牟平觀測平臺水體表觀光學特性測量功能設計與實現(xiàn)

李銅基，馬超飛，朱建華，劉 廷，楊安安

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京 100081）

海洋水色遙感是全球和區(qū)域范圍內(nèi)對海洋生物地球化學進行持續(xù)監(jiān)測和預警的重要數(shù)據(jù)來源，服務于海洋經(jīng)濟、海洋管理、海洋安全以及其他公益服務等眾多領域，是國家自然資源管理、全球海洋環(huán)境觀測的重要手段[1-2]。對星載遙感器的長期輻射性能跟蹤、輻射校正及衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實性檢驗（以下簡稱定標檢驗）是海洋水色遙感定量化應用的基礎環(huán)節(jié)[3-5]。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在海洋生物地球化學衛(wèi)星數(shù)據(jù)長期定標和檢驗的綜合計劃中指出，在總結寬視場水色掃描儀（the Seaviewing Wide Field-of-view Sensor，SeaWiFS）/中分辨率成像光譜儀（the Moderate resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）等前期衛(wèi)星計劃以及SIMBIOS（Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies）計劃經(jīng)驗的基礎上，建立長期的海洋生物地球化學衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標和檢驗能力是解決實際問題的一個務實辦法[4]。自HY-1A海洋衛(wèi)星工程立項論證初期就把其遙感器的定標檢驗作為定量化應用的關鍵性和基礎性技術[5]，在建立和完善海洋衛(wèi)星與衛(wèi)星海洋應用的業(yè)務化體系過程中，定標檢驗系統(tǒng)都是衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的核心組成部分。隨著我國海洋水色衛(wèi)星應用技術的不斷進步，對星載遙感器的定標和檢驗技術的發(fā)展也不斷提出更高的要求。特別是HY-1C和HY-1D組成我國首個海洋水色業(yè)務化衛(wèi)星星座，實現(xiàn)上、下午全球組網(wǎng)觀測，標志著我國水色遙感進入到全球業(yè)務化觀測的新階段。2019年12月，我國首個專門用于海洋水色系列衛(wèi)星（HY-1）真實性檢驗的離岸觀測平臺——牟平觀測平臺（以下簡稱牟平平臺）主體設施完成舾裝，牟平平臺的上層建筑為25 m×25 m的浮式半潛平臺（圖1），其主甲板離海面高度7 m，并部署在煙臺養(yǎng)馬島以北24 km的海域，周邊海域水深約20 m。平臺上部署的觀測設備涵蓋了水體光學特性、大氣光學特性、水色主要水體成分濃度、紅外輻射溫度、水文、氣象等海洋水色衛(wèi)星檢驗所需的參數(shù)類型，設備均具備長期無人值守自動觀測能力。平臺設有生物光學實驗室、儀器輻射性能跟蹤實驗室、通海觀測井、監(jiān)控指揮室、集成控制室等專業(yè)觀測設施，同時具備9名試驗人員開展7天駐留試驗的后勤保障能力。本文重點論述該平臺水體表觀光學特性測量功能的設計與實現(xiàn)。

圖1 牟平觀測平臺

1 平臺水體表觀光學特性測量功能設計

由于受到陸源輸入、沿岸流等影響，我國廣闊的近岸水體為光學復雜的Ⅱ類水體，牟平平臺部署的海域就是這類水體的典型代表。未來海洋水色研究的一個重大挑戰(zhàn)就是對溶解和顆粒組分占主要影響因素的沿海和邊緣海的研究能否達到大洋水體（Case-I）的研究水平[4]。由于水體光學性質(zhì)垂直結構變化大，垂直透明度低、水深較淺，以及海面擾動等，對其表觀光學特性（Apparent Optical Properties，AOP）的測量存在固有的不確定度。在大多數(shù)這類具有顯著垂直結構和光學復雜度的Ⅱ類水體中，AOP的水面之上測量法（Above Water Method）可能優(yōu)于水中測量法（In Water Method），因為它們可以直接測量海面，易于剔除海面擾動，且無儀器陰影干擾[6]，雖然必須恰當?shù)販p小平臺陰影和反射源的影響[7]。更為重要的是，采用水上法測量對儀器部署和維護的難度要低，部署后對周邊船舶活動的影響小，更適用于長期自動觀測。ZIBORDI G等[8]利用多年全球氣溶膠和水色觀測網(wǎng)（AERONET-OC）測量數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品比對的研究結果表明，水面之上法的輻射測量能力已達到有效滿足產(chǎn)品檢驗的準確度要求，同時也呈現(xiàn)出在世界各地光學復雜水域極好的測量能力[8]。針對我國水色遙感的現(xiàn)實需求和未來方向，牟平平臺AOP觀測設備選型突出在海岸帶水域更精確的現(xiàn)場測量，重點是長期觀測問題，考慮技術要求包括：（1）采用水上法測量；（2）光譜范圍涵蓋350～900 nm；（3）自適應調(diào)整觀測幾何，適合無人值守自動觀測，維護便捷。

為保障牟平平臺上表觀光學參數(shù)測量的穩(wěn)健、可靠性，在平臺上設計部署了兩種表觀光學參數(shù)測量系統(tǒng)：（1）自動光譜測量系統(tǒng)（CAOP）；（2）水色版太陽光度計測量系統(tǒng)（SeaPRISM）。

1.1 自動光譜測量系統(tǒng)

自動光譜測量系統(tǒng)（CAOP）為廣州水色海洋技術有限公司自主研發(fā)，原為船舶走航式水體表觀光譜觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載3套Trios公司的高性能高光譜輻射計（光譜范圍為320～950 nm，光譜準確度為0.3 nm），可同步測量海面下行總漫射輻照度（E s）、海面輻亮度（L t）和天空光輻亮度（L i）。系統(tǒng)安裝后效果圖如圖2所示。該系統(tǒng)具有自動觀測方位角調(diào)整部件，同步記錄觀測視野圖像部件。在較完善的軟件系統(tǒng)支撐下，可實現(xiàn)光譜采集積分時間調(diào)整、觀測幾何自動調(diào)整、定時觀測等功能。自動光譜測量系統(tǒng)部署在牟平平臺的東角，如圖3所示，以保障能夠嚴格按觀測幾何要求（觀測天底角40°，與太陽相對方位角135°）獲得更多的數(shù)據(jù)。CAOP系統(tǒng)具有三維自適應平衡裝置，滿足在平臺、甚至船舶走航情況下對海觀測幾何的保持。

圖2 CAOP自動光譜測量系統(tǒng)

圖3 CAOP和SeaPRISM在平臺的部署位置

使用水面之上測量法需要妥善地規(guī)避上層建筑對觀測光場的影響。為此，專門設計建造了一個高5 m、長7 m的安裝支臂，如圖4所示。CAOP安裝在測量支臂的頂端，使儀器距海面高度約12 m。圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別給出CAOP在夏至、秋分、冬至11時海面觀測點位置模擬計算結果，由此可見，在加裝觀測支臂后，CAOP在全年9—16時觀測均屬“遠場觀測”，保障其測量AOP的準確性。

圖4 CAOP安裝支臂示意及實際效果圖

圖5 CAOP在夏至、秋分、冬至11時海面觀測點位置示意圖

1.2 水色版太陽光度計測量系統(tǒng)

水色版太陽光度計是一種改良的全自動商業(yè)太陽光度計。該設備由法國CIMEL公司生產(chǎn)，AERONET-OC中采用的核心設備[9-10]。該設備可在執(zhí)行太陽光度計功能（正常的太陽和天空測量）之后測量海面，設備采用濾光片轉盤方式依次測量得到400 nm、412.5 nm、442.5 nm、490 nm、510 nm、560nm、620nm、665nm、779nm、865nm和1 020 nm的太陽直射輻照度（E0）、天空散射輻亮度（Lsky，平緯圈、太陽基礎面、等散射角3種模式）、海面輻亮度（Lt）以及相應的天空光輻亮度（Li）。該設備具有測量精度高、易攜帶安裝、自動瞄準、太陽能供電、可自動傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，適用于離岸觀測平臺的使用。圖6給出SeaPRISM在牟平平臺部署后的效果。按照AERONET-OC的部署建議，儀器部署安裝在平臺西角[10]，如圖6所示。

圖6 SeaPRISM水色版太陽光度計測量系統(tǒng)

為保障SeaPRISM按觀測幾何要求（觀測天底角40°，與太陽相對方位角90°）獲得更多遠場觀測數(shù)據(jù)，減小平臺上層建筑對測量光場的影響，特別建造了一個5 m高的儀器專業(yè)觀測臺，如圖7所示，儀器實際對海觀測時距海面高12 m。同樣，本文也對SeaPRISM在全年對海觀測的狀態(tài)進行了模擬，圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）分別給出SeaPRISM在夏至、秋分和冬至11時海面觀測點位置模擬計算結果。由此可見，在全年9—16時的大部分觀測屬“遠場觀測”。當太陽直射北半球，太陽方位角變化范圍增大，在早和晚時會出現(xiàn)觀測點落入“近場觀測”范圍內(nèi)，這以夏至日為最，10：30之前和14：30之后，對海觀測點進入“近場觀測”范圍。

圖7 SeaPRISM儀器安裝的觀測臺示意圖

圖8 SeaPRISM在夏至、秋分、冬至11時海面觀測點位置示意圖

1.3 水體表觀光學特性測量系統(tǒng)的運行情況

在經(jīng)過多次測試與調(diào)試后，2020年4月29日，牟平平臺上2套水體表觀光學特性測量系統(tǒng)投入試運行。CAOP的工作時序為每天8：00—18：30間隔約10 min測量一組，每組測量3次。SeaPRISM按內(nèi)設工作模式（即在滿足內(nèi)設對海觀測條件時）對海觀測。SeaPRISM并不是直接測量Es，而是通過對多角度天空輻亮度測量，經(jīng)輻射傳輸模型估算Es[10]。因此，其完成水體表觀光學特性的測量是建立在良好太陽直射輻照度測量（氣溶膠光學厚度測量）、天空輻亮度多角度掃描測量并實現(xiàn)大氣輻射傳輸模型估算Es的基礎上[11-12]。

自4月29日試運行以來，截止至9月30日，CAOP共進行了3 062組測量（每組均需完整測量3次），在采用光譜質(zhì)量控制[13]以及3次測量一致性控制（CV＜0.05）等基本質(zhì)量控制后，可靠數(shù)據(jù)為1 933組，如圖9所示。圖9中出現(xiàn)6個時間段無測量，與偶發(fā)性通訊異常（包含L t傳感器通訊線接觸不良）、偶發(fā)性測量次數(shù)不足或單次測量數(shù)據(jù)量少等原因有關，最長的一次中斷是在7月7—15日儀器因自動觀測方位角調(diào)整部件故障維修。

圖9 2020年4月29日至9月30日CAOP測量結果的統(tǒng)計

嚴格按照AERONET對氣溶膠光學特性的質(zhì)控后[11-12]，SeaPRISM在此期間共獨立實現(xiàn)對水體表觀光學特性測量341組，在采用光譜質(zhì)量控制[13]后，可靠數(shù)據(jù)為269組，詳見圖10。由圖10可見，由于SeaPRISM采用濾光片輪依次進行各波段太陽直射、天空掃描和海面觀測的觀測機制，以及采用較嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)控，主要是對氣溶膠光學厚度（AOD）的質(zhì)控，SeaPRISM對水體表觀光學特性測量僅出現(xiàn)在29天內(nèi)。在6月下旬至8月上旬的雨季，對水體表觀光學特性的測量幾乎難以達到質(zhì)控要求。

圖10 2020年4月29日至9月30日SeaPRISM測量結果的統(tǒng)計

2 運行與比測

2.1 比測試驗效果

2020年6月11日，利用地物光譜儀（ASD）對平臺上部署的CAOP和SeaPRISM進行功能性驗證。3種儀器獨立測量，ASD為人工手動測量，比測時間為9：20—14：40，大約20 min測量一組，共進行了15組測量。比測期間天氣為全陰，偶有小雨，風速均在2 m/s以下。圖11和圖12分別給出ASD和CAOP 15次同步觀測的結果和比對結果，由圖可見，CAOP測量的遙感反射比（Rrs）與ASD測量結果具有很好的一致性，且CAOP自動觀測的結果更為穩(wěn)健。ASD測量結果波動大的原因可能是因其依次觀測Es、Lt、Li的機制，以及周邊環(huán)境的干擾造成。

圖11 20200611比測試驗ASD和CAOP測量的Rrs

圖12 20200611比測試驗ASD和CAOP測量Rrs的比對結果

如前所述，SeaPRISM對水體表觀光學特性的測量必須在光照穩(wěn)定的晴朗天氣下進行。在20200611比測試驗中，為達到驗證目的，在利用SeaPRISM測量Rrs中，采用CAOP同步測量的Es。比測試驗中，共實現(xiàn)SeaPRISM與ASD同步觀測9次，圖13和圖14分別給出這9次觀測SeaPRISM的測量結果，以及與ASD的比對結果。由于采用濾光片輪依次觀測機制，SeaPRISM測量中各波段為獨立測量，測量周期長，這可能是造成圖13中各光譜譜型差異大，甚至明顯異常（如BD06）的原因。圖14可知SeaPRISM測量的Rrs與ASD測量結果具有很好的一致性，SeaPRISM測量結果總體略偏小，這可能是因為SeaPRISM沒有720 nm波段而在處理算法中采用665 nm波段數(shù)據(jù)對殘留耀斑剔除所致[14-17]。

圖13 20200611比測試驗期間SeaPRISM測量的Rrs

圖14 20200611比測試驗期間SeaPRISM測量的Rrs與ASD測量結果的比對

2.2 長時間序列測量水體遙感反射率的比對

針對2020年4月29日至9月30日期間牟平平臺CAOP和SeaPRISM測量的可靠數(shù)據(jù)，本文按±1 h的時間匹配規(guī)則進行匹配，共實現(xiàn)96組匹配數(shù)據(jù)。圖15給出2020年4月29日至9月30日期間CAOP與SeaPRISM測量Rrs的比對結果，可見，2種設備對水體表觀光學特性的測量結果具有很好的一致性。SeaPRISM測量結果總體略偏小，如上文所述，這可能是因為SeaPRISM沒有720 nm波段而在處理算法中采用665 nm波段數(shù)據(jù)對殘留耀斑剔除所致[14-17]。

圖15 2020年4月29日至9月30日CAOP與SeaPRISM測量Rrs的比對結果

3 結 論

隨著我國海洋水色遙感事業(yè)的快速發(fā)展，對水色遙感器的定標與檢驗技術也得到不斷提高。在國家民用空間基礎設施項目資助下，我國首個專門用于水色衛(wèi)星真實性檢驗的離岸觀測平臺——牟平觀測平臺投入試運行。該平臺具有較為完善的水色衛(wèi)星真實性檢驗原位測量系統(tǒng)和試驗基礎設施條件。

本文重點介紹了平臺上水體表觀光學特性測量功能的設計與實現(xiàn)，涉及觀測模式分析、儀器選型、部署裝置設計與實現(xiàn)、基本運行情況。針對我國水色遙感的現(xiàn)實需求和未來方向，牟平平臺AOP觀測設備選型突出在海岸帶水域更精確的現(xiàn)場測量，重點是長期觀測問題，因此，設計實現(xiàn)了涵蓋350～900 nm光譜范圍，具備自適應調(diào)整觀測幾何水上法測量的2種表觀光學特性測量系統(tǒng)（CAOP和SeaPRISM）。為CAOP專門設計建造了一個高5 m，長7 m的安裝支臂，從而保證其在全年9—16時觀測均屬“遠場觀測”；為SeaPRISM特別建造了一個5 m高的儀器專業(yè)觀測臺，以保證其盡可能避免上層建筑對觀測光場的干擾。

文中利用20200611比測試驗和2020年4月29日至9月30日運行數(shù)據(jù)進行了比對分析，結果表明，平臺上搭建的2種水體表觀光學測量系統(tǒng)能夠按照標準的觀測幾何要求，實施無人值守自動觀測，測量獲得遙感反射率的比對呈現(xiàn)較好的一致性，驗證了平臺在水體表觀光學特性的基本測量功能。2020年4月29日至9月30日，CAOP獲得可靠數(shù)據(jù)1 933組，SeaPRISM獲得可靠數(shù)據(jù)341組，極大豐富了對水色衛(wèi)星產(chǎn)品真實性檢驗的原位數(shù)據(jù)，也突顯了長期固定觀測站點在衛(wèi)星定標檢驗工作中的作用。