSE、平均相對(duì)誤差A(yù)PD、反演值與實(shí)測(cè)值之比的中值MR和半四分位距SIQR，即:

式中N為實(shí)測(cè)站位數(shù)，xi為透明度的實(shí)測(cè)值，yi為反演值;Q1、Q2和Q3分別表示第1、2和3四分位點(diǎn)。RMSE和APD分別表達(dá)了透明度反演值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差，MR描述反演值高估或低估實(shí)測(cè)值的程度，SIQR則說(shuō)明反演值與實(shí)測(cè)值比值的離散程度。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA算法的反演值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4和表1。

Doron－SA709算法反演誤差較大，APD約90%，RMSE約13 m;反演值與實(shí)測(cè)值的r2為0．11;數(shù)據(jù)大都位于1∶1線之下，MR為0．64，表明反演值總體上低估實(shí)測(cè)值。與黃海相比，渤海的反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，r2為0．76。

Doron－SA560算法中大部分散點(diǎn)位于1∶2線和2∶1線之間，反演值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，r2為0．67;APD和RMSE分別為75．8%和3．8 m，是三種算法中反演誤差最小的;MR大于1．5，反演值高估實(shí)測(cè)值。該算法在渤海和黃海的RMSE誤差分別為2．2 m和4．6 m，APD分別為86．7%和68%。

Doron－QAA算法反演值的RMSE為3．9 m，APD為91%，r2為0．63，算法在渤海的反演誤差大于黃海。

總體來(lái)看，3種透明度反演算法中，Doron－SA560算法的反演誤差較小，算法相對(duì)較穩(wěn)定(明顯偏離實(shí)測(cè)值的反演結(jié)果較少);Doron－SA709和Doron－QAA算法的反演誤差則相對(duì)較大。

圖4 透明度反演模型的檢驗(yàn)結(jié)果(圖中·表示渤海，+表示黃海，實(shí)線為1∶1線，二條虛線分別為1∶2和2∶1線)Fig．4 Scatterplot between the measured and retrieval ZSD．ZSD is calculated with Doron－SA709(a)，Doron－SA560(b)and Doron－QAA(c)．The dots represent values in the Bohai Sea while the pluses represent values in the Yellow Sea．The solid line is the 1∶1 line whereas the dashes lines are the 1∶2 and 2∶1 line．

3 討論

3．1 參數(shù)In C0/Ce的影響

在Doron等提出的透明度反演模型(式(1))中，InC0/Ce是一個(gè)隨著觀測(cè)時(shí)間、環(huán)境和觀測(cè)者的視力而變化的常數(shù)，其取值范圍通常為5～10［1］，文獻(xiàn)［11，12］將其取為5．5，本文取值為7．5，因此有必要分析其取值對(duì)反演結(jié)果的影響。考慮到中國(guó)近海水體的復(fù)雜性，下面將參數(shù)InC0/Ce的取值范圍擴(kuò)展到0．1～10，分析三種反演算法的檢驗(yàn)精度(RMSE和APD)隨參數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示。隨著InC0/Ce取值的減小，三種算法反演值的RMSE和APD都是先減少，然后增大;當(dāng)InC0/Ce約為4．0時(shí)，Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA算法反演值的APD分別為75%、41%和48%，Doron－SA560和Doron－QAA算法的APD降低了50%，反演精度得到改善。上述結(jié)果表明，有必要結(jié)合中國(guó)近海水體的特點(diǎn)，對(duì)參數(shù)InC0/Ce進(jìn)行深入的區(qū)域性研究。

表1 透明度反演模型的精度評(píng)估Tab．1 Statistics of the retrievals by semi－analytical algorithms

圖5 參數(shù)In C0/Ce對(duì)透明度反演算法的影響(圖中實(shí)線表示RMSE，虛線表示APD)Fig．5 RMSE and APD of the ZSD retrieval versus In C0/Ce．ZSD is calculated with Doron－SA709(a)，Doron－SA560(b)and Doron－QAA(c)．The solid line represents RMSE of the retrieval values while the dot line represents APD

3．2 固有光學(xué)量計(jì)算方法的影響

Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA三種透明度半分析反演算法的主要區(qū)別在于水體吸收系數(shù)a(490)和后向散射系數(shù)bb(490)的計(jì)算方法不同，固有光學(xué)量a(490)和bb(490)的計(jì)算誤差將通過(guò)公式(1)最終傳遞到透明度反演結(jié)果中。下面討論3種算法水體吸收系數(shù)a(490)和后向散射系數(shù)bb(490)的計(jì)算結(jié)果偏差(見(jiàn)圖6)。

由圖6可知，無(wú)論是a(490)還是bb(490)，Doron－QAA算法的反演結(jié)果都與Doron－SA560算法具有較好的一致性，而Doron－SA709算法與Doron－SA560算法的偏差則比較明顯。這可能是Doron－SA709算法的透明度反演誤差RMSE(＞10 m)顯著大于Doron－SA560和Doron－QAA算法的主要原因。

3．3 與相關(guān)算法評(píng)估工作的對(duì)比

Doron等［9］基于歐洲二類水體COASTLOOC數(shù)據(jù)集和地中海、英吉利海峽和南太平洋等海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(透明度范圍為0．05～41．0 m)，評(píng)估了Doron－SA560、Doron－QAA算法應(yīng)用于衛(wèi)星遙感影像的反演精度，APD分別為78．2～87．2%和126．1～140．6%。本文相關(guān)算法的APD分別為75．8%和91．0%(InC0/Ce=7．5)，小于Doron等的檢驗(yàn)結(jié)果［9］，可能的原因是本文的評(píng)估采用了實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)，不受衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)大氣校正的影響。

魏國(guó)妹等［11］將Doron－QAA算法應(yīng)用于北部灣的MODIS遙感數(shù)據(jù)，反演結(jié)果的APD為22%(實(shí)測(cè)透明度范圍是0．7～34．0 m)。張居詩(shī)［12］利用52組中國(guó)海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(范圍是1．5～35．0 m)檢驗(yàn)了Doron－QAA算法的適用性，APD為28．6～53．7%。本文利用渤、黃海的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)Doron－QAA算法，其中參數(shù)InC0/Ce根據(jù)文獻(xiàn)［11，12］的取值選用為5．5，此時(shí)透明度反演值的APD為59．7%，大于上述文獻(xiàn)的檢驗(yàn)結(jié)果［11，12］。產(chǎn)生上述差異的原因可能是本文的研究區(qū)大都是低透明度的渾濁水體，而Doron－QAA算法更適用于透明度較高的清潔水體。

圖6 不同算法固有光學(xué)量反演結(jié)果的比較(圖中·表示渤海，+表示黃海，實(shí)線為1∶1線，二條虛線分別為1∶和2∶1線)Fig．6 Scatterplot of the retrieved IOPs between different algorithms．(a)a(490)is calculated with Doron－SA709 and Doron－SA560;(b)a(490)is calculated with Doron－QAA and Doron－SA560;(c)bb(490)is calculated with Doron－SA709 and Doron－SA560;(d)bb(490)is calculated with Doron－QAA and Doron－SA560．The dots represent values in the Bohai Sea while the pluses represent values in the Yellow Sea．The solid lines represent the 1∶1 line whereas the dashed lines are the 1∶2 and 2∶1 lines

4 結(jié)論與展望

本文采用407組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了三種主流的透明度半分析反演算法(Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA)在渤、黃海的適用性。結(jié)果表明:3種透明度半分析反演算法均不適用于研究區(qū)，RMSE均大于2．2 m，APD高于68%，不能直接用于渤海和黃海的透明度反演。當(dāng)上述算法應(yīng)用于衛(wèi)星遙感影像時(shí)，由于大氣校正的不完善可能導(dǎo)致更大的反演誤差。在這3種透明度半分析反演算法中，Doron－SA560算法的反演誤差最小，未來(lái)可考慮在此算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正或者發(fā)展新的反演算法。

致謝:

感謝參加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及為本文研究工作提供數(shù)據(jù)支持的研究機(jī)構(gòu)和同仁。附錄:

(1)Doron－SA709

Doron－SA709算法以709 nm波段的輻照度反射比R(709)計(jì)算a(490)和bb(490)，進(jìn)一步根據(jù)公式(A3－A5)得到Kd(490)和c(490)，公式如下:

式中，aw、bbw和bw分別是純水的吸收系數(shù)、后向散射系 數(shù) 和 散 射 系 數(shù)。根 據(jù) 文 獻(xiàn)［7］，參 數(shù)B490－709=1．13，f(490)=0．335，f(709)=0．335。

(2)Doron－SA560

對(duì)于大洋和大部分近岸水體，709 nm處純水具有強(qiáng)烈的吸收，影響了水體固有光學(xué)量的計(jì)算;同時(shí)考慮到SeaWiFS和MODIS沒(méi)有709 nm波段的數(shù)據(jù)，MERIS的709 nm波段數(shù)據(jù)的信噪比較低。因此，Doron－SA560算法用560 nm波段計(jì)算bb(490)，公式如下:

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，參數(shù)B490－560=1．003，a490－560=0．323，f(560)=0．335。

(3)Doron－QAA

Doron－QAA算法中，a(490)和bb(490)采用基于555 nm的QAA算法(QAA－555)和基于640 nm的QAA算法(QAA－640)［15，16］綜合計(jì)算。

其中a(490)［555］和a(490)［640］、bb(490)［555］和bb(490)［640］分別是由QAA－555算法和QAA－640算法計(jì)算得到的水體吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)。參數(shù)k為:

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