水中油對(duì)水體上行輻亮度光譜的影響

楊俊杰， 黃妙芬， 駱蔚健， 王忠林， 邢旭峰

1. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088

2. 廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 廣東 湛江 524088

3. 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院， 廣東 湛江 524088

引 言

目前， 關(guān)于海洋油污染的研究主要集中在油膜的遙感探測(cè)和識(shí)別上， 主要的技術(shù)手段包括熱紅外[1]、 雷達(dá)[2]、 光學(xué)遙感[3]， 而關(guān)于水中油對(duì)太陽(yáng)光在水體輻射傳輸過(guò)程中的影響研究甚少。 油屬于光學(xué)活性物質(zhì)[4]， 水中油能夠改變太陽(yáng)光在水體中的輻射傳輸過(guò)程。 這不僅會(huì)引起上行輻射信息的變化， 也會(huì)影響到水上傳感器的入瞳信號(hào)強(qiáng)度， 還會(huì)造成水體光場(chǎng)的輻亮度信息變化。 光場(chǎng)指的是光譜輻亮度在水體中各個(gè)位置隨角度分布的完整描述， 水下光場(chǎng)的研究是解決水下能見(jiàn)度、 水下觀測(cè)系統(tǒng)、 水下成像、 水下目標(biāo)的目視檢測(cè)及水下初級(jí)生產(chǎn)力等問(wèn)題的前提條件[5-6]。 輻亮度是描述光的一種輻射測(cè)量學(xué)術(shù)用語(yǔ)， 也是海洋光學(xué)關(guān)注的基本輻射物理量之一， 所有其他的輻射物理量(如輻照度、 漫衰減系數(shù)、 光合有效輻射等)都可以通過(guò)輻亮度推導(dǎo)得出[7]。 這些參數(shù)可以反映不同水體可獲得太陽(yáng)能量的大小或光子數(shù)量的多少， 進(jìn)而影響水下生物的生長(zhǎng)過(guò)程及海氣界面的碳交換過(guò)程。 輻亮度可用于全面描述水體光場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨空間、 時(shí)間、 方向及波長(zhǎng)的變化[7-8]。 水體的水下光場(chǎng)及輻亮度分布則是由海水的固有光學(xué)特性、 其垂向結(jié)構(gòu)及光照條件所決定的[5]。 輻亮度與水體組分固有光學(xué)特性之間的關(guān)系可由輻射傳輸方程進(jìn)行表達(dá)和計(jì)算[9]。 油污染事件發(fā)生后， 在海洋物理過(guò)程[10]的作用下或在人為污染應(yīng)急處理[11]之后， 部分油類污染物質(zhì)與海水混合形成油水乳化物， 以水中油的形式存在于海水水體中， 水中油的出現(xiàn)及其在海水中的垂向分布會(huì)改變水體的光學(xué)特性。 因此， 含油水體的水下光場(chǎng)研究是描述太陽(yáng)輻射在含油水體中輻射傳輸過(guò)程的基礎(chǔ)工作。 其中， 輻亮度隨海水深度、 波長(zhǎng)及太陽(yáng)入射天頂角的變化特征是研究含油水體水下光場(chǎng)及進(jìn)一步開(kāi)展含油水體對(duì)海洋生地化循環(huán)過(guò)程影響的核心內(nèi)容； 同時(shí)， 上行輻亮度還是水色傳感器的重要信號(hào)源， 也是利用水色遙感技術(shù)探測(cè)水體組分構(gòu)成的關(guān)鍵物理量。

水下光場(chǎng)及水體中輻亮度隨空間、 時(shí)間、 波長(zhǎng)和方向變化的研究方法主要有兩種， 分別是理論模擬和野外實(shí)測(cè)兩種方法。 同野外實(shí)測(cè)方法相比， 理論模擬方法具有能夠描述更多細(xì)節(jié)特征、 計(jì)算結(jié)果精確度更高、 代價(jià)更低等優(yōu)點(diǎn)， 并且， 理論方法還能用于模擬計(jì)算野外實(shí)測(cè)無(wú)法開(kāi)展測(cè)量的情況。 其中， 比較常見(jiàn)的理論模擬方法有Hydrolight和Monte Carlo。 和Monte Carlo方法相比， Hydrolight采用不變嵌入法[7, 12]計(jì)算水體輻射傳輸方程， 具有計(jì)算速度快、 精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于海洋光學(xué)及水色遙感領(lǐng)域。

本文利用在大連港海域現(xiàn)場(chǎng)采集的石油類物質(zhì)固有光學(xué)特性及水中油濃度數(shù)據(jù)， 并基于Hydrolight進(jìn)行含水中油水體水下光場(chǎng)數(shù)值模擬， 旨在揭示水中油的敏感光譜特性， 并分析水中油對(duì)純海水水體上行輻亮度光譜的影響， 從水色遙感機(jī)理角度分析探測(cè)水中油污染的可行性， 為進(jìn)一步利用遙感技術(shù)探測(cè)水中油污染信息奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域及觀測(cè)站位

研究區(qū)位于中國(guó)遼寧大連港海域， 如圖1所示。 大連港坐落在遼東半島的南端， 屬于港闊水深、 冬季不凍的萬(wàn)噸貨輪港， 其中新港港區(qū)、 北良港區(qū)和長(zhǎng)興島港區(qū)是主要的油品碼頭。 原油卸裝及中轉(zhuǎn)過(guò)程發(fā)生的原油泄漏、 大型船舶運(yùn)輸過(guò)程的排放及石油污染事故均對(duì)大連港海域的水環(huán)境產(chǎn)生危害。 圖1中的A， B和C為本次研究的觀測(cè)站位， A站位為歷史石油管道爆炸事故點(diǎn)， B站位位于大連港航道上， C站位遠(yuǎn)離事故發(fā)生地點(diǎn)和船運(yùn)航道。

圖1 研究區(qū)位及觀測(cè)點(diǎn)位

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量與光場(chǎng)模擬

2018年8月25日—27日， 分別依每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻從7:00—17:00在圖1的三個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量的參數(shù)包括水中油濃度、 吸收系數(shù)、 后向散射系數(shù)等。 水中油濃度、 吸收系數(shù)及后向散射系數(shù)的測(cè)量方法和分離算法已被詳細(xì)闡述[13-15]， 不再贅述。

本文將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及處理后的數(shù)據(jù)作為Hydrolight的輸入， 模擬水深為50 m(間隔為0.6 m)的含水中油(濃度分別為0.1， 0.2， 0.3， 0.5， 1.0， 1.5， 2.0， 3.0， 5.0和10.0 mg·m-3)水體、 在不同太陽(yáng)天頂角(0°， 15°， 30°， 45°， 60°， 75°和90°)條件下的水下光場(chǎng)， 波長(zhǎng)區(qū)間為300～1 000 nm(分辨率為5 nm)。 文獻(xiàn)[15]中列舉了更詳細(xì)的單一組分含水中油水體光場(chǎng)模擬的Hydrolight參數(shù)設(shè)置[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 水中油上行輻亮度光譜特性

圖2為含水中油水體不同水深(剛好在水面之下0-， 10.2， 20.4， 30.0， 40.2和50.0 m)處的上行輻亮度光譜(300～1 000 nm)， 圖2(a—l)分別表示含不同濃度(0.1， 1， 5和10 mg·m-3)的水中油水體在不同天頂角(0°， 45°和90°)入射條件下的上行輻亮度光譜。 首先， 在300～1 000 nm光譜區(qū)間， 不同濃度的水中油對(duì)水體上行輻亮度光譜的影響主要集中在可見(jiàn)光波段(380～760 nm)， 而在紫外和紅外波段， 由于純水的高吸收特性， 水中油對(duì)水體的上行輻亮度光譜影響微弱， 甚至可以忽略(尤其當(dāng)水中油濃度較低時(shí))。 其次， 當(dāng)水中油濃度較低時(shí)， 含水中油水體主要體現(xiàn)出純海水的上行輻亮度光譜特性[圖2(a—c)]， 峰值出現(xiàn)在417.5 nm附近。 其主要原因在于純水的吸收系數(shù)在可見(jiàn)光波段大致呈遞增的趨勢(shì)， 藍(lán)綠波段純水的吸收能力弱， 在紅光波段純水的吸收系數(shù)快速增加。 隨著水中油濃度的增加， 上行輻亮度光譜峰值逐漸向長(zhǎng)波方向(442.5～472.5 nm)移動(dòng)， 且在藍(lán)光波段范圍內(nèi)， 水中油上行輻亮度光譜均出現(xiàn)一個(gè)明顯的吸收谷(432.5 nm)。 此外， 隨著水中油濃度的增加， 水中油的吸收效應(yīng)逐漸凸顯， 上行輻亮度光譜在藍(lán)光波段的量值逐漸降低。

水色遙感傳感器的光譜分辨率高， 光譜范圍一般覆蓋400～900 nm區(qū)間。 圖2表明不同濃度的水中油均可引起水體上行輻亮度光譜(可見(jiàn)光波段)的明顯變化， 其波譜響應(yīng)區(qū)間與水色傳感器的波譜設(shè)置相對(duì)應(yīng)， 屬于水色遙感的研究光譜范疇， 為利用水色遙感技術(shù)探測(cè)含水中油水體及反演水中油濃度提供了重要的光譜依據(jù)。 同時(shí)， 利用水色傳感器獲取含水中油水體的上行輻射的光譜信息， 可以為建立反演水中油濃度的反演模型提供大量的數(shù)據(jù)源。

圖2 上行輻亮度光譜

2.2 水中油上行輻亮度的深度響應(yīng)機(jī)制

水體組分對(duì)不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射具有不同的吸收和散射能力， 因此， 不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射具有相異的穿透能力。 由于石油污染事件多發(fā)生在近海海域， 本文設(shè)置水體的最大水深為50 m， 分析三個(gè)水色遙感常用波段(442.5， 557.5和677.5 nm)的上行輻亮度隨水體深度(剛好在水面以下0-～50 m)的變化特征(圖3)。 圖3(a—f)分別表示兩種濃度(1和10 mg·m-3)水中油水體在三種天頂角(0°， 45°和90°)入射條件下的上行輻亮度隨深度的變化曲線。 上行輻亮度隨著水深(剛好在水面以下0-～50 m)的增加呈現(xiàn)出先遞減、 而后在接近水體下界面之前遞增的趨勢(shì)。 此外， 含高濃度(10 mg·m-3)水中油水體的上行輻亮度隨水深的增加(呈遞增趨勢(shì)之前的深度)而快速減少， 而含低濃度水中油水體的上行輻亮度隨水深增加而降低的速率則相對(duì)較慢(尤其在藍(lán)綠波段)， 該現(xiàn)象表明含高濃度水中油水體對(duì)光的衰減作用強(qiáng)于含低濃度水中油水體。

圖3 不同波長(zhǎng)(442.5, 557.5和677.5 nm)的上行輻亮度隨水體深度的變化曲線

采用最大水深50 m的下界面， 下界面將部分入射至此處的太陽(yáng)輻射反射回水體， 這是造成越接近水體的下界面， 上行輻亮度不減反增的根本原因。 本文含水中油水體屬于近岸或光學(xué)淺水水體(optically shallow waters)， 含不同濃度的水中油水體剛好在水面之下(0-)上行輻亮度之間的差異(圖2和圖3)表明， 水體中不同濃度的水中油對(duì)剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的貢獻(xiàn)是不同的； 同時(shí)， 也不可忽視水體下界面對(duì)剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的貢獻(xiàn)(圖3)。 水體輻射傳輸利用水體中不同深度內(nèi)的水體組分與光的相互作用， 對(duì)光的下行和上行傳輸過(guò)程進(jìn)行描述， 是水色遙感的核心機(jī)理。 不同濃度的水中油對(duì)光線在水體中輻射傳輸過(guò)程的影響與水色三要素一致， 均會(huì)引起光在傳輸過(guò)程中不同程度的衰減， 符合利用水色遙感技術(shù)探測(cè)水體組分的輻射傳輸機(jī)理。 這表明可以將水中油視作一種新的水體組分， 基于水體輻射傳輸機(jī)理開(kāi)展含水中油水體的水色遙感反演研究。

2.3 剛好位于水面之上和水面之下上行輻亮度的太陽(yáng)天頂角響應(yīng)機(jī)理

水體上行輻亮度需經(jīng)過(guò)水汽界面的透射后再經(jīng)大氣傳輸進(jìn)入傳感器， 傳感器除了能接收到水體的上行輻射信息之外， 還受到水汽界面對(duì)太陽(yáng)輻射反射的影響。 圖4是剛好在水面之上(帶點(diǎn)實(shí)線)和剛好在水面之下(虛線)的上行輻亮度隨天頂角(0°， 15°, 30°， 45°， 60°， 75°及90°)的變化曲線圖。 隨著天頂角的增大， 輻亮度光譜的量值逐漸變小， 表明太陽(yáng)天頂角對(duì)輻亮度光譜的量值具有影響作用。 此外， 當(dāng)天頂角為0°時(shí)， 剛好在水面之上(0+)上行輻亮度往往超過(guò)剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 剛好位于水面之上和水面之下的上行輻亮度隨天頂角變化曲線圖

海表面對(duì)太陽(yáng)直射輻射的反射會(huì)淹沒(méi)水體組分的弱信號(hào)， 在含水中油水體中也具有該效果(圖4和表1)。 表1以圖4(d)(10 mg·m-3)為例， 計(jì)算在不同波長(zhǎng)及天頂角條件下剛好在水面之上(0+)上行輻亮度占剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的比率。 當(dāng)太陽(yáng)天頂角為0°時(shí)， 太陽(yáng)直射入射反射參與貢獻(xiàn)的剛好在水面之上(0+)上行輻亮度是剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的幾十甚至幾百倍。 太陽(yáng)直射入射反射信號(hào)屬于強(qiáng)信號(hào)， 不包含水體組分的組成信息。 水色傳感器具有一定的側(cè)擺能力， 可以避免太陽(yáng)直射反射信號(hào)進(jìn)入傳感器， 保證傳感器接收到的有用信號(hào)主要由水體組分(本文中的水分子和水中油)貢獻(xiàn)。

水體向上輻射傳輸?shù)男盘?hào)能量較低， 通常清潔水體在影像上呈現(xiàn)暗像元的特征， 因而， 水色傳感器均具有較高的信噪比特點(diǎn)。 如2.1所述， 藍(lán)光波段含最強(qiáng)的水中油光譜信號(hào)，然而， 隨太陽(yáng)天頂角及水中油濃度的增加， 藍(lán)光波段上行輻亮度量值逐漸降低， 勢(shì)必造成傳感器入瞳信號(hào)減弱。 含水中油水體上行輻亮度量值隨水中油濃度及太陽(yáng)天頂角增加而減少的現(xiàn)象表明水色衛(wèi)星上午10點(diǎn)至下午14點(diǎn)的過(guò)境特點(diǎn)能保證有足夠多含水中油水體的上行輻亮度進(jìn)入水色傳感器， 且水色傳感器的高信噪比特征也適合屬于暗目標(biāo)體的含水中油水體探測(cè)。 所以， 水色衛(wèi)星提供的遙感數(shù)據(jù)將是探測(cè)水中油污染和反演水中油濃度的重要數(shù)據(jù)源之一。

表1 剛好在水面之上(0+)上行輻亮度占剛好在水面之下(0-)上行輻亮度的比率(%)

3 結(jié) 論

結(jié)合大連港現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及輻射傳輸模型Hydrolight對(duì)含水中油水體的上行輻亮度進(jìn)行模擬， 分析水中油對(duì)上行輻亮度光譜的影響及上行輻亮度隨深度及天頂角的變化特征， 結(jié)果表明：

(1)含水中油水體的上行輻亮度光譜響應(yīng)區(qū)間與水色傳感器的波譜設(shè)置相對(duì)應(yīng)， 主要在可見(jiàn)光波段， 且其峰值變化集中在藍(lán)光波段(442.5～472.5 nm)， 為利用水色遙感技術(shù)探測(cè)含水中油水體及反演水中油濃度提供了重要的光譜依據(jù)， 以便發(fā)揮水色遙感技術(shù)的范圍廣、 快速、 成本低且便于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)與海表油膜通過(guò)油類污染物質(zhì)改變海表反射率的遙感探測(cè)機(jī)理不同， 含水中油水體上行輻亮度隨深度變化特征表明各個(gè)水深處的含水中油水層及下界面均對(duì)上行輻射產(chǎn)生不同程度的貢獻(xiàn)。 在水媒介中， 水中油對(duì)光在水體中輻射傳輸過(guò)程的影響機(jī)理與水色三要素是一致的， 不僅會(huì)在下行傳輸過(guò)程中造成不同程度的衰減， 還會(huì)對(duì)上行輻射產(chǎn)生影響。 因此， 開(kāi)展水色遙感探測(cè)和反演水中油具備了機(jī)理基礎(chǔ)， 可將水中油視作一種新的水體組分， 基于輻射傳輸機(jī)理研究水中油對(duì)太陽(yáng)輻射上行及下行傳輸過(guò)程的影響。

(3)水色衛(wèi)星搭載的傳感器具有高信噪比的特點(diǎn)和一定的側(cè)擺能力， 且其過(guò)境時(shí)間一般在上午10點(diǎn)和下午14點(diǎn)之間， 使得水色傳感器既能保證避開(kāi)太陽(yáng)直射反射信號(hào)以接收到由水體組分貢獻(xiàn)的有用信號(hào)， 還能最大程度感應(yīng)到由水體組分變化引起的暗像元變化。 因此， 水色遙感數(shù)據(jù)是建立反演水中油濃度算法的可靠數(shù)據(jù)源之一。