淺海底質(zhì)高光譜反射率測量系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

曾 凱， 許占堂， 楊躍忠， 張 雨， 周 雯， 李 彩， 黃 暉

1. 中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室， 廣東省海洋遙感重點(diǎn)實驗室， 廣東 廣州 510301 2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室， 廣東 廣州 511458 3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 4. 中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物重點(diǎn)實驗站， 海南 三亞 572000

引 言

海底光譜反射率是海草、 珊瑚礁遙感等光學(xué)淺水遙感的核心參數(shù)， 它反映著光學(xué)淺水中輻射傳輸?shù)牡撞啃盘朳1]。 且海底反射率是目標(biāo)物結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的函數(shù)， 是光學(xué)參數(shù)和海底底質(zhì)構(gòu)成之間關(guān)系的體現(xiàn)[2]， 因此， 光學(xué)淺水遙感圖像分類和專題圖的生成最終依賴于海底不同底質(zhì)之間光譜反射率的差異。

在光學(xué)淺水海洋遙感的應(yīng)用中， 水表的遙感反射率不僅包含了水草、 砂石、 珊瑚和其他底棲物質(zhì)的信息， 也包含了海底上層水體的信息如懸浮物、 葉綠素及水體固有的吸收散射特性等[1, 3]。 為了提取珊瑚和海草等淺水底質(zhì)環(huán)境分布特征， 淺水海洋遙感需要從表面獲取的離水輻亮度中剔除底質(zhì)上層海水光學(xué)信號的影響， 淺海水體信息的提取需要剔除海底反射光的干擾， 而光線多次經(jīng)過水體傳輸， 能量衰減加劇， 水體本身成為削弱海底反射信息的重要因素[4]。 為了從遙感信號中提取底質(zhì)信息， 必須準(zhǔn)確校正水體的影響， 這需要知道像元尺度上的水深以及水體的各項光學(xué)系數(shù)[5]， 而這些參數(shù)的獲取是一個難點(diǎn)。 水面狀況和水表反射光也影響遙感信號， 進(jìn)一步增加了海底底質(zhì)信息獲取的難度[6]。 針對以上問題， 有必要設(shè)計開發(fā)一套適用于淺海水域的現(xiàn)場高光譜反射率測量系統(tǒng)， 為光學(xué)淺水底質(zhì)信息提取提供精確便捷的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

Miyazaki等設(shè)計了兩個光纖探頭， 分別在海底以及實驗室培養(yǎng)兩種情況下采用直接測量法測量珊瑚的上行輻亮度和下行輻照度， 進(jìn)而計算底質(zhì)反射率[7]， 這是學(xué)者首次對海底底質(zhì)光譜反射率測量方法的嘗試， 然而這種測量方法受光學(xué)探頭擺放位置不同的影響， 導(dǎo)致水下光程測量的差異引入的測量誤差； 實驗室與水下光場的巨大差異， 更無法保證數(shù)據(jù)測量結(jié)果的真實有效性； 也有其他的學(xué)者采用相對測量法設(shè)計了原位海底反射率采集設(shè)備[8-11]， 然而報道中采用的設(shè)備都是單通道測量， 對環(huán)境條件要求較高， 如嚴(yán)格要求無云晴朗天氣和平靜水域等條件， 利用不同探頭先后測量上行輻亮度和下行輻照度來計算反射率， 但由于儀器自陰影和水下光場環(huán)境迅速變化等因素影響， 并不能保證前后輻射測量過程中光場環(huán)境的一致性， 誤差較大且難以避免。

我國學(xué)者通過采樣直接測量反射和入射輻射強(qiáng)度來獲取珊瑚的光譜反射率， 如陳啟東等通過潛水采集珊瑚樣品取出水面， 在船上使用單通道探頭進(jìn)行光譜反射率測量[12]。 陳標(biāo)和陳永強(qiáng)等人采用實驗室培養(yǎng)的方法， 使用海洋光學(xué)光譜儀測量了三亞灣鹿回頭海域常見風(fēng)信子鹿角珊瑚的光譜反射率[13]， 并分析了珊瑚的光譜反射率特征。 采樣測量法在測量時難以保證采集的底質(zhì)樣品各種理化性質(zhì)不變， 且由于水體的吸收散射和水中微藻的存在， 水下原位與岸上空氣中反射率測量結(jié)果差異較大， 本工作對岸上沙灘和水下沙子底質(zhì)的反射率測量結(jié)果已經(jīng)證實這一點(diǎn)。 實驗室培養(yǎng)也無法實現(xiàn)野外環(huán)境包括波浪、 潮汐等因素的準(zhǔn)確模擬， 光源的穩(wěn)定性未知， 且這兩種方法破壞了珊瑚礁原有的光場環(huán)境， 無法確定其對遙感監(jiān)測的適用性。 楊超宇等利用自制的底質(zhì)反射率檢測儀對淺水海草、 珊瑚等進(jìn)行了光譜數(shù)據(jù)的初步獲取[14]， 而其使用單探頭測量， 有上文所說的單探頭局限性， 測量結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。

綜上， 現(xiàn)有的觀測方法， 一部分是將水下目標(biāo)物采集于空氣中測量其反射率來替代水底真實值； 另一部分是在水下利用單探頭進(jìn)行輻射測量。 目前Miyazaki的嘗試相對科學(xué)， 然而兩個探頭放置位置不同， 光程不同， 水下衰減不同， 且無法最大限度貼近目標(biāo)物， 目標(biāo)物反射角度與入射輻射測量角度的差異對結(jié)果亦會產(chǎn)生很大影響， 目前還不能達(dá)到較高的精度。 本文專門設(shè)計了一套適用于現(xiàn)場海面背景輻射、 海底珊瑚、 水草等適應(yīng)不同海洋界面光學(xué)特性測量的海底光譜反射率測量系統(tǒng)， 該系統(tǒng)配備有兩路光譜儀和光纖探頭， 實現(xiàn)雙通道同步輻射測量， 保證測量目標(biāo)物和標(biāo)準(zhǔn)反射板的數(shù)據(jù)獲取處在同一光場環(huán)境， 避免了因水下光場環(huán)境變化及各種人為因素對數(shù)據(jù)采集的影響， 目標(biāo)物與參考白板放置在同一并行位置， 消除因水體衰減帶來的測量誤差， 確保數(shù)據(jù)的真實有效， 并配有攝像頭進(jìn)行圖像采集用于測量對象鑒別及現(xiàn)場環(huán)境信息記錄等。 該系統(tǒng)具有原位高光譜測量、 雙通道同步、 積分時間自動調(diào)整和便攜式等特點(diǎn)。 是國際上首個海底高光譜反射率測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用， 為淺海底質(zhì)反射率的現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測和海洋光學(xué)研究提供了重要技術(shù)手段。

1 海底反射率測量系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 設(shè)計的理論基礎(chǔ)及總體方案

淺水海洋生態(tài)系統(tǒng)是多種生物結(jié)構(gòu)組合的多尺度組合生態(tài)系統(tǒng)， 形成不同的群落類型， 例如珊瑚礁、 海草、 大型藻類、 附著藻類、 碳酸鹽砂等。 這些群落類型中的每一種在理論上都有特征性的反射率(R)， 這提供了利用遙感識別它們的可能[15]。

表1 各符號意義

根據(jù)反射理論， 海底輻照度反射率R(z，λ)是在給定深度z處目標(biāo)物上行輻射Eu(z，λ)和下行輻射Ed(z，λ)的比值[16]

(1)

上行光譜輻照度和入射到平面的上行光譜輻亮度的關(guān)系為

(2)

海底反射率的測量采用相對測量法， 相對測量區(qū)別于直接測量目標(biāo)物的上行和下行輻射計算反射率。 通過已知反射率的白板作為參照， 設(shè)置白板與目標(biāo)物在同一位置， 同一高度、 同一反射角度測量其反射輻射， 將水體吸收衰減等未知環(huán)境變量控制為相同， 從而消除這些未知變量的影響， 得到更為精確的測量結(jié)果和數(shù)據(jù)， 由目標(biāo)物和參考白板反射的光譜信號以及白板的反射率確定待測目標(biāo)物的反射率。

由于波浪和水體環(huán)境等因素影響， 水下光場環(huán)境變化迅速。 根據(jù)已知參考白板和目標(biāo)物反射輻亮度L0(z，λ，t1)和Lu(z，λ，t2)可得到目標(biāo)物的光譜反射率R(z，λ)

(3)

為獲取數(shù)據(jù)的真實有效性， 需保證目標(biāo)物和白板反射輻射測量過程中的光場環(huán)境相同， 因而除保證距離接近以使所處水體環(huán)境相同以外， 還應(yīng)保證反射輻射數(shù)據(jù)的同時獲取， 即t1=t2， 避免因水體環(huán)境迅速變化所引起的誤差

(4)

由(4)式可知， 通過目標(biāo)物和參考白板反射輻亮度Lu和L0及已知參考白板反射率ρ可推算出目標(biāo)物反射率R。 根據(jù)以上原理設(shè)計海洋界面高光譜反射率測量系統(tǒng)， 儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示， 主要包括控制系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)兩部分， 其中控制系統(tǒng)包括作為總控核心的PC/104嵌入式電腦， 擴(kuò)展的復(fù)合功能板， 供電裝置； 光學(xué)系統(tǒng)包括兩通道并行的微型光纖光譜儀和光學(xué)傳感器探頭， 一個紅外攝像頭用于圖像采集； 還配有深度和GPS探頭用于輔助參數(shù)輸入。

圖1 海底反射率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 光纖光譜儀及光纖探頭

系統(tǒng)配備有兩個水下光譜輻亮度探頭， 由窗口玻璃、 中性衰減片、 光孔光欄、 光纖及水密圈組成， 光線入射視場角10°[17]。 兩路光纖探頭分別連接兩個光譜儀， 實現(xiàn)雙通道同步測量， 圖2所示為輻亮度探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)與實物示意圖， 光纖光譜儀采用了具有高靈敏度、 高信噪比的薄型背照式CCD面陣探測器， 具有高達(dá)90%的量子效率， 光譜分辨率小于1 nm， 具有高分辨率、 動態(tài)范圍較大和優(yōu)秀的紫外響應(yīng)能力等特點(diǎn)。

圖2 (a)輻亮度探頭結(jié)構(gòu)示意圖； (b)輻亮度探頭示意圖

1.3 控制系統(tǒng)

儀器控制系統(tǒng)選用PC/104 CPU主板為系統(tǒng)核心模塊， 正常工作功率為4.4 W， 工作溫度為0～60 ℃， 具有穩(wěn)定、 低功耗的特點(diǎn)， 滿足海底現(xiàn)場測量工作要求。 自主設(shè)計的海底反射率數(shù)據(jù)采集和處理軟件在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行。 采集軟件可設(shè)置單次采樣時間、 采樣間隔和采樣方式， 包括按時間點(diǎn)和時間段兩種不同采樣方式， 光譜數(shù)據(jù)采集積分時間根據(jù)光學(xué)特性測試中確定的CCD線性特征進(jìn)行自動調(diào)整， 控制界面可實時顯示數(shù)據(jù)采集狀態(tài)， 包括通訊設(shè)置、 數(shù)據(jù)顯示、 定位地圖和數(shù)據(jù)監(jiān)控四個監(jiān)測設(shè)置界面(圖3)。

圖3 (a)采集軟件通訊設(shè)置界面； (b)采集軟件數(shù)據(jù)顯示界面

Fig.3 (a) Communication setting interface of the acquisition software； (b) Data display interface of the acquisition software

2 實驗室輻射標(biāo)定及初步試驗

為了將測量的碼值信號轉(zhuǎn)化為輻射能量值， 需要在實驗室對輻亮度探頭進(jìn)行輻射定標(biāo)， 為了校正波段位置， 光譜波長定標(biāo)也必不可少。 本儀器理論偏差小于1 nm， 選用Ocean Optics公司的HG-1型汞-氬燈標(biāo)準(zhǔn)光源光譜儀示值波長進(jìn)行標(biāo)定。 此外， 參考白板是獲取入射光并消除水體復(fù)雜光程衰減引入誤差的關(guān)鍵部件， 為適應(yīng)不同海底環(huán)境條件， 所設(shè)計白板可伸縮調(diào)節(jié)探頭與白板距離， 且可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)反射角度， 需利用標(biāo)準(zhǔn)光源在實驗室標(biāo)定不同反射角度下的白板反射率。

為了確保準(zhǔn)確性， 首先對儀器進(jìn)行實驗室測試， 在實驗室對綠藻、 紅樹林樹苗和其他綠色植被進(jìn)行反射率測量試驗， 紅樹林樹苗光譜反射率曲線如圖4(a)所示， 結(jié)果顯示， 400～500 nm波段平均反射率很低， 小于0.05， 光譜反射率曲線的形狀平緩； 500～650 mn波段反射光譜曲線具有波峰的形態(tài)和中等的反射率數(shù)值， 在0.1左右； 650～690 nm的反射光譜曲線具有波谷的形態(tài)和很低的反射率數(shù)值， 在0.05左右； 反射光譜曲線在690～710 nm波段急劇上升， 具有陡而近于直線的形態(tài)。 以上數(shù)據(jù)結(jié)果符合紅樹林光譜反射率特征[18]， 初步驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

3 原位海底反射率試驗

于2018年9月3日—8日， 選定三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)及附近海域進(jìn)行現(xiàn)場測量試驗， 三亞珊瑚礁國家級自然保護(hù)區(qū)(109°20′50″E—109°40′30″E， 18°10′30″N—18°15′30″N)位于三亞市南部近岸海芋， 由3塊區(qū)域組成， 即亞龍灣片區(qū)、 鹿回頭半島-榆林角片區(qū)、 東西瑁洲島片區(qū)(圖5)。

圖4 (a)紅樹林樹苗光譜反射率曲線；

圖5 試驗區(qū)域站位圖

選擇造礁珊瑚、 海草、 附著海藻、 礁石、 砂石、 泥沙等各種底質(zhì)作為測量對象， 為獲取更理想的光譜反射率數(shù)據(jù)， 并配合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)， 選擇晴朗無云的天氣， 在10:00—15:00之間進(jìn)行現(xiàn)場海底高光譜反射率測量。 選擇珊瑚生長狀況良好、 生物多樣性較高的區(qū)域設(shè)置站點(diǎn)， 同時考慮海底地形、 風(fēng)向、 漲潮落潮引起的水深變化等因素， 選擇水深小于10 m的水域， 由專業(yè)潛水員攜帶海底反射率測量儀潛入水底進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 站點(diǎn)信息如表2中所示。

表2 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)實驗站位信息

圖6 (a)海底測量示意圖； (b)水下現(xiàn)場測量照片

選取了4個珊瑚礁集中生長和1個海草集中生長的站位作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點(diǎn)， 測量了包括多種造礁珊瑚、 海草、 附著海藻、 礁石、 砂石、 泥沙等不同底質(zhì)對象的反射率結(jié)果， 并采集對應(yīng)站點(diǎn)表層水體進(jìn)行光學(xué)特性分析。 對于每一個測量對象至少進(jìn)行了10次高光譜反射率測量。 每次在選定目標(biāo)底質(zhì)上方大約0.1～0.3 m處測量水下光譜反射率以及目標(biāo)圖像用于物種底質(zhì)鑒別及環(huán)境信息記錄， 兩探頭到目標(biāo)之間的水體可以認(rèn)為是均一穩(wěn)定且處在同一水下光場環(huán)境中， 測量角度參考水體表觀光學(xué)特性測量方案[19]， 避免自陰影影響， 底質(zhì)測量示意圖和水下測量照片如圖6所示。

4 光譜反射率結(jié)果分析

圖7所示為包括杯形珊瑚科、 鹿角珊瑚科、 木珊瑚科、 蜂巢珊瑚科在內(nèi)的六種不同珊瑚46次光譜反射率數(shù)據(jù)測量結(jié)果， 光譜范圍為390～700 nm的可見光波段， 結(jié)果顯示珊瑚光譜反射率曲線在400～500 nm之間表現(xiàn)出相對較低的反射率， 550～650 nm之間有著較高的反射率， 在675 nm附近有葉綠素特征吸收峰， 并且在波長大于680 nm反射率迅速增加。 這與珊瑚光譜反射率特征研究結(jié)果相符[20-22]。 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)的珊瑚光譜反射率特征基本呈現(xiàn)三峰模式， 這種模式的典型特征是在575， 600和650 nm附近有三個特征反射峰。 此外， 發(fā)現(xiàn)珊瑚光譜反射率曲線在395， 430， 490和517 nm附近存在較為明顯的反射峰。 通過對多個站點(diǎn)多種珊瑚的光譜反射率測量， 同種珊瑚多次測量結(jié)果穩(wěn)定， 由于海草、 珊瑚、 礁石等不同底質(zhì)為立體結(jié)構(gòu)， 不同方位角度測量以及水下局部耀斑影響， 多次測量反射率大小有一定差異， 平均反射率偏差小于10%， 三亞珊瑚礁保護(hù)區(qū)珊瑚反射率大小在4%～20%之間。 不同種珊瑚除光譜反射率大小有一定差異外， 反射率曲線變化特征基本一致， 可知不同種珊瑚之間光譜反射率特征具有相似性， 若要進(jìn)行特征光譜區(qū)分， 需進(jìn)一步對光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行多階導(dǎo)數(shù)分析。 此外， 同一目標(biāo)持續(xù)多次測量的光譜反射率曲線的一致性進(jìn)一步說明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 6種珊瑚46次光譜反射率曲線

圖8所示為不同底質(zhì)目標(biāo)物光譜反射率曲線和采集照片， 結(jié)果表明不同的海洋底質(zhì)有著明顯的光譜反射率差異， 可通過光譜反射率特征進(jìn)行區(qū)分。 岸上沙灘有著最高的光譜反射率值， 淺海沙子底質(zhì)在580 nm之前與沙灘反射率曲線除反射率大小的差異外， 形狀、 趨勢、 特征峰基本一致， 580 nm之后反射率曲線走勢相反， 呈下降趨勢， 且在675 nm附近有一個小的吸收峰， 這與水體的吸收散射和水中微藻的存在有關(guān)。 結(jié)果表明， 同種物質(zhì)在空氣中與原位水下反射率測量結(jié)果有著明顯差異， 因此為了獲得準(zhǔn)確的底質(zhì)反射信息， 推薦進(jìn)行原位海底反射率獲取。

圖8 不同底質(zhì)光譜反射率曲線及目標(biāo)底質(zhì)采集照片

Fig.8 In-situ optical reflectance spectra of various substrates and photographs of different target substrates (coral species,seagrass, sandand sandy beach)

海草與珊瑚的反射率曲線形狀相似， 均是在400～500 nm之間表現(xiàn)出相對較低的反射率， 550～650 nm之間有著較高的反射率， 在675 nm附近有葉綠素特征吸收峰， 并且在波長大于680 nm時反射率迅速增加， 珊瑚與海草兩者的區(qū)別在于， 海草形狀變化相對不明顯， 較為平滑， 海草在560 nm附近反射率最大， 在540～600 nm有一個寬反射峰， 而珊瑚在此波段存在兩個反射峰。 所有測量對象中珊瑚的光譜反射率曲線特征變化最明顯， 珊瑚光譜反射率特征最明顯的波段在500～650 nm的黃綠波段， 在580， 610和650 nm附近有明顯的三個反射峰， 675 nm處存在吸收特征峰， 這些光譜反射率特征與其他地域珊瑚礁不同底質(zhì)反射率特征研究結(jié)果相符[8-10, 23]。

珊瑚、 沙子和沙灘三種種碳酸鹽質(zhì)底質(zhì)在395， 430， 490和520 nm存在反射峰， 485和585 nm處有一個小型吸收峰， 而海草則相反， 在395， 430， 490， 520 nm存在吸收峰， 485和585 nm處顯示反射峰， 此特征可能成為碳酸鹽質(zhì)對象與其他物質(zhì)的區(qū)分特征。 所有含葉綠素可進(jìn)行光合作用的生物(珊瑚， 藻類和海草)在大約675 nm處顯示出最小的反射率， 且隨后都有一個陡增的過程， 這與葉綠素a的存在有關(guān)， 以上光譜反射率分析結(jié)果說明海底反射率測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效， 數(shù)據(jù)能夠真實地反映海洋界面不同對象的反射率特性。

5 結(jié) 論

設(shè)計了海底高光譜反射率測量系統(tǒng)， 采用相對測量法， 消除了探頭到目標(biāo)物之間水體衰減的影響， 雙通道光纖光譜儀同步測量， 避免了因水下光場環(huán)境變化帶來的測量誤差， 故而能夠真實反映不同測量對象的光譜反射率特性， 為光學(xué)淺水底質(zhì)信息提取提供精確便捷的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務(wù)。 完成了海底高光譜反射率測量系統(tǒng)集成及海上現(xiàn)場測量試驗。 結(jié)果表明， 儀器操作便捷， 各通道積分時間根據(jù)現(xiàn)場實時光照條件自動調(diào)整， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定無故障。 同一目標(biāo)持續(xù)多次采樣數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定， 反射率曲線特征一致， 平均反射率偏差小于10%， 數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定有效。 不同底質(zhì)光譜反射率數(shù)據(jù)結(jié)果表明， 不同種底質(zhì)目標(biāo)物之間光譜反射率特征明顯， 具有光譜可分性， 同種物質(zhì)在空氣中與原位水下反射率測量結(jié)果差異巨大， 證實了以往學(xué)者將空氣中測量的目標(biāo)光譜代替水下結(jié)果所存在嚴(yán)重的缺陷性。 實驗證實了海底高光譜反射率測量系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和真實有效性， 為進(jìn)一步通過遙感提取淺水底質(zhì)信息提供了堅實的基礎(chǔ)。

致謝： 感謝中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物實驗站陳永強(qiáng)、 袁翔城， 中國科學(xué)院三亞深?？茖W(xué)與工程研究所劉素敏及其他工作人員在實驗過程中的指導(dǎo)與幫助。