天空光遮蔽法在高葉綠素水體中的陰影問題研究

陳旭磊,林 供,石良海,單宇杰,商少凌*(1.廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,2.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院, 3.廈門大學海洋與地球學院,福建廈門361102)

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天空光遮蔽法在高葉綠素水體中的陰影問題研究

陳旭磊1,2,林 供1,3,石良海1,3,單宇杰1,3,商少凌1,3*
(1.廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,2.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院, 3.廈門大學海洋與地球學院,福建廈門361102)

摘要:天空光遮蔽法(SBA)是一種直接測量離水輻亮度的方法.該方法通過浮體結構實現(xiàn),其關鍵是用于屏蔽天空光的元件——遮光錐.目前浮體結構及遮光錐在高葉綠素水體中產(chǎn)生的陰影效應尚不清楚.本研究依前人經(jīng)驗建立了SBA測量系統(tǒng),評估浮體結構對SBA的影響發(fā)現(xiàn):在晴天,輻亮度光譜儀觀測方位角處于0°～90°以及270°～360°時,浮體結構帶來的影響可以忽略;在陰天,浮體結構對各觀測方位角的離水輻亮度測量值均有顯著影響,即現(xiàn)有的浮子系統(tǒng)SBA可能并不適用于陰天條件.而關于遮光錐陰影問題的探討發(fā)現(xiàn),在高葉綠素水體中(葉綠素質量濃度>50 mg/m3),若將遮光錐陰影半徑由原設計的4.5 cm減至2.2 cm,Gordon自陰影校正模型的臨界太陽天頂角可由37°降至12°.

關鍵詞:天空光遮蔽法(SBA);浮體結構;自陰影;遮光錐

天空光遮蔽法(skylight-blocked approach,SBA)為新近提出的直接測量離水輻亮度(或遙感反射率)的方法[1].輻亮度光譜儀鏡頭的一端安裝有儀器配件遮光錐(skylight-blocking cone),測量時光譜儀鏡頭始終處于水表面之上,遮光錐末端則稍微插入水中.該法由表面之上法改進而來,其中遮光錐起關鍵作用,它的存在使得水體表面反射的天空光均被屏蔽,實現(xiàn)了由水色光度計直接獲取離水輻亮度信號的突破,從而避免了傳統(tǒng)方法獲取離水輻亮度過程中會帶來的誤差,這是該法最大的優(yōu)越之處.該法還具有其他的優(yōu)越性,如:適用于大部分種類的水體,在正常實驗條件下能獲得高精度的離水輻亮度數(shù)據(jù)組,并且處理簡便.然而,Lee等[1]所建立的SBA系統(tǒng)是浮子系統(tǒng),浮體結構的存在會改變測量區(qū)域的水下光場,可能對測量造成一定程度的影響,但該文中并未討論浮體結構的陰影問題.另外,正常測量狀態(tài)下遮光錐的末端會插入水中,將不可避免地產(chǎn)生自陰影效應.對此,Lee等[1]采用Gordon等[2]提出的方法進行校正,其實驗水體440 nm總吸收系數(shù)at(440)范圍在0.13～0.70 m-1;而目前來說,在at(440)> 1 m-1的高葉綠素水體中使用該方法對SBA進行自陰影校正所存在的問題尚不清楚.本文將在內陸高葉綠素水體的條件下,探討浮體結構及自陰影所產(chǎn)生的陰影效應對SBA測量的影響.

1 儀器及實驗水域

1.1儀 器

SBA系統(tǒng)參照Lee等[1]的方法設計建立,由水下高光譜儀ProfilerⅡ系統(tǒng)(Satlantic公司)改造而來,圖1為其整體結構示意圖.所使用的浮體為ProfilerⅡ系統(tǒng)原配浮子,浮子安裝于ProfilerⅡ系統(tǒng)的頂部,并添加“7”型直角結構增高支臂將光譜儀提高至適當?shù)母叨?支臂尺寸設計原則是盡量不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在系統(tǒng)底部綁上適當質量的鉛塊.輻亮度光譜儀的固定高度由遮光錐插入水中的深度決定,輻照度光譜儀的固定應盡量往上但同時需考慮整體的平衡.總的來說,系統(tǒng)浮于水面的部分長為60～80 cm,寬約為28 cm.遮光錐為一錐臺狀的罩子,如圖2(a)所示,遮光錐尺寸與Lee等[1]所使用的相似,末端半徑約為5.2 cm,高約為10 cm,用于海上測量;圖2(b)所示的遮光錐是圖2(a)中的縮減版,其半徑約為4.5 cm,高約為5 cm,用于內陸水體測量;而圖2(c)所示的遮光錐是針對高葉綠素內陸水體所設計的,其半徑僅有2.2 cm,高約為4 cm.以半徑大小對上述遮光錐進行標記,即Cone52、Cone45、Cone22.它們的視場角均大于輻亮度光譜儀視場角,即遮光錐的使用不影響光信號的接收.輻亮度光譜儀在測量離水輻亮度Lw的同時,也測量水面之上下行光輻照度Ed(0+)以記錄光場的變化,從而根據(jù)式(1)計算出遙感反射率Rrs:

圖1　SBA示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBA

GER1500型(下文簡稱為GER)便攜式地物光譜儀是美國Geophysical& Environmental Research公司的產(chǎn)品,配備有一塊反射率為50%的漫反射灰度板,是經(jīng)典的表面之上法測量儀器之一.該儀器工作波長范圍為300～1 100 nm,有512個波段,光譜分辨率為3 nm,波帶寬度約為1.6 nm,視場角為7.5°,其觀測幾何的選取采用國際水色SIMBIOS計劃中所推薦的方法[3](即(40°,135°)),具體操作參照NASA發(fā)布的操作規(guī)范[4].本研究在采集數(shù)據(jù)時,盡量避免陰影影響,每組數(shù)據(jù)按照水體、標準板、天空的順序依次測量,每次共測量10組.遙感反射率Rrs按下式計算:

圖2　各類尺寸遮光錐及其與輻亮度光譜儀組合的情況Fig.2 Cones with three sizes and their match-up with the LU radiometers

其中:Lt為水面之上輻亮度;Lsky為天空漫射光輻亮度;Lplaque為漫射標準板輻亮度;ρ為漫射標準板反射率,取值0.5;r為氣-水界面對天空光的反射率,取值0.023;Δ為通過優(yōu)化算法模擬得出的常數(shù),用于估算破碎的水面反射各方向天空光和太陽耀光所引起的誤差[5].

本研究采用AC-S(Wetlabs公司)進行現(xiàn)場水體總吸收系數(shù)at和光束衰減系數(shù)c的測量,其中at用作SBA的自陰影校正.儀器的光譜范圍為400.1～ 746.5 nm.

1.2實驗水域

芙蓉湖:位于廈門大學思明校區(qū)內的一個景觀水區(qū),屬于封閉型內陸淡水水池,面積約為30 000 m2,水深1～2 m;周圍有不少建筑物,受人類的影響較大,主要接納雨水,水色呈深綠,屬于高度富營養(yǎng)化的水體; at(440)處在6.0～9.0 m-1范圍,c(440)為15～35 m-1,葉綠素a質量濃度則為75～115 mg/m3.

希平水塘:位于廈門大學翔安校區(qū),也屬封閉性內陸淡水區(qū),面積約為4 000 m2,水深最大約8 m;岸邊和底質為黃泥土,水色呈黃綠;at(440)為2.5～4.0 m-1,c(440)為14～20 m-1,葉綠素a質量濃度則為15～35 mg/m3.

2 浮體結構陰影影響的規(guī)避

浮體結構是指實現(xiàn)SBA浮標功能的平臺,主要包括ProfilerⅡ主機、浮體以及增高支臂所構成的整體.浮體結構對測量的影響主要作用于輻亮度測量.本研究發(fā)現(xiàn),在不同的光照條件下,浮體結構對測量有不同的影響,以下將分別以晴天和陰天這兩類測量條件來闡述浮體結構所帶來的影響.

本研究以單探頭SBA測量值為無浮體結構影響對照.單探頭SBA是指利用長桿將安裝有遮光錐的光譜儀伸出至測量區(qū)域進行測量,同時輻亮度光譜儀豎直安裝在岸上的高處測量下行輻照度.這種測量形式僅受遮光錐自陰影影響.在評估浮體結構對測量帶來的影響時,引入波段平均相對誤差(average percentage error,APE)以供說明,其計算方法如下式:

其中,xi為參考值,yi為受到影響的測量值,n表示波段數(shù).

2.1晴天實驗

測量在希平水塘完成,當天水體at(440)約為2.5 m-1,c(440)約為17 m-1.實驗期間,天空幾乎無云,但有輕微霧霾,總體來看光照條件十分穩(wěn)定.該實驗采用2套高光譜儀(Satlantic公司),分別來自ProfilerⅡ系統(tǒng)和HSAS (hyperspectral surface acquisition system),實驗前先對2套光譜儀進行比對.2個輻亮度光譜儀對著同一個方向的藍天同時測量,計算Srs(Lsky與Ed的比值)后進行比較,結果見圖3.以HSAS光譜儀結果為參考值的APE為1.2%,2套光譜儀的測量結果幾乎一致.

進行SBA測量時,2種形式所采用的遮光錐尺寸一致,結果比對時暫不考慮自陰影校正.其中ProfilerⅡ光譜儀用作單探頭測量,浮子系統(tǒng)SBA使用HSAS光譜儀.對于浮子系統(tǒng)SBA,首先假設輻亮度光譜儀觀測方位角φ=0°時為最佳觀測幾何,故測量時控制φ=0°.在不同的太陽天頂角(θ0)下分別進行3組比對測量,計算Rrs(SBA測量結果均未進行自陰影校正)并比較,結果分別如圖4(a)、(b)和(c)所示.2種方式測得的光譜非常接近,各組以單探頭為參照的APE均小于7%,主要由光譜在藍光及紅光波段處的差別引起,計算時在該處的分母較小.

另外,隨著SBA輻亮度光譜儀觀測方位角的改變,浮體結構對測量影響也發(fā)生改變.輻亮度光譜儀觀測方位角處在90°～270°內,光線很可能會被浮體結構遮擋,那么測得的離水輻亮度值將會偏小.在以上實驗的同一天及相同的實驗區(qū)域,θ0約為65°時,浮子系統(tǒng)SBA分別測量φ=0°,45°,90°,135°和180°時的光譜值,具體光譜見圖5(a);而它們相對于單探頭SBA光譜值的相對誤差見圖5(b),APE則分別為7.7%,6.3%,10.2%,21.7%和39.8%.因為SBA的測量情況關于太陽光入射平面對稱,故只設置了單邊不同觀測方位角的測量.

晴天的內陸水體實驗結果顯示,SBA浮體結構對輻亮度測量的影響視輻亮度光譜儀的觀測方位角而定.測量時須注意保持輻亮度光譜儀的觀測方位角處于0°～90°和270°～360°的范圍內,此時SBA浮體結構帶來的影響可以忽略.

圖3　2套光譜儀的比較Fig.3 Comparison of the two sets of radiometers

圖4　浮子系統(tǒng)SBA與單探頭模式的結果比較Fig.4 Comparison between floating SBA and the radiometer-only mode

2.2陰天實驗

實驗結果同樣在希平水塘獲得,全程僅采用HSAS光譜儀.當天水體at(440)約為3.8 m-1,c(440)約為20 m-1,測量期間天空布滿厚云,光照強度一直穩(wěn)定在較低的水平,各方向的光照強度相差不大.由于陰天無法看到太陽,根據(jù)太陽理應出現(xiàn)的方向確定浮子系統(tǒng)SBA的觀測方位角φ,光譜結果見圖6 (a),結果同樣未考慮自陰影校正.陰天的情況下,φ= 90°～180°測得的遙感反射率與φ=0°～90°測得結果差別不如晴天時明顯.晴天時,太陽直射光的存在使得φ=0°～90°范圍內能接收到更多的光子,而φ=90°～ 180°時浮體結構的存在會擋住大量的太陽直射光光子,從而測得明顯偏小于φ=0°～90°的結果.陰天時各來向的光子數(shù)量基本一致,處于任何觀測方位角其浮體結構所阻擋的光子量也基本一致,故90°～180°的測量值與φ=0°～90°的結果沒有顯著差別.

相比之下,陰天時被浮體結構阻擋的光子比例更高,所以單探頭模式下測得的SBA光譜與浮子系統(tǒng)SBA有較明顯的差別,各觀測方位角的結果相對于單探頭SBA光譜值的相對誤差如圖6(b)所示,其誤差譜線與晴天的情況不同.晴天時,浮體結構引起的誤差主要來源于藍光和紅光波段;陰天時,浮體結構引起的誤差在各波段都比較平均.在陰天條件下,浮體結構對SBA的離水輻亮度測量有明顯影響.

圖5　晴天時浮體結構對SBA測量的影響Fig.5 Influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument in sunny days

圖6　陰天時浮體結構對SBA測量的影響Fig.6 Influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument in overcast days

3 自陰影效應的校正

3.1自陰影校正模型

Gordon等[2]利用蒙特卡羅模擬法對水下光學輻射計的自陰影作用進行了研究,發(fā)現(xiàn)儀器自陰影引起的誤差與陰影半徑、水體總吸收系數(shù)以及太陽直射條件相關.在忽略橫向進入儀器陰影區(qū)的散射光前提下(即at?b,其中b為水體的總散射系數(shù)),使用統(tǒng)一的式(4)估算分別以太陽直射光和天空漫射光為光源的自陰影誤差ε,然后根據(jù)不同的光照條件(以天空漫射光與太陽直射光的比例作為指示)計算總誤差εt(式(5)):

式(4)中:當以太陽直射光為光照來源,k是一個與θ0相關的系數(shù),隨θ0的減小而增大,而以天空漫射光為來源的情況則k取定值4.61,相當于θ0為36°左右對應的太陽光k值;R為陰影半徑,如圖7所示.由式(4)可知,自陰影誤差主要由at、R以及θ0決定.本研究所討論的陰影半徑R一般為遮光錐末端半徑,在其他條件相同的情況下,R越大自陰影誤差越大;同樣地,水體總吸收系數(shù)at與系數(shù)k越大,自陰影誤差也越大. 式(5)中:f為下行天空光輻照度與下行太陽光輻照度的比值;εsun表示以太陽直射光為光源的自陰影誤差, εsky表示以天空漫射光為光源的自陰影誤差.f值是表征光照條件的參數(shù),由Hydrolight軟件模擬計算而來:輸入經(jīng)緯度、時間以及云量即可得到對應的天空漫射光輻照度及太陽直射光輻照度,進而得到比值.天空中的云越多,f值越大,光照條件則偏向于天空漫射光主導,削弱太陽直射光條件對誤差的貢獻.在θ0較小的情況下,自陰影誤差處于較高水平,在同等情況下,云量的增多會降低總的誤差.

該模型僅適用于θ0在10°～70°范圍.θ0過大時,陽光來向接近于水平,大部分光將被水表面反射,來自水體的光信號將被大大削弱;當θ0接近于0°,儀器視場角全部位于儀器自陰影區(qū)域內,輻亮度計能接收到的光信號主要來自于被橫向散射的光子[6],這與模型建立的假設條件相違背.因此,對于該模型在較低θ0情況的使用,Gordon等[2]給出了嚴格的量化條件:θ0接近20°時,總吸收系數(shù)at和陰影半徑R的乘積需滿足atR≤0.03;θ0接近10°時,atR≤0.01;否則該模型失效.Zibordi和Ferrari在瓦雷澤湖利用實測數(shù)據(jù)計算自陰影誤差[7],實測誤差與Gordon的模型結果一致性較好,證實該模型具有較可靠的實用性.

圖7　儀器自陰影示意圖Fig.7 Schematic diagram of instrument self-shading

圖8　不同太陽天頂角的GER(a)和SBA(b)遙感反射率結果(2014-07-10)Fig.8 The Rrsresults of GER(a)and SBA(b)at different solar zenith angles(2014-07-10)

3.2Cone45實驗

圖8(a)顯示的是在芙蓉湖不同θ0下的GER光譜結果.GER光譜間并沒有明顯的差異,可證明芙蓉湖水體光學性質相對穩(wěn)定.圖8(b)則為不同θ0下的SBA光譜結果,SBA光譜均已經(jīng)過自陰影校正.θ0= 14°的遙感反射率結果明顯偏高于θ0>14°的情況,原因是Gordon的自陰影校正模型在該情況下已經(jīng)失效(atR>0.03).在θ0較小時,自陰影校正模型失效的表現(xiàn)是誤差值被高估.對于芙蓉湖這樣具有高吸收性質的水體,即便是θ0相對較大(θ0=55°),其在410 nm波段處的自陰影誤差也高達73%.巨大的誤差容易導致不穩(wěn)定.θ0分別為55°,41°和28°的光譜在680～740 nm處幾乎一致,其原因是自陰影誤差在該波段范圍內最高值不超過50%,均處于相對較小的水平.由于水體吸收系數(shù)和太陽天頂角都屬于自然條件,僅能遵循不可改造,所以本研究從陰影半徑入手,減小陰影半徑以達到減小陰影誤差和擴大自陰影校正模型的太陽天頂角使用范圍的目的.

3.3Cone22實驗

對于相同的測量條件,減小遮光錐尺寸是降低自陰影誤差的唯一方法.為了最大幅度地降低自陰影誤差和擴大SBA在內陸水體的使用條件(針對太陽天頂角的限制),我們根據(jù)光譜儀的結構專門研制出最大半徑僅有2.2 cm的Cone22(Cone22安裝在光譜儀上的情況詳見圖2).由于Cone22直徑小于光譜儀直徑,其產(chǎn)生的陰影面積需分2種情況考慮:當θ0大于圖7所示的臨界角度θ0'時,陰影半徑以2.2 cm計算;θ0小于此角度則以儀器的垂直投影半徑3.0 cm計算.經(jīng)過計算得到該臨界角度為11.3°.

圖9　不同太陽天頂角測得的SBA與GER光譜結果Fig.9 Spectra results of SBA and GER under different solar zenith angles

實驗同樣安排在芙蓉湖進行,當天水體at(440) 為6.0 m-1,天氣晴轉多云,測量期間天空有塊狀云.測量時間為12時至15時,θ0變化范圍為10°～43°,每隔0.5 h進行1次測量,每組測量包括單探頭模式的SBA 2次(Cone45與Cone22各1次)以及GER 1 次,具體結果如圖9所示.GER結果為多次結果的平均值,作為判斷SBA結果是否自陰影校正成功的參照.在θ0=10°時,對于Cone22,需滿足條件atR< 0.01的總吸收系數(shù)值約為0.45 m-1,而該水體吸收系數(shù)在405～745 nm范圍內均大于0.9 m-1,故Cone22的校正光譜理應在各個波段均高于GER光譜.事實上,Cone22的SBA光譜與GER光譜在大部分波段一致,原因是一定量云的存在使f變大,從而降低了太陽光組分在自陰影誤差中的貢獻.但校正后Cone45的SBA光譜明顯高于GER光譜,主要原因是Cone45產(chǎn)生的陰影區(qū)域過大.在θ0=12°時, Cone22的SBA光譜基本已經(jīng)與GER一致;而隨著θ0的逐漸變小,Cone45的SBA光譜也逐漸從偏高的位置向Cone22的SBA光譜和GER光譜靠攏,在θ0=37°時基本與其他2組光譜一致,θ0=43°時3條光譜更為接近.針對本次實驗情況,R從4.5 cm減小至2.2 cm,自陰影校正模型的有效使用限制從θ0約37°降低至約12°.雖然前3次測量時云量較大,為模型的使用創(chuàng)造了有利的條件,但總的來說減小遮光錐尺寸的效果還是非常明顯,對SBA在內陸水體中的使用具有重要意義.

4 結 論

1)SBA輻亮度光譜儀處在不同觀測方位角時,浮體結構對離水輻亮度測量值的影響是不同的:在晴天,觀測方位角處于0°～90°以及270°～360°時,浮體結構帶來的影響可以忽略,所以SBA測量時需保證其輻亮度光譜儀的觀測方位角處于該范圍內;在陰天,浮體結構對各個觀測方位角的離水輻亮度測量值均有顯著的影響,即陰天情況下現(xiàn)有的浮子系統(tǒng)SBA可能并不適用.

2)當太陽天頂角較小時,水體吸收系數(shù)較大的波段使用自陰影校正模型容易失效,使用時應嚴格遵守模型給出的量化條件.

3)在高葉綠素內陸水體進行SBA測量時,相對于原來使用的Cone45,Cone22能在太陽天頂角方面拓寬Gordon自陰影校正模型的使用.根據(jù)實驗結果,陰影半徑從4.5 cm減小至2.2 cm后,自陰影模型的最小使用臨界太陽天頂角由約37°降至約12°.

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Study on the Shading Issue of SBA in High-chlorophyll Waters

CHEN Xulei1,2,LIN Gong1,3,SHI Lianghai1,3,SHAN Yujie1,3,SHANG Shaoling1,3*
(1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Xiamen University,
2.College of the Environment& Ecology,Xiamen University,
3.College of Ocean& Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Abstract:Skylight-blocked approach(SBA),developed in 2013,was an innovative method to directly measure water-leaving radiance based on the floating structure,and its key part was the skylight-blocking cone.The shading effect caused by the floating structure and cone,however,is not known yet.In this study,SBA system was established according to the previous study,and the influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument was evaluated.It was found that the influence was negligible when the observation azimuth angle of the upwelling radiance radiometer was 0°to 90°and 270°to 360°in sunny days;while the influence was significant at all observation azimuth angles in overcast days,so the floating SBA may not be applicable in such weather conditions.The self-shading of cone would make the critical minimum zenith angle of the self-shading correction model decrease from 37°to 12°,when the radius of shading zone decreased from 4.5 cm to 2.2 cm in high-chlorophyll waters(ρ(Chl)>50 mg/m3).

Key words:skylight-blocked approach(SBA);floating structure;self-shading;skylight-blocking cone

*通信作者:slshang@xmu.edu.cn

基金項目:國家科技支撐計劃項目(2013BAB04B00)

收稿日期:2015-06-30 錄用日期:2015-09-11

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.010

中圖分類號:P 76

文獻標志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0203-07

引文格式:陳旭磊,林供,石良海,等.天空光遮蔽法在高葉綠素水體中的陰影問題研究[J].廈門大學學報(自然科學版),2016, 55(2):203-209.

Citation:CHEN X L,LIN G,SHI L H,et al.Study on the shading issue of SBA in high-chlorophyll waters[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):203-209.(in Chinese)