應(yīng)用效果評(píng)估基于水上法的四種典型估算遙感反射率方法的

李尉尉，李銅基，朱建華，韓冰，郭凱，賈迪

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

水體表觀光學(xué)參數(shù)（AOP），如歸一化離水輻亮度Lwn（λ）、遙感反射率Rrs（λ），是海洋水色遙感的基礎(chǔ)物理量，是水體色素成分的光學(xué)輻射表現(xiàn)。準(zhǔn)確獲取離水輻亮度、遙感反射率等參數(shù)有利于生物光學(xué)算法、大氣校正算法的開(kāi)發(fā)以及對(duì)星載遙感器的輻射校正及其數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)（李銅基等，2003）。水上法（Above-water method，亦也稱水面之上法）和水中法（In-water method，亦稱為剖面法）是測(cè)量離水輻亮度的兩種方法。水中法測(cè)量海水各深度的上行輻亮度，通過(guò)對(duì)上行輻亮度隨深度的分布特征分析，將其外推并傳出海面，得到離水輻亮度；而水上法直接觀測(cè)海面的輻亮度，在進(jìn)行耀斑校正后，得到離水輻亮度。

與水中法觀測(cè)設(shè)備及其部署的要求相比，水上法的要求更易實(shí)現(xiàn)，操作更為便捷，可實(shí)現(xiàn)走航自動(dòng)觀測(cè)和平臺(tái)無(wú)人值守連續(xù)觀測(cè)。此外，采用水上法直接對(duì)海面輻亮度進(jìn)行觀測(cè)，可更好地模擬衛(wèi)星對(duì)海洋的觀測(cè)，特別適合對(duì)近岸Ⅱ類水體甚至層化效應(yīng)明顯的水體的光學(xué)特性測(cè)量。如Zibordi 等（2004） 把一種改良的全自動(dòng)商業(yè)太陽(yáng)光度計(jì)（SeaPRISM）應(yīng)用于AFRONFT-Ocean Color 系統(tǒng)，并將一年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（各種太陽(yáng)高度和環(huán)境條件情況）與同時(shí)進(jìn)行的水中法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其結(jié)果表明，水上法的儀器可獨(dú)立測(cè)量并可用于替代定標(biāo)（Hooker et al，2002；2014）?；谒戏ǖ膬x器設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，獲取海量數(shù)據(jù)，但其不可避免地受到太陽(yáng)耀斑、白沫等環(huán)境因素的影響，因此基于定點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)對(duì)水上法數(shù)據(jù)處理提出了更高的需求和要求。

目前，國(guó)內(nèi)基于船舶站位觀測(cè)的水上法數(shù)據(jù)處理多是參考NASA 海洋光學(xué)規(guī)范（第四版） （Fargion et al，2003）以及國(guó)標(biāo)《海洋調(diào)查規(guī)范第5 部分：海洋聲、光要素調(diào)查》 （國(guó)家海洋局，2008），不能滿足定點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)。針對(duì)這一情況，本文分析了目前國(guó)際主流的幾種水上法處理算法，如M99（Mobley et al，1999）、R06（Ruddick et al，2006）、G01（Gould et al，2001）、L10（Lee et al，2010）等，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，探索適合我國(guó)水體類型特點(diǎn)的簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確的水上法數(shù)據(jù)處理方法，形成業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)處理流程，為我國(guó)在建的海洋水色長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)點(diǎn)提供支撐，也為進(jìn)一步改進(jìn)提供了方法和思路。

1 四種典型的水上法數(shù)據(jù)處理方法原理

在嚴(yán)格遵循觀測(cè)幾何，并避免白帽、太陽(yáng)耀斑、船舶等上層建筑污染及其它環(huán)境影響的前提下，水上法觀測(cè)的海面總輻亮度Lt可表述為：

式中，Lw（λ）是離水輻亮度；ρ×Li（λ）為反射天空光的輻亮度貢獻(xiàn)，ρ 是水氣界面反射系數(shù)，Li（λ）是天空光的輻亮度；ε×Ed（λ）為殘余太陽(yáng)耀斑的輻射貢獻(xiàn)，Ed（λ）是海面入射總輻照度。對(duì)（1）式進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，即可得到水上法估算遙感反射率原理方程：

由此可見(jiàn)，水上法估算遙感反射率的最大難點(diǎn)是對(duì)海面反射率ρ 和ε 的估算，即從海面觀測(cè)Lt（λ）中去除海面反射的天空光和殘余太陽(yáng)耀斑。而對(duì)該過(guò)程的不同處理，構(gòu)成了不同的水上法處理方法（Garaba et al，2013）。對(duì)于平靜海面，ρ 為海面的菲涅爾反射率（約3%）。但海面通常由于風(fēng)的作用呈“風(fēng)粗糙”狀態(tài)，所以ρ 取決于風(fēng)速W。Mobley 等（1999）利用輻射傳輸模型，計(jì)算并分析了ρ 與風(fēng)速、太陽(yáng)天頂角以及與觀測(cè)天底角和相對(duì)方位角的關(guān)系，給出了精確的ρ 查找表（LUT），同時(shí)認(rèn)為，當(dāng)觀測(cè)幾何滿足（40°，135°）時(shí)，風(fēng)速小于5 m/s 或陰天條件下，ρ 取0.028（Mueller et al，2002），該方法本文稱為M99 方法。該方法認(rèn)為殘余太陽(yáng)耀斑的修正采用ε=Rrs（750）。Ruddick等（2006）簡(jiǎn)化了ρ 的查找表，將ρ 近似為僅與風(fēng)速有關(guān)，即ρ=0.0256+0.00039W+0.000034W2，其中W 為風(fēng)速（m/s）。該方法（本文簡(jiǎn)稱為R06 方法）是在M99 方法的基礎(chǔ)上，加上云量的估算模型，即認(rèn)為在陰天條件下，ρ 取常數(shù)0.025 6，并給出陰天的判斷條件為L(zhǎng)i（750）/Ed（750） ≥0.05。該方法較M99 方法在陰天的判定上給出了量化的標(biāo)準(zhǔn)。在殘余項(xiàng)ε 的估算方面，其研究結(jié)果為：ε=[α × Rrs（780）- Rrs（720）]/α- 1，其中α = 2.35（Hommersom et al，2012）。Gould 等（2001） 認(rèn)為，海面反射率可簡(jiǎn)單地取0.021，而因海面粗糙產(chǎn)生的剩余天空反射貢獻(xiàn)以及殘余的太陽(yáng)耀斑貢獻(xiàn)均歸入ε 項(xiàng)。Gould 的研究（本文簡(jiǎn)稱為G01 方法）致力于ε 項(xiàng)的估算與修正，他假設(shè)在715～735 nm 光譜范圍，水體的色素及CDOM 的吸收可忽略，即主要為純水的吸收關(guān)系，同時(shí)，在這個(gè)窄波段內(nèi)，后向散射系數(shù)無(wú)光譜變化。在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)固有光學(xué)參數(shù)測(cè)量的情況下，ε 可由式（3）估算：

式中，Trs（λ） =Lt（λ）/Ed（λ），Srs（λ） =Li（λ）/Ed（λ），aw（λ）為純水吸收系數(shù)。

式（4）中，aph（440）、adg（440）、bbp（440）分別為參考波段440 nm 的色素吸收系數(shù)、非色素顆粒及黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)、顆粒物后向散射系數(shù)。建立目標(biāo)函數(shù)（Lee et al，2010）：

從上述對(duì)四種典型水面之上數(shù)據(jù)處理方法原理的介紹可見(jiàn)，M99 和R06 方法致力于對(duì)粗糙海面天空光反射率的估算，建立ρ 與海面風(fēng)速、云量等的關(guān)系模型。在殘余太陽(yáng)耀斑修正方面，這兩種方法采用較為簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。G01 和L10 方法假設(shè)把海面分為平靜和粗糙兩部分，平靜海面的反射率直接取特定觀測(cè)幾何情況下的菲涅爾反射率，這兩種方法更致力于對(duì)天空光經(jīng)粗糙海面反射的貢獻(xiàn)與殘余太陽(yáng)耀斑共同構(gòu)成ε項(xiàng)的估算。

2 應(yīng)用效果評(píng)估

2.1 試驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)

本文利用2018 年9 月開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)海洋水色測(cè)量試驗(yàn)（航次代碼HY-1CIOT2018）數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估上述四種方法的應(yīng)用效果。在HY-1CIOT2018 航次試驗(yàn)中，由舟山沿岸線開(kāi)赴南海主試驗(yàn)區(qū)，沿途進(jìn)行了13 個(gè)站位測(cè)量。在主試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了63 個(gè)站位測(cè)量。圖1 給出航次測(cè)量的站位。測(cè)試各站位采用水上法和水中法同步計(jì)算遙感反射率（Rrs）。水上法采用高光譜SAS 儀器（Satlantic 生產(chǎn)，光譜范圍為360～800 nm），而水中法采用14 通道剖面儀MicroPro（Satlantic 生產(chǎn)，配置波段412、443、490、510、520、533、555、565、590、625、665、700、780 和865 nm）。

利用HY-1CIOT2018 航次全部76 個(gè)站位的SAS 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)上述四種方法進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)估。由于M99 方法對(duì)殘余耀斑修正的假設(shè)局限性較大，因此，在本文評(píng)估中，采用R06 方法對(duì)殘余耀斑的修正方法進(jìn)行替代。在天氣的判定上，采用R06方法，即Li（750）/Ed（750）≥0.05 為陰天。圖2（a）、（b）、（c）、（d）分別為M99、G01、R06、L10 四種方法計(jì)算得到的76 個(gè)站位的Rrs 光譜圖，可見(jiàn)，四種方法計(jì)算Rrs 的一致性較好。

2.2 四種方法的差異性分析

為了分析四種方法計(jì)算Rrs 的差異，本文引入變異系數(shù)（CV）。CV 為四種方法計(jì)算Rrs 的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以四種方法估算Rrs 的平均值，考慮到600～800 nm 波段范圍相比可見(jiàn)光波段的遙感反射率量值偏小，信噪比不好，兩者用CV 方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果意義不大，且生物光學(xué)算法主要依據(jù)600 nm 之前波段，所以取360～600 nm 的平均值。

由圖3 給出的四種方法計(jì)算Rrs 的CV 可見(jiàn)：四種方法計(jì)算Rrs 的差異性，除個(gè)別站位外，基本在15 %以內(nèi)，其中有80 %站位在10 %以內(nèi)，47 %站位在5 %以內(nèi)。而對(duì)于沿岸站位（如Test01-NH02 站位），因Rrs 數(shù)值較大，差異性均在5%以內(nèi)。

圖1 HY-1CIOT2018 航次試驗(yàn)站位圖

圖2 四種方法計(jì)算Rrs 的結(jié)果。

圖3 四種方法計(jì)算Rrs 的差異性

圖4 四種方法相對(duì)平均值的偏差

由于水上法測(cè)量受環(huán)境條件影響較大，現(xiàn)場(chǎng)各站位測(cè)量條件各異，表1 按照Srs（750）為天氣判別條件，并考慮觀測(cè)時(shí)太陽(yáng)天頂角（SunZ）的差異，給出Srs（750）是否大于0.05 以及SunZ 是否大于60°分四種情況分析各方法的差異性。由表1可得，SunZ ＞60°，即太陽(yáng)天頂角過(guò)大時(shí)，四種方法的差異性增大，而Srs（750）＞0.05，即在陰天情況，差異性有小幅增大。

表1 不同天氣狀況、不同太陽(yáng)天頂角下變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

2.3 與剖面儀水中法計(jì)算Rrs 的差異性分析

在HY-1CIOT2018 航次中，共在73 個(gè)站位進(jìn)行了SAS 和MicroPro 的同步測(cè)量。根據(jù)剖面儀水中法測(cè)量原理（Mueller et al，2002），在假設(shè)觀測(cè)深度水域內(nèi)水體光學(xué)特性均勻的條件下，利用在不同深度Z1、Z2上測(cè)得的水體上行輻亮度Lu（λ，Z1）和Lu（λ，Z2），可計(jì)算得到水體上行光譜輻亮度的漫衰減系數(shù)KL（λ），再根據(jù)某深度的上行輻亮度數(shù)據(jù)即可外推得到離水輻亮度，進(jìn)一步計(jì)算可獲得遙感反射率（李銅基等，2004）。圖5 給出四種水上法計(jì)算Rrs 與水中法計(jì)算Rrs 的變異系數(shù)分布，此時(shí)，變異系數(shù)CV 取為四種方法計(jì)算Rrs 與水中法計(jì)算Rrs 的標(biāo)準(zhǔn)偏差，除以水中法計(jì)算的Rrs，并取600 nm 之前通道的平均值。

圖5 四種典型水上法與水中法計(jì)算Rrs 的差異分布（全部73 個(gè)站位）

由圖5 可見(jiàn)，四種方法計(jì)算的Rrs 與水中法計(jì)算結(jié)果的差異分布趨勢(shì)大體一致。有約75%的站位差異在15%以內(nèi)；差異在10%以內(nèi)的站位約占總站位的60%以上；其中，R06 和L10 方法效果相對(duì)更好，有1/3 以上站位的差異在5%之內(nèi)。

由于在近岸水域水光學(xué)特性垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光能量隨深度衰減快等因素造成水中法測(cè)量的外推誤差較大，同時(shí)考慮到水上法易受測(cè)量環(huán)境影響，所以我們?nèi)コ墩疚缓蜏y(cè)量時(shí)太陽(yáng)天頂角大于60°的站位，對(duì)剩余46 個(gè)站位給出四種方法與水中法計(jì)算Rrs 的差異分布，如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，在較好的比對(duì)環(huán)境條件下，水中法與水上法的差異明顯減小，差異性在70%左右的站位在10 %之內(nèi)，特別是R06 和L10 方法的效果略好，有45 %和43 %的站位差異性在5%之內(nèi)。圖7 給出R06 和L10 方法與水中法計(jì)算Rrs 的比對(duì)散點(diǎn)圖，可見(jiàn)，在較理想條件下，水中法和水上法得到Rrs 的一致性很好。需說(shuō)明的是，圖中有兩個(gè)站位的值偏離1 :1 線較遠(yuǎn)，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)站位在測(cè)量時(shí)船舶搖晃劇烈，觀測(cè)幾何不穩(wěn)定，影響了水上法測(cè)量效果；另一站位在測(cè)量時(shí)因?yàn)樵聘采w情況導(dǎo)致環(huán)境光場(chǎng)變化，影響了水上法測(cè)量結(jié)果。

圖6 四種典型水上法與水中法計(jì)算Rrs 的差異分布（去除近岸和SunZ>60°后的46 個(gè)站位）

圖7 水上法與水中法計(jì)算Rrs 的比對(duì)

3 結(jié)論

水上法是重要的也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的測(cè)量水體表觀光學(xué)參數(shù)的方法。本文在簡(jiǎn)要介紹M99、G01、R06 和L10 四種典型水上法計(jì)算Rrs 方法原理的基礎(chǔ)上，利用HY-1CIOT2018 航次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這四種數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估分析。

用SAS 實(shí)測(cè)的全部76 個(gè)站位數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了四種方法結(jié)果的差異性以及不同太陽(yáng)天頂角和云況條件的差異分布。利用SAS 和MicroPro 同步觀測(cè)的全部73 個(gè)站位數(shù)據(jù)，分析了四種方法與水中法計(jì)算Rrs 的差異性，以及不同水體和太陽(yáng)天頂角條件的差異分布。結(jié)果表明：

（1）四種方法計(jì)算Rrs 的差異性不大，有80%站位的差異在10 %之內(nèi)。L10 方法的結(jié)果最為接近四種方法計(jì)算的平均值，R06 方法的結(jié)果與L10的大體相當(dāng)。

（2）在近岸站位，由于Rrs 數(shù)值較大，四種方法計(jì)算Rrs 的差異很小，均在5%之內(nèi)。但在與水中法的對(duì)比中，差異較大，這主要是由于近岸水域水光學(xué)特性垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光能量隨深度衰減快等因素造成了水中法測(cè)量的外推誤差偏大。

（3）在太陽(yáng)天頂角較大時(shí)，四種方法計(jì)算Rrs的差異增大，而通過(guò)與水中法對(duì)比研究可見(jiàn)，R06和L10 方法在處理粗糙海面天空和太陽(yáng)耀斑修正方面略優(yōu)。

（4）天空云量情況是影響水上法測(cè)量的重要因素，本文僅分析了陰天（Srs（750）＞0.05）及晴天兩種情況下四種方法計(jì)算Rrs 的差異性。由于四種方法對(duì)陰天時(shí)ρ 取值的設(shè)定不同，使得差異略大。但從水上法測(cè)量原理分析，對(duì)于天空光輻亮度相對(duì)較大時(shí)，這種差異會(huì)明顯增大。

（5）L10 方法在多個(gè)方面呈現(xiàn)較好的穩(wěn)健性，但其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性較大、耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于走航和無(wú)人值守連續(xù)觀測(cè)的適用性欠佳。M99 方法最為經(jīng)典，但在殘余太陽(yáng)耀斑的處理上仍需完善。R06 方法與M99 一樣依賴于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速的測(cè)量，其簡(jiǎn)化了查找表，可實(shí)現(xiàn)快速處理，但同時(shí)也因簡(jiǎn)化掉太陽(yáng)天頂角的修正，限制了其在較大太陽(yáng)天頂角時(shí)的應(yīng)用。

由于本文僅利用HY-1CIOT2018 航次的數(shù)據(jù)進(jìn)行四種方法的應(yīng)用效果評(píng)估，具有一定局限性。下一步將在數(shù)據(jù)量和環(huán)境條件（如云況描述等）分析等方面不斷積累和進(jìn)一步分析評(píng)估。

致謝：感謝HY-1CIOT2018 航次全體試驗(yàn)隊(duì)員的辛苦付出！