基于天空光遮擋法的漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)研制

田禮喬, 李 森*， 孫相晗， 童如清， 宋慶君， 孫兆華， 李 勇

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430079 2. 自然資源部國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心， 北京 100081 3. Easy Ocean Technology Ltd., Halifax, B3H 1N4, Canada

引 言

水色遙感是衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分。 海洋水色遙感在海洋初級(jí)生產(chǎn)力的估算、 海洋碳循環(huán)研究、 海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、 海洋動(dòng)力學(xué)研究、 海洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)管理等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景與深遠(yuǎn)的研究意義[1-2]。 湖泊水色遙感則是海洋水色遙感的理論和技術(shù)在湖泊水體進(jìn)一步的豐富、 發(fā)展， 在全球氣候變化湖泊區(qū)域響應(yīng)、 湖泊水體污染事件監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面具有重要應(yīng)用[3]。 水體遙感反射率(remote-sensing reflectance,Rrs， sr-1)或離水輻亮度(water-leaving radiance,Lw， W·m-2·nm-1·sr-1)是海洋與湖泊水色遙感的最基礎(chǔ)物理量， 是描述水體光譜特性的重要參數(shù)之一。 由于測(cè)量技術(shù)的限制以及水體狀況的不確定性， 準(zhǔn)確測(cè)量離水輻亮度仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作[1]， 因此精確的現(xiàn)場(chǎng)水體光譜特性測(cè)量與分析是水色遙感領(lǐng)域亟待解決的重要基礎(chǔ)問(wèn)題[4]。

常見(jiàn)的水體遙感反射率現(xiàn)場(chǎng)獲取方法有四種： (1) 剖面法(in-water profiling method)； (2) 水面之上法(above water method)； (3)水面漂浮法(surface floating method)和(4)天空光遮擋法(skylight-brocked approach, SBA)。 剖面法， 通過(guò)縱向測(cè)量水下不同深度水體的光學(xué)特性并外推得到水表面的光學(xué)信號(hào)， 從而求得遙感反射率等物理量。 剖面法一般采用的儀器比較昂貴， 儀器操作、 布放復(fù)雜， 而且受一定自陰影影響， 數(shù)據(jù)結(jié)果有一定的不確定性， 一般只能用于水深大于10 m水體， 因此這種方法在大洋Ⅰ類(lèi)水體中應(yīng)用十分廣泛， 但在渾濁淺水區(qū)則無(wú)用武之地[5]。 水面之上法， 是指在水面上方采取適當(dāng)?shù)挠^測(cè)幾何， 通過(guò)觀測(cè)海面、 對(duì)應(yīng)方向上天空光和海面入射輻照度(或水平放置的標(biāo)準(zhǔn)板)等目標(biāo)， 來(lái)求得遙感反射率的方法。 水面之上法具有現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)， 是目前Ⅱ類(lèi)水體光譜特性研究中最常用的測(cè)量方法， 但受海面、 天氣條件等的影響， 在現(xiàn)場(chǎng)很難保證嚴(yán)格的觀測(cè)幾何， 同時(shí)目前天空光剔除方法也還存在較大爭(zhēng)議， 復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件以及基于經(jīng)驗(yàn)和其他假設(shè)條件下的數(shù)據(jù)處理方法也給遙感反射率結(jié)果帶來(lái)很多不確定性[6]。 水面漂浮法， 通過(guò)測(cè)量剛好位于水表面下的上行輻射照度， 推算水面以上離水亮度， 在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中應(yīng)用較少。

天空光遮擋法用一個(gè)遮光罩直接遮擋住天空光， 使其不進(jìn)入觀測(cè)傳感器視場(chǎng)， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體離水輻亮度的直接測(cè)量[1]， 避免現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜性引起的觀測(cè)幾何誤差以及天空光剔除方法帶來(lái)的不確定性， 也具有更簡(jiǎn)單的后處理流程。 1999年Ahn等提出了遮擋天空光的思路， 2006年Tanaka等設(shè)計(jì)了半球形罩子的測(cè)試裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， Lee等基于Satlantic HyperPro Ⅱ系統(tǒng)配套錐形遮光罩設(shè)計(jì)了一套測(cè)量系統(tǒng)， 在諸多水域開(kāi)展了應(yīng)用， 并對(duì)天空光遮擋法測(cè)量的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)深入地討論[7]。 但目前為止， 國(guó)際上還沒(méi)有成熟的針對(duì)SBA方法的雙通道一體化水體光譜測(cè)量系統(tǒng)， 因此基于SBA方法開(kāi)展一定的雙通道水體光譜測(cè)量系統(tǒng)研制與測(cè)試顯得尤為重要。

本文的主要貢獻(xiàn)在于： (1) 對(duì)比分析了水體光譜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中水面之上法與天空光遮擋法的基本測(cè)量原理； (2) 介紹了研制的漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)單元設(shè)置； (3) 進(jìn)行了珠江口現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 評(píng)價(jià)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果； (4) 指明了類(lèi)似系統(tǒng)的研發(fā)方向。

1 天空光遮擋法基本原理

遙感反射率(Rrs， sr-1)定義為水體離水輻亮度(Lw， W·m-2·nm-1·sr-1)與水面入射輻照度(Es， W·m-2·nm-1)的比值

(1)

式中：Lw為離水輻亮度，Es為水面入射輻照度。

傳統(tǒng)的水面之上法無(wú)法直接獲得水體離水輻亮度Lw， 測(cè)量原理如圖1(a)所示， 一般通過(guò)式(2)計(jì)算水體遙感反射率Rrs。

(2)

式中：Lu，Lsky和Lp分別為光譜儀面向水體、 天空和標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)測(cè)量的信號(hào)，ρf和ρp為水-氣界面反射率和標(biāo)準(zhǔn)板反射率。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中， 儀器觀測(cè)平面與太陽(yáng)入射平面的夾角90°≤θ≤135°， 儀器與海面方向夾角30°≤θ≤45°， 如圖1(a)， 需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的觀測(cè)幾何以避免太陽(yáng)直射反射(耀斑)和白帽的影響， 公式中重要參數(shù)水-氣界面反射率ρf的確定也極富挑戰(zhàn)且對(duì)水體遙感反射率Rrs測(cè)量準(zhǔn)確度有很大影響[5, 8-9]。

區(qū)別于剖面法和水面之上法， 天空光遮擋法可以直接測(cè)量獲得水體離水輻亮度[2]。 圖1(b)展示了天空光遮擋法的基本原理， 輻亮度探頭下端安裝一個(gè)錐形遮光罩， 觀測(cè)時(shí)， 下端開(kāi)口浸沒(méi)水面以下幾厘米， 同時(shí)保持輻亮度探頭始終高于水面， 遮光罩阻擋了大氣散射光和水面反射的天空光信號(hào)進(jìn)入輻亮度探頭， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)離水輻亮度的直接測(cè)量。

圖1 水面之上法(a)和天空光遮擋法(b)的測(cè)量原理

相較于水面之上方法和剖面法， 天空光遮擋法具有三大優(yōu)勢(shì)[7]： (1)實(shí)現(xiàn)了離水輻亮度的直接觀測(cè)。 剖面法和水面之上法測(cè)量無(wú)法直接測(cè)得離水輻亮度， 需要上行輻亮度外推和天空光去除等后處理過(guò)程， 天空光遮擋法可直接觀測(cè)離水輻亮度， 減少了后處理過(guò)程帶來(lái)的不確定性； (2)適宜不同水體類(lèi)型的布放與觀測(cè)。 剖面法儀器布放復(fù)雜， 在大洋Ⅰ類(lèi)水體中應(yīng)用十分廣泛， 但在淺海及較渾濁水域， 測(cè)量誤差較大， 天空光遮擋法可以實(shí)現(xiàn)大洋、 海岸帶、 內(nèi)陸水體等不同水體類(lèi)型的布放與觀測(cè)； (3)測(cè)量步驟簡(jiǎn)便， 受環(huán)境影響小。 水面之上法需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的觀測(cè)幾何以避免太陽(yáng)直射反射(耀斑)和白帽的影響， 易被環(huán)境因素影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 與之相比， 天空光遮擋法對(duì)觀測(cè)幾何要求不高， 測(cè)量流程簡(jiǎn)便， 可以提高現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

2 漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足以下的標(biāo)準(zhǔn)及功能： (1) 集成兩套獨(dú)立的高光譜輻射測(cè)量模塊， 實(shí)現(xiàn)離水輻亮度和水面太陽(yáng)入射輻照度的同步測(cè)量； (2) 具有無(wú)人值守的獨(dú)立觀測(cè)能力， 能夠在海洋及湖泊的涌流、 波浪中保持不傾覆， 并能避免水生生物附著對(duì)于傳感器觀測(cè)的影響； (3) 搭載GPS衛(wèi)星定位模塊和姿態(tài)記錄模塊， 實(shí)時(shí)記錄觀測(cè)系統(tǒng)的位置、 姿態(tài)， 并通過(guò)無(wú)線天線回傳水體光譜觀測(cè)結(jié)果； (4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小型化， 盡可能少受自陰影影響， 可以由小型船只運(yùn)載與布放。

圖2 漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)

漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)， 包括浮體和四個(gè)主要模塊： 光譜測(cè)量模塊、 控保與數(shù)傳模塊、 定位與姿態(tài)記錄模塊和供電模塊。 圖2展示了漂浮式水體光譜觀測(cè)系統(tǒng)的模塊和結(jié)構(gòu)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)采用小型漂流浮體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 總體方案設(shè)計(jì)兼顧其穩(wěn)定性， 在流體作用下的運(yùn)動(dòng)性能及浮體自陰影對(duì)光譜測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。 浮體環(huán)形大內(nèi)徑， 窄艙體的設(shè)計(jì)盡量避免儀器自陰影對(duì)觀測(cè)的影響， 采用黑色噴漆減少其對(duì)水面光場(chǎng)的影響。

光譜測(cè)量模塊采用與TriOS RAMAES輻照度與輻亮度探頭一致的德國(guó)ZEISS的Monolithic Miniature Spectrometer 1 (MMS1)光譜儀， 波段范圍為310～1 100 mm， 波譜分辨率約為3 nm， 波長(zhǎng)精度0.3 nm。 兩光學(xué)探頭委托北京航天三院303所用積分球進(jìn)行光學(xué)探頭定標(biāo)， 定標(biāo)波長(zhǎng)范圍為380～780 nm， 視場(chǎng)角8°， 詳細(xì)的定標(biāo)方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。 光學(xué)探頭采用雙通道設(shè)計(jì)， 將兩個(gè)探頭集合起來(lái)， 輻照度光學(xué)探頭向上觀測(cè)太陽(yáng)入射輻照度， 裝有錐形遮光罩的輻亮度光學(xué)探頭向下進(jìn)行離水輻亮度測(cè)量。 由于漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為水環(huán)境， 探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入水密設(shè)計(jì)， 保證作業(yè)的穩(wěn)定性。

輻亮度光學(xué)探頭下安裝一個(gè)錐形遮光罩， 錐型遮光罩的設(shè)計(jì)避免了大氣散射光、 水面反射的天空光及太陽(yáng)光進(jìn)入輻亮度探頭視場(chǎng)， 保證直接測(cè)得離水輻亮度。 錐形遮光罩設(shè)計(jì)為兩端開(kāi)口的圓錐形， 高130 mm， 上口徑33 mm， 下口徑49 mm， 保證管壁傾角與輻亮度探頭視場(chǎng)角一致， 在不影響輻亮度測(cè)量下盡量減小體積。 上端通過(guò)螺紋與上蓋擰合， 下端通過(guò)浮體自穩(wěn)性設(shè)計(jì)始終淹沒(méi)水面， 阻擋天空散射光和水面反射的太陽(yáng)光進(jìn)入其視場(chǎng)， 保證測(cè)得的為水體的離水輻亮度， 并采用黑色噴漆， 減少儀器對(duì)周?chē)鈭?chǎng)的影響。

系統(tǒng)為輻照度探頭和輻亮度探頭設(shè)計(jì)了兩個(gè)清潔刷， 清潔刷采用弧形設(shè)計(jì)避免清潔過(guò)程中對(duì)光學(xué)探頭觀測(cè)的影響， 處于非工作狀態(tài)時(shí)也不遮擋光學(xué)探頭視場(chǎng)。

定位與姿態(tài)記錄模塊中GPS可準(zhǔn)確記錄觀測(cè)系統(tǒng)位置的經(jīng)緯度信息， 用于觀測(cè)系統(tǒng)定位、 觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)。 姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)包括觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的偏離豎直方向角度， 測(cè)量精度0.1°， 可準(zhǔn)確記錄采集光譜數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)， 用于剔除由于姿態(tài)偏差較大出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)傳輸模塊， 數(shù)據(jù)處理模塊， 數(shù)據(jù)展示模塊。 數(shù)據(jù)傳輸模塊包括傳感器開(kāi)關(guān)機(jī)， 測(cè)量頻率、 測(cè)量時(shí)間、 測(cè)量方式等遠(yuǎn)程設(shè)置， 數(shù)據(jù)接收等功能； 數(shù)據(jù)處理模塊包括光譜飽和數(shù)據(jù)剔除、 暗電流扣除、 積分時(shí)間歸一化功能； 數(shù)據(jù)顯示包括水面入射輻照度、 離水輻亮度、 遙感反射率、 測(cè)試站位的GPS位置、 儀器觀測(cè)姿態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)可視化實(shí)時(shí)顯示功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)水域

珠江是我國(guó)第二大河， 有西江、 北江和東江三個(gè)主要支流， 通過(guò)八大口門(mén)流入南海。 珠江口范圍從珠江三角洲海岸到南海北部海域， 隨著珠江三角洲的快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化， 珠江口海域已處于嚴(yán)重污染狀態(tài)， 2017年《中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》顯示， 珠江口為劣四類(lèi)水域， 重度富營(yíng)養(yǎng)化海域。 針對(duì)珠江口水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化， 近年來(lái)許多學(xué)者就珠江口葉綠素濃度、 懸浮顆粒物濃度反演及監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行遙感研究， 但對(duì)高頻光譜水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作探索較少。

2017年9月20日在圖3 (a)展示位置， 珠江河口上橫瀝水道與蕉門(mén)水道交匯處(113°32′38″E， 22°25′43″N)進(jìn)行了漂浮式光譜測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。 現(xiàn)場(chǎng)水體照片如圖3(b)所示， 水體葉綠素濃度較高， 天氣為多云。 圖3(c)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)。

圖3 (a)漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)珠江現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)位置； (b) 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境； (c) 漂浮式光譜測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)景

3.2 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中使用漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)在2017年9月20日10:00—16:00在珠江口碼頭進(jìn)行光譜測(cè)量， 每次測(cè)量包括不少于30條離水輻亮度和入射輻照度光譜， 并同步記錄對(duì)應(yīng)的儀器姿態(tài)。 由于本次測(cè)量在靜水中進(jìn)行， 不存在遮光罩漏光及輻亮度探頭浸沒(méi)水面等可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的情況[1]。 研究中按照式(1)計(jì)算每組測(cè)量的遙感反射率并求30組遙感反射率平均值作為當(dāng)次測(cè)量獲得的遙感反射率。

同時(shí)， 使用Maya2000 Pro光譜儀進(jìn)行水面以上法觀測(cè)， 該儀器的光譜波段為165～1 100 nm， 光譜分辨率在0.41～0.47 nm之間(https://oceanoptics.com/product/maya2000-pro-custom)。 觀測(cè)幾何遵循海洋光學(xué)規(guī)范推薦的天頂角40°和方位角135°進(jìn)行觀測(cè)[11]， 選用40%的標(biāo)準(zhǔn)灰板。 由式(2)計(jì)算水體遙感反射率， 在本研究中，ρf通過(guò)非線性光譜優(yōu)化方法和生物光學(xué)模型獲得[12]。

變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)可以反映該光譜測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的離散程度， 用以評(píng)價(jià)光譜觀測(cè)精度及穩(wěn)定性。 變異系數(shù)定義為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與數(shù)據(jù)算術(shù)平均數(shù)的比值， 如式(3)。

(3)

研究中使用無(wú)偏絕對(duì)值百分誤差(unbiased mean absolute percentage difference, UMAPD)評(píng)價(jià)漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)與Maya2000 Pro數(shù)據(jù)差異, 如式(4)。

(4)

3.3 光譜觀測(cè)精度評(píng)價(jià)

圖4(a)和(b)分別展示了漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)于2017年9月20日10時(shí)16分觀測(cè)的385～778 nm離水輻亮度及水面入射輻照度光譜。 測(cè)量系統(tǒng)在2～3 min內(nèi)進(jìn)行了30組數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測(cè)， 表明該系統(tǒng)具有分鐘級(jí)連續(xù)觀測(cè)能力， 在一定程度上保證水體光譜測(cè)量效率。 圖4(c)展示了計(jì)算得到的385～778 nm遙感反射率。 結(jié)果顯示遙感反射率在580 nm左右處出現(xiàn)反射峰， 在400 nm左右的藍(lán)光波段， 遙感反射率值比較低， 這主要是因?yàn)樵?00～500 nm范圍， 葉綠素a在藍(lán)光波段的吸收和黃色物質(zhì)在該范圍的強(qiáng)烈吸收。

如圖4(a)， (b)和(c)藍(lán)色實(shí)線， 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的離水輻亮度變異系數(shù)在2%～5%之間， 在400～730 nm的變異系數(shù)小于3%； 水面入射輻照度的變異系數(shù)在385～778 nm均小于1%； 遙感反射率的變異系數(shù)在2%～5%之間， 在400～730 nm的變異系數(shù)小于3%。 通過(guò)對(duì)觀測(cè)結(jié)果和計(jì)算得到的遙感反射率變異系數(shù)的分析可以看出， 觀測(cè)系統(tǒng)及傳感器有較高的觀測(cè)精度， 遙感反射率的精度主要受離水輻亮度數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量的影響。

圖4 2017年9月20日上午10：16珠江口上橫瀝水道與蕉門(mén)水道交匯處(113°32′38E, 22°25′43N) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)每次測(cè)量可以在2～3 min內(nèi)進(jìn)行30組數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測(cè)， 圖4(d)展示了每條光譜測(cè)量時(shí)間記錄的系統(tǒng)傾斜角最大值， 共30個(gè)傾斜角數(shù)據(jù)， 精度為0.1°。 在實(shí)驗(yàn)中較為平靜水面下， 儀器傾斜角保持低值， 分布范圍為3.6°～4.8°， 平均值為4.2°。 且儀器傾角變化不大， 分布集中， 標(biāo)準(zhǔn)差為0.35， 變異系數(shù)約為8.3%。 該實(shí)驗(yàn)證明漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)測(cè)中能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量每條光譜測(cè)量的系統(tǒng)傾斜角， 在較為平靜的觀測(cè)環(huán)境下， 傾斜角集中于低值。 在復(fù)雜海況的表現(xiàn)仍需要更多的測(cè)試實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其性能。

圖5展示了15:21漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)與15:38 Maya2000 Pro測(cè)量獲得遙感反射率結(jié)果對(duì)比。 結(jié)果表明， 兩者相關(guān)系數(shù)R=0.992 (p<0.001)， 表明其光譜形狀的一致性； 無(wú)偏絕對(duì)值百分誤差在400～735 nm均小于8%， 在505～721 nm小于5%， 表明漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)與水面之上法觀測(cè)具有較好的一致性。 兩者遙感反射率結(jié)果差異與兩觀測(cè)探頭分光器、 光譜儀差異有關(guān)， 兩種觀測(cè)方法觀測(cè)角度也有差異， 同時(shí)水面之上法數(shù)據(jù)處理算法中ρf具有一定不確定性， 漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)受自陰影等因素的影響可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。 兩種光譜測(cè)量系統(tǒng)的觀測(cè)差異仍需從算法原理、 控制實(shí)驗(yàn)及水體光學(xué)模擬等多方面進(jìn)行深入研究。

圖5 15:21漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)與15:38水面之上法Maya 2000 Pro測(cè)得遙感反射率對(duì)比

3.4 連續(xù)觀測(cè)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了評(píng)估系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)序自動(dòng)觀測(cè)能力及測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性， 分別進(jìn)行了30 min和3 h的連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

30 min連續(xù)觀測(cè)分別于10:16， 10:23， 10:28， 10:31， 10:40， 10:42對(duì)同一水域進(jìn)行了6組光譜測(cè)量。 圖6(a)和(b)分別展示了每組觀測(cè)離水輻亮度及水面入射輻照度平均值， 由于多云天氣的影響， 水面入射輻照度變化十分明顯， 離水輻亮度也隨之變化。 圖6(c)展示了由上述同一時(shí)刻觀測(cè)計(jì)算得到的水體遙感反射率， 遙感反射率變異系數(shù)在385～700 nm不超過(guò)2%， 表明了在短時(shí)間天氣狀況動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中， 漂浮式光譜測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)可以保證獲得遙感反射率的穩(wěn)定性。 3 h連續(xù)觀測(cè)從11：00—14：00每隔30 min獲取一次遙感反射率， 每次測(cè)量平均值如圖6(d)， 每組測(cè)量的觀測(cè)精度與單次觀測(cè)一致， 變異系數(shù)保持較低值， 表明在長(zhǎng)時(shí)序自動(dòng)觀測(cè)中， 能保證良好的測(cè)量精度； 遙感反射率變異系數(shù)在2%～5%之間， 較30 min連續(xù)觀測(cè)結(jié)果較高。 計(jì)算連續(xù)觀測(cè)遙感反射率光譜的QA(Quality assurance)遙感反射率質(zhì)量得分[13]均超過(guò)0.99， 表明連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)保持較高的質(zhì)量。 光譜曲線在不同時(shí)刻存在差異與太陽(yáng)高度角的改變和葉綠素濃度及熒光的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)[14]， 表明漂浮式光譜測(cè)量系統(tǒng)可在保證觀測(cè)穩(wěn)定性同時(shí)快速跟蹤水體光學(xué)特征的動(dòng)態(tài)變化， 大大提高與衛(wèi)星的匹配效率。

圖6 漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

相對(duì)于水面之上法， 天空光遮擋法最大程度避免了人為因素影響， 天空光去除等復(fù)雜流程， 若能有持續(xù)供電保障， 可以基于天空光遮擋法漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展漂浮式光學(xué)浮標(biāo)(floating optical buoy, FOBY)， 具備長(zhǎng)時(shí)序大范圍漂浮動(dòng)態(tài)跟蹤水體光學(xué)特性的能力與優(yōu)勢(shì)， 但測(cè)量系統(tǒng)本身還有幾個(gè)方面的研究需要深入： (1) 儀器自陰影問(wèn)題： 根據(jù)前人研究， 儀器自陰影可以對(duì)離水輻亮度的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響在1%～20%之間[15]， 因此后續(xù)研究中要加強(qiáng)儀器陰影對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響定量分析， 提出新的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案(如減少探頭尺寸， 改圓形氣囊為三腳支架結(jié)構(gòu)等)以進(jìn)一步減小儀器自陰影影響， 同時(shí)針對(duì)性地發(fā)展考慮儀器自陰影影響的數(shù)據(jù)處理方法， 以保證獲取遙感反射率的準(zhǔn)確度； (2) 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制： 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中， 由于風(fēng)浪影響， 遮擋罩浸沒(méi)水中的高度難以穩(wěn)定控制， 一方面需要加強(qiáng)水體光學(xué)特性與輻射傳輸模擬研究， 定量評(píng)估與修正各種不同類(lèi)型水體的遮擋罩浸沒(méi)高度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響； 另一方面加強(qiáng)數(shù)據(jù)后處理方法研究， 以精確得出水面之上的準(zhǔn)確離水輻亮度測(cè)量值； (3) 數(shù)據(jù)高頻觀測(cè)： 現(xiàn)有的觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分鐘級(jí)觀測(cè)， 可以在2～3 min內(nèi)快速記錄30條光譜， 仍可以通過(guò)提高采集頻率， 調(diào)整積分時(shí)間等手段優(yōu)化設(shè)計(jì)， 提高觀測(cè)效率， 以更加準(zhǔn)確地獲取剛好水面之上的準(zhǔn)確離水輻亮度； (4) 姿態(tài)記錄： 觀測(cè)系統(tǒng)姿態(tài)對(duì)于傳感器的觀測(cè)幾何有著不可忽略的影響， 一方面可以通過(guò)增加姿態(tài)傳感器記錄多維姿態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的校正、 篩選， 另一方面可以在硬件設(shè)計(jì)中加入常平裝置， 保證觀測(cè)系統(tǒng)處于常平姿態(tài)； (5) 多要素聯(lián)合觀測(cè)： 除了搭載水體光譜觀測(cè)傳感器， 可以結(jié)合其他水質(zhì)傳感器， 進(jìn)行多種水體要素的聯(lián)合觀測(cè)， 建立漂浮式光學(xué)浮標(biāo)服務(wù)于水色遙感反演算法； (6) 長(zhǎng)時(shí)序大范圍組網(wǎng)觀測(cè)： 該系統(tǒng)具有漂浮式光譜測(cè)量能力， 需要進(jìn)一步加強(qiáng)各種不同類(lèi)型水體場(chǎng)景的測(cè)試確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 若解決長(zhǎng)期供電問(wèn)題則有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)序大范圍組網(wǎng)觀測(cè)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

基于天空光遮擋法的漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)情況， 詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)。 珠江口連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)分析證明該系統(tǒng)水體光譜測(cè)量的精度和穩(wěn)定性， 并可實(shí)現(xiàn)水體光譜分鐘級(jí)的高頻觀測(cè)以及長(zhǎng)時(shí)序自動(dòng)觀測(cè)， 快速跟蹤水體光學(xué)特性的動(dòng)態(tài)變化。 基于該系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的漂浮式光學(xué)浮標(biāo)可用來(lái)建立傳感器觀測(cè)網(wǎng)， 實(shí)現(xiàn)水體光譜大數(shù)據(jù)集獲取， 從而大大提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的匹配效率， 也有望大幅提高各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)水色遙感應(yīng)用潛力。

未來(lái)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)遙感反射率數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量控制， 開(kāi)展硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理方法研究， 解決儀器自陰影的評(píng)估及校正、 遮光罩入水深度控制、 浮標(biāo)多維姿態(tài)記錄、 長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)的供電保障等問(wèn)題。