近岸及內(nèi)陸二類水體漫衰減系數(shù)的遙感反演研究進(jìn)展

王積峰，況潤元，袁 爽

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

漫衰減系數(shù)作為水體表觀光學(xué)量的一個(gè)重要參數(shù)，能夠反映出水下的光場結(jié)構(gòu)，是影響水生態(tài)系統(tǒng)的重要因素[1]，水體漫衰減系數(shù)的變化影響著水生植被生長、魚類生存等[2]。水體漫衰減系數(shù)常用于估算水體透明度、真光層深度以及初級生產(chǎn)力[3-8]，在湖泊水質(zhì)監(jiān)測中，可以對水體的富營養(yǎng)化程度進(jìn)行評估[9]。因此，水體漫衰減系數(shù)的研究對水體光學(xué)性質(zhì)、水下光場以及水生態(tài)環(huán)境的深入研究具有重要意義。

目前，對于水體漫衰減系數(shù)的獲取常規(guī)方法是基于船載或平臺(tái)的方式利用水下光譜儀進(jìn)行實(shí)地測量，該方法快速、簡便，但對于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測大面積水體漫衰減系數(shù)的時(shí)空變化，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。遙感技術(shù)具有大面積、動(dòng)態(tài)覆蓋等優(yōu)勢，能夠彌補(bǔ)常規(guī)測量方法耗時(shí)耗費(fèi)的缺陷，尤其是監(jiān)測人員較難到達(dá)的區(qū)域，因而逐漸成為監(jiān)測水體漫衰減系數(shù)的重要且有效的手段之一。

近岸及內(nèi)陸二類水體是與人們生活關(guān)系最密切、受人們活動(dòng)影響最劇烈的區(qū)域，對于該區(qū)域的黃色物質(zhì)、懸浮泥沙和葉綠素a濃度等相關(guān)綜述較多[10-13]，而漫衰減系數(shù)遙感的相關(guān)綜述鮮有報(bào)道。本文對國內(nèi)外漫衰減系數(shù)的遙感研究進(jìn)行了系統(tǒng)地歸納，為進(jìn)一步開展漫衰減系數(shù)遙感反演工作提供參考。

1 漫衰減系數(shù)概述

太陽光到達(dá)水面后，一部分反射空中，另一部分透射進(jìn)水中，這部分透射的光輻射即為水下光能的主要源頭，它決定著各類水生動(dòng)植物的生存。透射海中的光能在海水及其組分懸浮物質(zhì)、葉綠素的吸收、散射作用下，隨著深度增加而呈指數(shù)遞減[14]，即水體漫衰減系數(shù)，作為一種重要的水體光學(xué)參量，漫衰減系數(shù)Kd定義[15]

(1)

式(1)中：z為從參考水層到測量處的深度；Ed(λ,z)為深度z處的下行輻照度。

國內(nèi)外學(xué)者對漫衰減系數(shù)的研究，主要始于上世紀(jì)70年代。研究區(qū)域包括海洋、海灣及近海、湖泊等。研究者通過分析水體漫衰減系數(shù)特性，建立了基于表觀光學(xué)參量(輻照度、輻亮度、遙感反射率等)、固有光學(xué)參量(如吸收系數(shù)、散射系數(shù)、后向散射系數(shù)等)反演漫衰減系數(shù)的算法。

目前水體漫衰減系數(shù)獲取的方法主要有兩種，一是基于船載或平臺(tái)的方式利用水下光譜儀實(shí)地測量的傳統(tǒng)測量方法，該方法屬于單點(diǎn)實(shí)測，要獲取大面積，實(shí)時(shí)性的漫衰減系數(shù)時(shí)空變化是比較困難的；一是建立實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與漫衰減系數(shù)間的關(guān)系，通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)漫衰減系數(shù)定量反演，它能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)漫衰減系數(shù)測量方法的不足，尤其是測量人員較難到達(dá)的區(qū)域，為繼續(xù)深入開展漫衰減系數(shù)的研究指明了方向。

漫衰減系數(shù)遙感反演算法主要有經(jīng)驗(yàn)法和半解析法，其中經(jīng)驗(yàn)法是基于實(shí)測的生物-光學(xué)數(shù)據(jù)，建立漫衰減系數(shù)與遙感反射率之間的關(guān)系模型。半解析法是基于輻射傳輸模型，利用固有光學(xué)參量和表觀光學(xué)參量間的關(guān)系建立算法。

2 漫衰減系數(shù)估算方法

2.1 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是基于漫衰減系數(shù)與遙感反射率之間的關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)方法建立模型，或者引入葉綠素濃度作為中間參數(shù)來反演漫衰減系數(shù)。比如Austin等[16]利用Rrs(443)/Rrs(555)兩波段遙感反射率的比值提出了針對CZCS傳感器反演清潔水體的Kd(490)算法，反演結(jié)果良好。Muller等[17]采用Lwn(490)/Lwn(555)兩波段的歸一化離水輻亮度比值，提出了針對SeaWiFS傳感器反演一類水體Kd(490)的算法，結(jié)果表明：當(dāng)Kd(490)小于0.25時(shí)，Kd(490)與Lwn(490)/Lwn(555)呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)。Jamet[18]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來搭建SeaWiFS傳感器的Kd反演模型，得出Kd(490)>0.25 m時(shí)，模型精度最好；在MERIS和MODIS-AQUA傳感器上也得到了較好的結(jié)果。

在國內(nèi)，王曉梅等[19]通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)與遙感反射率之間的關(guān)系，以490 nm、555 nm、670 nm三個(gè)波段組合建立了漫衰減系數(shù)的反演算法，討論了光譜漫衰減系數(shù)和Kd(490)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Zhang等[20]通過對NOMAD和COASTLOOC兩個(gè)數(shù)據(jù)集分析得出Kd(490)與遙感反射率成指數(shù)關(guān)系，由此利用波段比值求對數(shù)的方法分別建立清水區(qū)和濁水區(qū)的Kd(490)反演模型。崔廷偉等[21]利用模擬波段組合的方式，建立實(shí)測Kd(490)和遙感反射率之間的關(guān)系模型，從而得出最適合于渤海近岸水體的漫衰減系數(shù)反演算法，即：

(2)

反演精度為R2=0.902，APD=18.4%，RMS=0.094 m-1。同時(shí)引入±5%的誤差，檢查該模型反演結(jié)果的誤差波動(dòng)情況，并分析其誤差敏感性，結(jié)果表明平均誤差的波動(dòng)在9%左右，均方根誤差的波動(dòng)在0.035 m-1上下，從而得出模型對輸入端的誤差不敏感，是可靠穩(wěn)定的。將該模型作用到MERIS傳感器成像影像上，分析研究區(qū)漫衰減系數(shù)的空間分布格局。樂成峰等[22]通過實(shí)測光譜數(shù)據(jù)分析太湖水體遙感反射率光譜曲線特征及影響因子，得出與Kd(490)相關(guān)性最好的波段為(731 nm、675 nm、550 nm)。

王珊珊等[23]通過分析實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與GOCI傳感器各波段遙感反射率之間的相關(guān)性，得出遙感反射率與Kd(490)呈現(xiàn)正性相關(guān)；從而建立了基于GOCI傳感器太湖Kd(490)反演算法，即：

Kd(490)=436.581R745+290.84R660-448.66R555+6.970

(3)

其中R2=0.737，MAPE=28.6%，RMSE=1.495 m-1,模型的普適性較好。金鑫等[24]首先分析了巢湖水體漫衰減系數(shù)的特征和影響因子，利用敏感波段590 nm、700 nm、842 nm建立Kd(490)遙感反演算法，即：

(4)

其中R2=0.911，利用相關(guān)性最大的842 nm處的Rrs與Kd(490)建立的單波段模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出多元回歸模型對Kd進(jìn)行遙感反演的效果更優(yōu)。最后，根據(jù)巢湖各波段與Kd之間的關(guān)系模型，對漫衰減系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化。徐祎凡等[25]首先分析了三峽水庫漫衰減系數(shù)的特性及影響因素，然后利用HJ衛(wèi)星第二、三、四波段構(gòu)建Kd(490)反演模型，并討論了研究區(qū)漫衰減系數(shù)的空間分布。吳婷婷等[26]通過對野外實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得出漫衰減系數(shù)與光譜比值成分段線性關(guān)系，即當(dāng)Rrs(555)/Rrs(490)<1時(shí)，為線性；Rrs(555)/Rrs(490)>1時(shí),為離散；從而分別建立Kd(490)的反演模型。陳雨等[27]通過實(shí)測數(shù)據(jù)找出與Kd(490)最為敏感的三個(gè)波段510 nm、590 nm、670 nm來建立研究區(qū)漫衰減系數(shù)反演模型，利用2012年和2013年實(shí)測數(shù)據(jù)建立了長江口及其鄰近海域的冬季Kd(490)反演算法，即：

(5)

模型精度為R2=0.916，APD=12.43%，RMS=0.093 m-1；而且建立了長江口鄰近海域的Kd(490)與Kd(PAR)的關(guān)系。

這類直接利用遙感反射率與實(shí)測數(shù)據(jù)間的相關(guān)性反演的經(jīng)驗(yàn)算法，優(yōu)點(diǎn)是簡便適用，且反演精度較好。但是由于此模型受到二類水體光學(xué)性質(zhì)的限制，無論是在時(shí)間維度還是空間維度上，都缺少普適性，且模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)源受人為因素影響較大。

很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[28-36]，水體中的葉綠素a濃度與漫衰減系數(shù)具有很高的相關(guān)性，從而將葉綠素a濃度作為中間參數(shù)進(jìn)行漫衰減系數(shù)遙感反演。如Morel[37]將葉綠素濃度作為中間參數(shù)，建立了漫衰減系數(shù)與葉綠素濃度間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。張運(yùn)林[38]利用統(tǒng)計(jì)方法建立了太湖水體漫衰減系數(shù)與葉綠素a之間的多元線性方程，并分析了影響太湖水體漫衰減系數(shù)的主要因素。

2.2 半解析法

半解析法是以光在水下的輻射傳輸理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建固有光學(xué)參數(shù)和表觀光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，以估算水體漫衰減系數(shù)。該方法具有很好的物理解釋。

針對經(jīng)驗(yàn)算法在普適性和區(qū)域性上的局限，許多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了以物理和數(shù)學(xué)公式為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感反射率與水體表觀參量、固有參量等之間的關(guān)系，構(gòu)建水體漫衰減系數(shù)的反演模型。如Smith and Baker[39]基于輻射傳輸理論，利用純水的吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)之和，從而獲得純水的漫衰減系數(shù)。Morel and Loisel[40]利用輻射傳輸方程對水體的固有光學(xué)參數(shù)和表觀光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了改進(jìn)，得到水下真光層的漫衰減系數(shù)與固有光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。Kirk[41]利用Monte Carlo數(shù)值方程，分析了真光層的漫衰減系數(shù)與吸收系數(shù)、散射系數(shù)之間的關(guān)系，并依據(jù)輻射傳輸理論探討了在不同b/a比值下，水體組分對漫衰減系數(shù)的貢獻(xiàn)。

Lee[42]以輻射傳輸理論，基于Kd與太陽天頂角、水體吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建了Kd反演算法，即：

Kd(λ)=(1+0.005θ0)α(λ)+4.18{1-0.52exp[-10.8 α(λ)]}bb(λ)

(6)

Doron[43]假定709 nm處后向散射系數(shù)與輻照度呈現(xiàn)線性相關(guān)，從而利用波段490 nm和709 nm處輻照度估算出a(490)和bb(490)，再利用Lee半分析算法來估算Kd(490)。Wang[44]在Lee半分析算法中引入了權(quán)重，對使得該算法同時(shí)適用于大洋清潔水體和沿岸的渾濁水體。戴紅亮等[45]根據(jù)太湖水體組分光學(xué)參量之間的相關(guān)性，結(jié)合QAA算法[46]和光學(xué)閉合原理，求解水體的漫衰減系數(shù)反演模型，其實(shí)測值與反演值誤差為31.3%，研究證明該模型具有較好的精度和穩(wěn)定性。劉忠華等[47]基于光學(xué)閉合原理，利用野外測量數(shù)據(jù)求出總的吸收系數(shù)a(490)和后向散射系數(shù)bb(490),結(jié)合模擬HJ衛(wèi)星上多光譜波段的遙感反射率，構(gòu)建了太湖春季水體漫衰減系數(shù)反演模型。

然而，該方法受到觀測儀器的限制，以及算法中很多參數(shù)以現(xiàn)有的設(shè)備無法獲取，因此很難廣泛應(yīng)用。此外，模型中某些參數(shù)常通過經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的方法計(jì)算，從而影響了其精度。

3 展 望

盡管國內(nèi)外眾多學(xué)者在二類水體漫衰減系數(shù)遙感方面做了大量工作、取得了很大進(jìn)展，但也存在一些問題：漫衰減系數(shù)的遙感反演主要以經(jīng)驗(yàn)方法為主，模型的普適性差；以輻射傳輸理論為基礎(chǔ)的半分析算法，引入的固有參量和表觀參量[48]受到區(qū)域和人為因素等限制，影響了漫衰減系數(shù)的反演精度。

關(guān)于二類水體的漫衰減系數(shù)遙感反演，今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：① 近岸及內(nèi)陸二類水體光學(xué)性質(zhì)是比較復(fù)雜的，不同區(qū)域的水體，其光學(xué)特性差異明顯，且季節(jié)性變化很大。因此，構(gòu)建適用于特定區(qū)域反演算法是有必要的，且區(qū)域模型研究有助于全球二類水體漫衰減系數(shù)遙感的進(jìn)一步發(fā)展；② 深化對已有傳感器在漫衰減系數(shù)遙感中的研究，不斷將新的數(shù)據(jù)源應(yīng)用于漫衰減系數(shù)的遙感反演，新的傳感器往往具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，如我國高分系列衛(wèi)星和資源衛(wèi)星等；③ 將多種遙感數(shù)據(jù)融合，以提高漫衰減系數(shù)反演的精度，并且研究水生態(tài)環(huán)境和水資源利用對漫衰減系數(shù)的影響；④ 優(yōu)化野外數(shù)據(jù)采集方法。盡可能多的選取最具代表的特征點(diǎn)，適宜的采集時(shí)間，從而減少影響因子和提高反演精度；⑤ 針對二類水體大氣校正算法的研究。光在大氣中的傳輸是遙感成像質(zhì)量最為關(guān)鍵的因素之一，而漫衰減系數(shù)作為水下光學(xué)的一種參數(shù)，大氣校正的準(zhǔn)確與否直接決定漫衰減系數(shù)遙感反演模型的精度。因而建立適用于二類水體的大氣校正算法是有必要的；⑥ 深入研究漫衰減系數(shù)在水體光學(xué)中的性質(zhì)及影響因素，確定其關(guān)系的物理意義，結(jié)合輻射傳輸理論，建立具有普適性的反演算法。