北冰洋固有光學(xué)特性遙感反演研究

宮麗嬌，黃 玨*，吳 銘

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引言

水體固有光學(xué)特性(Inherent Optical Properties，IOPs)僅受水體自身組分影響，不隨光照條件變化而變化，是生物光學(xué)模型的重要輸入?yún)?shù)，對(duì)水色遙感的研究具有重要意義。水體總吸收系數(shù)(a)是水體固有光學(xué)特性的組成成分之一，由浮游植物吸收系數(shù)(aph)、有色溶解和碎屑顆粒物吸收系數(shù)(adg)以及純水吸收系數(shù)(aw)組成。了解總吸收系數(shù)的各組成成分，有助于更好地認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)相互作用的問(wèn)題，值得深入研究[1]。aph是浮游植物生物量的指標(biāo)，可納入初級(jí)生產(chǎn)模型[2-3]；由于光譜相似，非浮游植物顆粒和有色溶解有機(jī)物的吸收系數(shù)通常相加并記為有色溶解和碎屑顆粒物吸收系數(shù)。有色溶解和碎屑顆粒物光化學(xué)活性顯著，在地球化學(xué)和碳循環(huán)以及海洋中的其他過(guò)程扮演著重要的角色[4-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)水體光學(xué)特性反演模型進(jìn)行了諸多的研究，其中，半分析模型是應(yīng)用最廣泛的模型[7-10]。Hoge和Lyon[11-13]開(kāi)發(fā)了線性矩陣求逆模型(The Linear Matrix Inversion Algorithm，LMI)，后經(jīng)Boss和Roesler[14]修改；Garver和Siege[15]開(kāi)發(fā)了半分析海洋水色模型(Garver-Siegel-Maritorena，GSM)，Maritorena等[16]開(kāi)發(fā)了模擬退火程序，改善GSM模型性能；Lee等[6]基于輻射傳輸理論，開(kāi)發(fā)了Quasi-Analytical Algorithm(QAA)來(lái)反演水體固有光學(xué)特性，并通過(guò)解析函數(shù)評(píng)估模型反演固有光學(xué)特性的可行性[17]。3種反演模型得到了廣泛的驗(yàn)證與應(yīng)用[1,5,15-16,18-23]。

隨著全球氣候變暖，北極生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)正在不斷變化[24-25]，研究北冰洋IOPs的需求日益增加。國(guó)際海洋水色協(xié)調(diào)小組[15]在2006年利用實(shí)測(cè)和模擬光學(xué)數(shù)據(jù)集對(duì)各種反演模型的性能進(jìn)行了比較，但是目前的反演模型通常是基于低緯度的海洋數(shù)據(jù)集開(kāi)發(fā)出來(lái)的，北極地區(qū)氣候嚴(yán)寒，北冰洋常年被冰雪覆蓋，僅在6—10月部分海冰融化可通航，惡劣的地理?xiàng)l件使得北冰洋的水色遙感研究困難重重。現(xiàn)有研究證明在大陸架區(qū)域內(nèi)的北冰洋，生物光學(xué)特性通常很復(fù)雜，與低緯度地區(qū)觀察到的關(guān)系大不相同[26-32]。

與楚科奇海和波弗特海的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，Wang等[27]的研究表明GSM模型反演的adg(443)誤差較大；Matsuoka等[30]根據(jù)北冰洋的IOPs優(yōu)化GSM模型，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的波譜形狀，將數(shù)據(jù)集分為2類，優(yōu)化模型反演的adg(443)的誤差分別為0.35和0.50，但是基于有限數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論具有偶然性。Zheng等[31]發(fā)現(xiàn)，QAA_V5模型在低緯度地區(qū)和北極地區(qū)，均低估了浮游植物的吸收，特別是在北極地區(qū)，模型反演的aph出現(xiàn)大量負(fù)值。最新形式的QAA_V6模型，根據(jù)遙感反射率Rrs(670)將水體分為2類并選用不同的參考波段進(jìn)行計(jì)算，可提高模型在復(fù)雜水體中的性能，但目前還未應(yīng)用于北冰洋。

本文基于北冰洋3次巡航取樣的數(shù)據(jù)集，比較LMI、GSM和QAA_V6模型在高緯度水域反演IOPs的性能，并對(duì)誤差原因進(jìn)行分析，結(jié)合模型特性，進(jìn)行區(qū)域參數(shù)優(yōu)化以適用于北冰洋，為北冰洋光學(xué)遙感提供更全面的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

北冰洋是以北極點(diǎn)為中心的水域，其海岸線十分曲折，形成了許多淺而寬的邊緣海，其中，波弗特海面積為47.60萬(wàn)平方千米，楚科奇海為59.50萬(wàn)平方千米，均在70°N以上，氣溫低，海面幾乎全年被冰雪覆蓋。楚科奇海通過(guò)白令海峽與營(yíng)養(yǎng)豐富的太平洋連通，具有較高的生產(chǎn)力；波弗特海受麥肯齊河影響，其養(yǎng)分利用率低，但是在阿蒙森灣入口處形成的冰穴延長(zhǎng)了浮游植物的生長(zhǎng)季節(jié)，因而在波弗特海東部觀察到相對(duì)較高的初級(jí)生產(chǎn)力[11]。

2009年8月，MALINA探險(xiǎn)隊(duì)在波弗特海巡航取樣，2010年6月和2011年7月，作為美國(guó)國(guó)家航空航天局項(xiàng)目“ICESCAPE”的一部分，在楚科奇海進(jìn)行巡航取樣。3次采樣共83個(gè)站點(diǎn)，除去幾個(gè)觀測(cè)異常的站點(diǎn)，本文使用了77個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，站位分布如圖1所示。使用的數(shù)據(jù)集同時(shí)測(cè)定了水體固有光學(xué)特性和表觀光學(xué)特性，是迄今為止在北冰洋進(jìn)行的較為全面的光學(xué)測(cè)量結(jié)果，這對(duì)全面評(píng)估模型的性能尤為重要。

圖1 北極地區(qū)測(cè)量點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of measurement points in the arctic

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 遙感反射率測(cè)量

Rrs(λ)被定義為上行輻照度Lu(λ，z= 0+)≡Lw(λ)和下行輻照度Ed(λ，z= 0+)≡Es(λ)的比值，其中，Lw(λ)為離水輻亮度，Lw(λ)為水面的入射輻照度。在ICESCAPE航行中，使用剖面反射率輻射儀(Biosperical)測(cè)量了包括412，443，490，510，555和665 nm在內(nèi)的18個(gè)光譜波段的垂直輻射剖面。在MALINA航行中，使用便攜式水體光學(xué)剖面測(cè)量系統(tǒng)C-OPS(Biosperical Instruments Inc.)測(cè)量了包括412，443，490，510，555和670 nm在內(nèi)的18個(gè)光譜波段。開(kāi)闊海域在波長(zhǎng)為555 nm或者更長(zhǎng)處有峰值，而沿海水域則在412～490 nm處有峰值，在這2種數(shù)據(jù)中，各隨機(jī)選取4個(gè)光譜數(shù)據(jù)繪圖，如圖2所示。

圖2 遙感反射率光譜Fig.2 Spectra of remote-sensing reflectance

1.2.2 吸收系數(shù)和散射系數(shù)測(cè)量

吸收系數(shù)ap和ad是通過(guò)測(cè)量放置在Perkin Elmer Lambda 35紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)積分球內(nèi)的樣品過(guò)濾器的光譜吸光度獲得的，詳細(xì)步驟參考文獻(xiàn)[33-34]。將樣品過(guò)濾器放在樣品光束檢測(cè)器的一側(cè)，在0°，90°和180°測(cè)量3次，得到ap和ad三次掃描的平均值，ag通過(guò)UltraPath儀器測(cè)量，其中aph=ap-ad，adg=ag+ad。

水體的后向散射系數(shù)bb是用垂直剖面模式放置的原位儀器測(cè)量的。在2次ICESCAPE巡航中，bb由2套Hydract-6測(cè)量?jī)x器分別進(jìn)行測(cè)量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

Hoge和Lyon[11-13]開(kāi)發(fā)的LMI模型利用412，443和555 nm三個(gè)波長(zhǎng)的遙感反射率，構(gòu)建一個(gè)由aph，adg和bbp組成的線性矩陣方程，導(dǎo)出IOPs。LMI模型通過(guò)IOPs的共同變化來(lái)限制誤差，光譜斜率S的變化范圍在0.01～0.02，冪律指數(shù)Y的變化范圍在0～2，適用于全局優(yōu)化。

Garver和Siegel[15]基于遙感反射率與a和bbp之間的二次關(guān)系開(kāi)發(fā)了GSM模型，引入了葉綠素a比吸收系數(shù)a*ph(λ)，針對(duì)全球海洋葉綠素濃度反演，確定了GSM模型的幾個(gè)重要參數(shù)：S=0.020 6，Y=1.037 0，在443～555 nm處，a*ph(λ)分別為0.006 65，0.055 82，0.020 55，0.019 10和0.010 15；Maritorena等[30]采用全局最小化技術(shù)，改進(jìn)Garver和Siegel的模擬退火模型。GSM模型需要滿足3個(gè)條件才能運(yùn)行：0

Lee等[6]開(kāi)發(fā)的QAA模型，基于輻射傳輸方程的理論分析和數(shù)值模擬，導(dǎo)出遙感反射率與IOPs之間的關(guān)系。QAA模型主要分為2部分：第1部分模型反演得到總吸收系數(shù)a和后向散射系數(shù)bbp；第2部分是根據(jù)解析方程將a分解為aph和adg。QAA模型已更新了好幾個(gè)版本，本次研究采用最新版本的QAA_V6，步驟如下所示。

將水面遙感反射率Rrs(λ)轉(zhuǎn)換為水面下的遙感反射率rrs(λ)[6]：

rrs(λ)=Rrs(λ)/[0.52+1.7Rrs(λ)]。

(1)

Gordon等[9]通過(guò)模擬得到了遙感反射率與固有光學(xué)特性的關(guān)系：

rrs(λ)=g0u(λ)+g1u(λ)，

(2)

u(λ)=bb/(a+bb)，

(3)

式中，a表示水體總吸收系數(shù)；bb表示后向散射系數(shù)；g0和g1為模型參數(shù)，分別取值0.089和0.124 5。結(jié)合式(1)和式(2)，u也可以表示為：

(4)

QAA_V6第一部分，選定合適的參考波段：

若Rrs(670)<0.001 5sr-1，選取555 nm作為參考波段，a(λ0)為：

(5)

a(λ0)=a(555)=aw(555)+10-1.146-1.1366χ-0.469 χ2,

(6)

式中，aw(555)是555 nm處純海水的吸收系數(shù)。

若Rrs(670)≥0.001 5sr-1，選取670 nm作為參考波段，a(λ0)為：

(7)

式中，aw(670)是670 nm處純海水的吸收系數(shù)。

bb(λ)可表示為[6]：

bb=bbw(λ)+bbp(λ)，

(8)

(9)

式中，bbw(λ)和bbp(λ)為純海水和懸浮顆粒物的后向散射系數(shù)。

當(dāng)a(λ0)，u(λ0)和bbw(λ0)已知，bbp(λ0)為：

(10)

光譜斜率η可表示為：

(11)

據(jù)此，可以計(jì)算其他波長(zhǎng)的bbp(λ)。

將bb(λ)帶入式(3)，可計(jì)算其他波段的a(λ)：

(12)

QAA_V6第二部分，據(jù)解析方程分解a為：

a(λ)=aph(λ)+adg(λ)+aw(λ)，

(13)

adg可表示為：

adg(λ)=ag(443)exp[-S(λ-443)]，

(14)

式中，光譜斜率S表示為：

(15)

ag(443)可表示為：

(16)

式中，ζ和ξ為：

(17)

ξ=exp[S(442.5-415.5)]。

(18)

據(jù)此，可以計(jì)算其他波長(zhǎng)的adg和aph，即：

adg(λ)=ag(443)exp[-S(λ-443)]，

(19)

aph(λ)=a(λ)-adg(λ)-aw(λ)。

(20)

1.4 反演結(jié)果評(píng)估

根據(jù)確定系數(shù)(R2)、均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)和平均相對(duì)誤差(Mean Relative Error，MRE)來(lái)評(píng)估模型性能：

(21)

(22)

(23)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文共77個(gè)數(shù)據(jù)，但是研究發(fā)現(xiàn)，LMI模型反演的3個(gè)吸收系數(shù)均有負(fù)值，約占了總數(shù)據(jù)的1/7；GSM模型受3個(gè)條件的約束，有2個(gè)無(wú)效值；QAA_V6模型反演的aph在5個(gè)波段出現(xiàn)多個(gè)負(fù)值，與Zheng等[31]用QAA_V5模型反演得到的結(jié)論相似，本文基于有效數(shù)據(jù)值對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行評(píng)估。

采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，如圖3所示。

圖3 412，443，490，510和555 nm處LMI,GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖

圖3比較了LMI、GSM和QAA_V6三個(gè)模型在412，443，490，510和555 nm五個(gè)波段處反演a的性能。3個(gè)模型反演的a基本散落在1∶1的擬合線附近，其中，QAA模型反演結(jié)果最為理想，如表1所示，在412～555 nm處，R2均大于0.80，RMSE在0.13～0.63之間波動(dòng)，MRE在0.33～0.68之間波動(dòng)，但是在555 nm處，圖3(e)高值區(qū)域，明顯高估；GSM模型嚴(yán)重低估a(443)，而且在a(412)處，誤差較大；LMI模型反演的a在含量較高區(qū)域出現(xiàn)負(fù)值，且相關(guān)性隨波長(zhǎng)的增加而降低，在555 nm處相關(guān)性急劇下滑，其RMSE和MRE分別為0.03，0.13。

QAA模型反演的adg與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性最好，如圖4所示。

表1 反演a(λ)，adg(λ)和aph(λ)的統(tǒng)計(jì)

圖4 412，443，490，510和555 nm處LMI，GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖

在adg含量高的區(qū)域，反演結(jié)果均高估，且對(duì)比GSM和LMI，RMSE和MRE精度較低，特別是在412 nm處，RMSE高達(dá)1.03；GSM模型導(dǎo)出的adg表現(xiàn)也較好，但均表現(xiàn)為低估，在555 nm處，其MRE為0.76；LMI反演負(fù)值出現(xiàn)在含量較高的區(qū)域，除掉10個(gè)無(wú)效值后，LMI模型反演的adg，其R2均大于0.70，誤差波動(dòng)也較少。

相比于adg，3個(gè)模型反演的aph誤差都較大。QAA模型反演的aph，其R2均低于0.60，且MRE誤差大，555 nm處高達(dá)19.52；如圖5所示，GSM模型反演的aph基本圍繞1∶1擬合線附近，分布較為分散，R2均小于0.40，但是精度較穩(wěn)定；LMI模型反演的aph，其R2在0.30左右，RMSE在0.05～0.16間波動(dòng)，MRE在1.5～3.2間波動(dòng)，反演結(jié)果均高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且誤差較大。從表1可以看出，3個(gè)模型均在555 nm處的反演結(jié)果較差。

圖5 412，443，490，510和555 nm處LMI，GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖

綜合來(lái)看，QAA模型反演結(jié)果最為理想，GSM模型次之，LMI模型在北冰洋的反演結(jié)果較不理想，而且3個(gè)模型在反演a，adg和aph時(shí)，均在555 nm處得到較差的反演結(jié)果。

3 討論與改進(jìn)

3.1 討論

GSM模型是應(yīng)用于全球大尺度的反演模型，但是應(yīng)用于高緯度地區(qū)時(shí)并不準(zhǔn)確。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從開(kāi)闊海域到沿海海域，adg(443)的值變化很大，范圍分別是0.02～0.22 m-1，0.49～1.31 m-1，約占總吸收系數(shù)的77+26%，占據(jù)了主導(dǎo)地位，與低緯度地區(qū)的情況大不同，這與Matsuoka等[32]的研究相一致。模型反演的a和adg在各個(gè)波段整體表現(xiàn)為在高值區(qū)域高估，在低值區(qū)域低估，尤其低估a(443)，但是反演的aph基本分散1∶1擬合線。而且不同于前人在低緯度水域的研究[16]，GSM模型沒(méi)有顯著低估aph(412)?？梢钥闯?，模型反演的a和adg的變化趨勢(shì)相似，而adg的反演精度依賴于參數(shù)S和Y的精度。由于顆粒的散射和高CDOM吸收，光在開(kāi)闊海域的穿透深度很淺，但在沿海區(qū)域很深。因此，需要為海洋和沿海水域分別設(shè)置S和Y，Matsuoka[30]等研究了波弗特海南部海域的光譜特征，發(fā)現(xiàn)開(kāi)闊海域在波長(zhǎng)為555 nm或者更長(zhǎng)處有峰值，而沿海水域則在412～490 nm處有峰值，如圖2所示，依次將77個(gè)數(shù)據(jù)劃分為2簇，對(duì)海洋和沿海水域分別設(shè)置S和Y參數(shù)，進(jìn)行靈敏度分析，優(yōu)化GSM模型。依次將本次77個(gè)數(shù)據(jù)代入，發(fā)現(xiàn)反演的aph的R2明顯增加，在412 nm處，R2提高為0.56；在443 nm處，R2提高為0.63；在490 nm處，R2提高為0.63；在510 nm處，R2提高為0.58；在555 nm處，R2提高為0.53，盡管R2有所提高，但是MRE誤差較大，在1.06～1.96區(qū)間波動(dòng)；在412～555 nm范圍內(nèi)，模型反演的adg，其R2穩(wěn)定在0.60左右；但是反演的a(443)明顯改善，其R2由0.62提高為0.96，RMSE由0.25降為0.08，MRE由0.58降為0.19。改進(jìn)的GSM模型在應(yīng)用于北冰洋時(shí)，盡管性能有所提高，但是整體的精度仍不高，可能是受到數(shù)據(jù)集的限制。

QAA_V6模型先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式反演獲得a(λ0)和bb(λ0)，再根據(jù)半分析模型推算得到adg(λ)和aph(λ)。分析可知，在a和adg時(shí)，相關(guān)性較好，但是精度有待改進(jìn)；在反演aph時(shí)，結(jié)果并不理想。這是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式通常只適用于光學(xué)特性與模型開(kāi)發(fā)中使用的光學(xué)特性相似的水域，因此驗(yàn)證模型在北冰洋的適用性，對(duì)模型進(jìn)行大量的評(píng)估，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化模型性能是必要的。

3.2 QAA_V6模型改進(jìn)

本文從77個(gè)站點(diǎn)中隨機(jī)選取23個(gè)站點(diǎn)，對(duì)QAA_V6進(jìn)行改進(jìn)，再用其余站點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

QAA_V6模型是針對(duì)開(kāi)闊海域和沿海海域提出的，根據(jù)遙感反射率的不同，選取不同的參考波段。圖3中的a(555)明顯高估，特別是高吸收區(qū)域。Lee等[6]發(fā)現(xiàn)在高吸收的渾濁水域，使用大于555 nm的參考波段精確度更高，但是，高緯度地區(qū)不同于低緯度地區(qū)，氣候嚴(yán)寒，極晝極夜現(xiàn)象使得人類與植物的活動(dòng)痕跡較少，Zheng等[31]基于QAA_V5反演的北冰洋的a(555)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，在670 nm處的相關(guān)性卻較差。根據(jù)張亭祿等水質(zhì)分類，77個(gè)站點(diǎn)中一類水體約占71%，而且實(shí)測(cè)a(555)>0.24 m-1的站點(diǎn)約占8%，水質(zhì)清澈，再加上Rrs(670)遠(yuǎn)小于Rrs(555)，過(guò)小的數(shù)值使得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)較為困難，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是優(yōu)化模型的關(guān)鍵。QAA_V6優(yōu)化模型根據(jù)Austin和Petzold的方法，選取對(duì)水質(zhì)敏感的a(443)i來(lái)估算a(555)，參數(shù)根據(jù)吸收系數(shù)進(jìn)行調(diào)整[6]：

(24)

412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖如圖6所示。

由圖6可以看出，改進(jìn)后的a(555)結(jié)果明顯改善，特別是在高值區(qū)域，R2由0.81提高為0.91，RMSE由0.20降為0.03，MRE由0.68降為0.13。延續(xù)QAA_V6模型的分類方法，將數(shù)據(jù)分為2簇，選取不同的參考波段。在ICESCAPE中，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)直接擬合η值，共14個(gè)數(shù)據(jù)值，反演的bb(443)相關(guān)性由0.66到0.84；MALINA數(shù)據(jù)缺少實(shí)測(cè)后向散射系數(shù)，將實(shí)測(cè)的總吸收系數(shù)代入到QAA_V6模型，讓?duì)窃?～3之間迭代，直到反演與實(shí)測(cè)的a在5個(gè)波段中的平均相對(duì)誤差小于0.20，迭代停止，得到參考η值。當(dāng)Rrs(670)<0.001 5 sr-1，η與rrs(443)/rrs(555)的R2由0.47提高為0.57；當(dāng)Rrs(670)≥0.001 5 sr-1，η與rrs(443)/rrs(555)的R2提也提高為0.57。根據(jù)a(555)反演的其他4個(gè)波段的總吸收系數(shù)也緊緊圍繞在1∶1擬合線附近。

QAA_V6模型將a(λ)劃分為adg(λ)和aph(λ)依賴參數(shù)ζ和ξ。通過(guò)擬合光譜比率(rrs(443)/rrs(555))與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)aph(412)/aph(443)求得ζ，adg(412)/adg(443)求取S，進(jìn)而得到ξ：

(25)

ξ=exp[S(442.5-415.5)]。

(26)

412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖如圖7所示。優(yōu)化模型反演的adg(443)改善明顯，尤其是在高值區(qū)域，基于adg(443)反演的adg(λ)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性也取得較為滿意的結(jié)果，R2均大于0.85。

圖6 412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖

圖7 412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖

QAA_V6模型反演的aph出現(xiàn)了大量負(fù)值，約占總數(shù)據(jù)的20%～43%，在統(tǒng)計(jì)分析中會(huì)被刪除。本文對(duì)誤差源進(jìn)行敏感性分析，按照控制變量的原則，對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)參數(shù)η是QAA模型反演出現(xiàn)負(fù)值的主要原因，與Zheng等[31]的結(jié)果相一致，模型反演的bb(λ)一般會(huì)高估短于551 nm波長(zhǎng)的后向散射和吸收系數(shù)，并可能在北冰洋的反演中產(chǎn)生負(fù)值。優(yōu)化后的aph負(fù)值個(gè)數(shù)約占總數(shù)據(jù)的18%～35%。412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖如圖8所示。由圖8可以看出，aph(555)整體下降，更接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且在412～510 nm處，反演結(jié)果均有所改善，R2提高為0.60左右，但是在555 nm處，R2為0.29，仍不理想。優(yōu)化模型反演的a和adg與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，但是aph和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生了較大的偏差，很大原因是受氣候影響，在北冰洋中，有色溶解和碎屑顆粒物對(duì)總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)更大。

圖8 412，443，490，510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖

QAA_V6模型優(yōu)化前后3個(gè)吸收系數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖9所示。由圖9可以看出，adg(λ)的R2有所下降，但整體保持在0.85以上，aph(λ)的R2明顯提高；除了adg(555)的MRE稍增大，RMSE和MRE均取得了令人滿意的結(jié)果。其中，adg(412)，adg(443)，aph(555)和a(555)的誤差大幅下降。

3個(gè)模型反演的3個(gè)吸收系數(shù)中，浮游植物吸收系數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異最大，很大可能是由于模型的性能。早先的研究表明，局部生物光學(xué)模型應(yīng)優(yōu)先于全局模型[36]，但是優(yōu)化參數(shù)，提高模型的整體性能并不簡(jiǎn)單，因?yàn)槟Ｐ褪歉叨确蔷€性的，有大量的潛在的聯(lián)系。此外，400～520 nm是浮游植物中多種輔助色素的吸收譜段，導(dǎo)致浮游植物吸收系數(shù)與葉綠素a的相關(guān)性降低[35]。輸入數(shù)據(jù)Rrs(λ)的準(zhǔn)確性對(duì)模型反演的結(jié)果至關(guān)重要，但是，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常包含由各種實(shí)驗(yàn)和環(huán)境因素引起的大量不確定性，這也是模型反演產(chǎn)生誤差的一個(gè)不可避免的來(lái)源。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于北冰洋的數(shù)據(jù)，測(cè)試LMI，GSM和QAA_V6三個(gè)反演模型在北冰洋的適用性。研究發(fā)現(xiàn)：① QAA_V6模型反演結(jié)果最好，GSM次之，LMI模型的反演結(jié)果出現(xiàn)多個(gè)負(fù)值，可能不適合北冰洋的反演；② 3個(gè)模型均在555 nm處得到較差的反演結(jié)果；③ 根據(jù)北冰洋特有的光學(xué)特性優(yōu)化的GSM模型，其反演結(jié)果仍不如QAA_V6模型；④ 用555 nm代替670 nm作為參考波段，QAA_V6優(yōu)化模型反演的a與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性更高。

精確的參數(shù)是模型優(yōu)化成功的關(guān)鍵。本文建立了適用于北冰洋的QAA_V6優(yōu)化模型，為水域反演提供了更全面的參考，但水域的光學(xué)性質(zhì)變化很大，受到實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)和采樣環(huán)境的限制，未來(lái)還需要更多的北冰洋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提高模型的性能。