剖面法與水面之上法測量水面下遙感反射率的比較.docx

1、第46卷增刊】廈門大學學報(自然科學版)2007年8月JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)Vol.46Sup.1Aug,2007剖面法與水面之上法測量水面下遙感反射率的比較隋曉飛微，商少平帶，馬曉鑫3,商少凌(1.近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室(廈門大學)，2.廈門大學海洋與環(huán)境學院福建廈門361005»3.YS】公司.福建廈門361005)摘要：臺灣海峽、福建沿岸及兩個淡水湖的表面和剖面光譜測敏結果表明，分別由水面之上法和剖面法得到的恰于水面下的遙感反射率"”(s)和r(p»之間存在一定差異.在債值上，波段平均的無偏

2、百分比誤差參數(shù)在1.7%68.3%之間.但50%以上站次<20%$在光譜形狀上兩者有很好的相似性各站次的®都在0.93以上：490nm和555nm波段比無偏百分比誤差參數(shù)勤(M/?！?在0.5%1】.0%之間，且近70%的站次做GU/卷)<5%.在平靜湖泊與、(P)量值的統(tǒng)計差與美國NASA水色遙感工作組對離水輻射率所做的類似統(tǒng)計相當，但在海洋水體的結果遠大于此，分析測量環(huán)境條件變化造成的光學參數(shù)測量誤差是主要原因.關鍵詞：水面之上法；剖面法；遙感反射率中圖分類號:TP722.4文獻標識碼：A恰于水面下的遙感反射率(remotesensingreflectancejust

3、belowthesurface,rn)是主要的水體表觀光學參數(shù)之一,也是眾多海洋水色遙感算法中的一個基礎物理量，表達如下：f=L,(0-)/Ed(0-)(1)其中L“和E分別為恰于水面下的向上輻亮度和向下福照度與離水輻亮度(LQ相比，由于能夠部分消除不同入射光照條件對光譜數(shù)據(jù)的影響，因此更能反映水體不同成分的吸收和散射信息，從而在反演水體成分濃度的算法中得到更廣泛的應用.然而現(xiàn)場光譜測量很難直接測錄到恰于水面下的光學量，只能通過其它手段間接得到.目前，主要有兩種方法可以獲得rn：一是通過海表遙感反射率(RQ推算得到，稱之為水面之上法；二是利用剖面光譜儀測量水下不同水層的上和E，以此反推得到恰于

4、水面下的匚和E”從而得到小，稱之為剖面法.水面之上法利用下式計算兇：Dr”=丁+劫"(2)其中T=t-t+/n2"一是從水表面下到水表面上的輻射透過率是從水表面上到水表面下的輻射透過率，為水體折射系數(shù)"是水一氣界面反射率;Q是光場分布參數(shù)，為上行輻亮度與上行輻照度的比值.收稿日期：2007-04-10M金項目：國家自然科學基金(40376031,40331004,40521003),863it劃(2002AA639540,2006AA09A302),教育部創(chuàng)新群體計劃，廈門大學新世紀人才計劃聯(lián)合資助通機作者：sishang©文章編號:0438-0479(

5、2007)S1-OOO6-O61995年，Mobley通過HYDROLIGHT對R”和"，進行計算，認為對于光學深水和位于天底方位觀測的傳感器而言Tq0.52,7Qq1.7叫剖面法利用剖面儀測量得到的水下不同水層的L.和E，通過局部線性回歸法進行線性擬合，反推得到恰于水面下的L.(O-)和耳(0)，通過式(1)計算得到疽七水面之上法具有現(xiàn)場操作簡單、現(xiàn)場實驗成本低等優(yōu)點，但受海面、天氣條件等的影響大，會給數(shù)據(jù)結果帶來很多不確定的因素.相對而言，剖面法則受現(xiàn)場環(huán)境因素影響較小，但也有其局限性，如受儀器自身的自陰影，水下儀器的姿態(tài)等因素影響而對數(shù)據(jù)結果帶來一定的誤差.關于兩種方法所獲得的

6、U的一致性，已見數(shù)例報道，而對于遙感半分析反演算法的關鍵參數(shù)Z，兩種來源數(shù)據(jù)的一致性究竟如何，迄今未見報道.本研究利用GER1500型地物高光譜儀以及基于GER1500型地物高光譜儀研發(fā)的光纖式剖面光譜測量系統(tǒng)3】，在臺灣海峽南部海域、福建沿岸水域和兩個陸地平靜湖泊同步測量了表面光譜數(shù)據(jù)和剖面光譜數(shù)據(jù)，對分別由水面之上法和剖面法得到的結果進行比較，并分析其影響因素.1方法1.1儀器與測量方法在水面之上法中，光譜測量采用的儀器為GER1500型便攜式高光譜儀，其參數(shù)如表1所示.表1GER1500參數(shù)表Tab.1TheparametersofGER1500儀器型號探測器光譜分辨率/nm光譜范圍波段

7、數(shù)視場角掃描時間/ms尺寸/cmGER1500512Si1.535010505124°（無光纖）23°（帶光纖），5（可設定）15X8X26由于目標水域基本上都屬于二類水體，所以表面光譜測量按照唐軍武等（2004年1月）提出的二類水體水面以上光譜的測量方法.儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角為40°<%<135°（背向太陽方向），儀器與海面法線方向的夾角30°<%<45°.這種觀測幾何也是目前國際水色SIMBIOS計劃中推薦的方法，其優(yōu)點是：與剖面觀測的固有差異較小，能更好地避免太陽直射反射和船體自身對水體光場的

8、破壞，缺點是天空光的均勻性較差，船舶的晃動會產(chǎn)生一定的影響.而后通過下式獲得R”（Q：pj一Lw（人）._>4財（“o=再（"其中，L”為離水輻射率，E（0+，人）為海面入射輻照度，L,為水面向上總輻亮度，Lb為天空福亮度，L.ye為漫反射板輻亮度"=50%（漫反射板反射率）/為氣一水界面對天空光的反射率，取值0.028“*.剖面光譜測量采用針對近海高污水體光譜測量開發(fā)的光纖式剖面高光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設計思路是以光纖為媒介，通過光纖將水下光信號引出至水面上的表面光譜儀內，使原本用于測量表面光譜的GER1500型表面光譜儀擴展為可以進行水下剖面光譜測量的剖面光譜儀，

9、其概念圖如圖1所示，詳細說明參見文獻8.其中，在兩個海上航次的剖面光譜測量中，使用的是完全版的剖面光譜測量系統(tǒng)，其光纖總長15m,浮子系統(tǒng)靠長3m的硬質連桿推離船體，水下探頭依靠浮子系統(tǒng)維持海面0基準的控制，用液位計測量水下探頭的水深；而在兩個淺水平靜湖泊進行測量時，使用的是簡易版的剖面光譜測量系統(tǒng)，其光纖總長5m,利用光纖上標志深度的標簽觀測探頭的水深囚1.2數(shù)據(jù)采集與處理采用上述儀器與方法進行了4個批次的測量，分別是2006年5月到7月廈門大學校園內的兩個平靜淡水湖一芙蓉湖和情人湖（圖2a）.2004年7月25日至8月6日臺灣海峽南部（圖2b）.2004年9月1018日福建沿岸（圖2c）,

10、總測量站次為77次，得到表面與剖面光譜匹配、且通過質景控制的數(shù)據(jù)，共21組.按上述兩種不同方法計算恰于水面下的遙感反射率，其中由水面之上法得到的標志為七（s），由剖面法得到的標志為腿）.圖1剖面測量系統(tǒng)概念圖Fig.1Theconceptualchartofprofilingspectroradiometer1.3比較方法為了進一步分析比較r（p）和r（S）之間的差異，參照StanfordB.Hooker等人在評價水面之上法和剖面法得到的離水輻射率時采用的方法，從量值和光譜形狀變化的角度去分析比較兩者之間的異同.用400700nm波長范圍內共188個波段的平均無偏百分比誤差參數(shù)（Unbiase

11、dpercentdifference,簡稱UPD）表征量值上的差異，用rn（p）和rn（s）的R2以及490.555nm波段比的無偏百分比誤差參數(shù)來說明在光譜形狀上的差異.計算公式如下：#（*）一200"胡成（義,刃（4）媯（偵）一20。xA（®+xB（m式中X'和XB分別表示由兩種不同途徑得到的光譜平均的UPD由下式計算：盟（志£所（5）490.555nm波段比的UPD由下式計算：（人490/人555）=200X|XA（%9o）/XAS55）-XB（Lo）/XB（%G|XA（A49o）/XA（A555）+XBa）/XB（原55）（6）2結果與討論各站次r

12、n（s）和rn（p）隨波長變化的光譜曲線圖如圖3所示，二者比較的誤差統(tǒng)計結果如表2所示.從光譜曲線圖（圖3）粗略分析，匕（s）和七3）存在一定差異，有的站次rn（s）高于（力），而有的站次相反.圖2各航次站位圖a.情人湖、芙蓉湖位置圖；b.福建沿岸航次站位圖；c.臺灣海峽航次站位圖Fig.2Samplingstations就f（$）與rn（p）波段平均的量值差異而言，波段平均無偏百分比誤差明（入）變化顯著，范圍在1.7%68.3%之間，平均值為25.6%，但50%以上站次<20%.其中兩個平靜淡水湖的在1.7%13.2%之間，平均值為7.3%,與StanfordB.Hooker等人對離水

13、輻射率進行比較的結果（3.2%17%）相似.而在臺灣海峽水域和福建沿岸（Atll）在5.9%68.3%之間，變化范圍很大且平均值為38.37%,遠大于Hooker等人的離水輻射率比較結果.這與現(xiàn)場測量條件、光場環(huán)境以及目標水體隨站位和測量時間不同而引起的太陽高度角的差異等實驗背景的不同而呈現(xiàn)的各異性有很大的關系.這些實驗背景的差異不僅影響到直接測量參數(shù)的準確性，同時對隨后的遙感反射率推算產(chǎn)生影響.具體而言，在計算rn時使用的一些參數(shù)，如公式（2）中的光場分布參數(shù)Q以及公式（3）中的氣一水界面反射率/等，是隨著現(xiàn)場測房條件（如太陽角度，海面風速等）的不同而變化的，但這種變化，目前很難度量，本文仿

14、通常的做法文獻2等采用固定值，因此我們所觀察到的差異在一定程度上可能是由Q和廣的變化帶來的.表3列舉了有代表性的5個站次實驗時的現(xiàn)場條件，其中060514情人湖站次符合準確測量光學參數(shù)的標準條件，現(xiàn)場光學參數(shù)測量準確，無偏百分比誤差很?。?.7%山而其它幾個站次因為太陽角度過大，云移動導致光場變化，水流過急或水面有白沫等不同原因而使現(xiàn)場光學測量和后期rn的計算結果誤差增大，導致<A.h）均在40%以上.就光譜形狀的相似度而言，所有的21個站次數(shù)據(jù)，R2均在0.93以上，其中有15個站次在0.99以上.各站次490.555nm波段比值的無偏百分比誤差0j（A49O/A555）范圍在0.5%

15、11.0%之間，且近70%的站次5%,遠小于上述量值上的差異，與Hooker等人1.4%7.2%的結果在可比范圍之內.這表明每個站次的"（P）和i（s）之間雖然在量值上存在著差異，但其差異在400700nm波段范圍內幾乎不存在波長依從特征.綜合衡ft分析各站次譜型圖、線性相關系數(shù)、W0Q以及02<A49O/A555）,-方面表明恰于水面下表2各站次誤差統(tǒng)計結果Tab.2Statisticsofrn(/»)andr(.s')站次R2回（如）/%(490/S5$)/%060512-芙蓉湖0.998912.52.8060514-情人湖0.99971.71.00606

16、11-芙蓉湖0.99892.30.4060611-情人湖0.995313.29.6060706-芙蓉湖0.99517.010.7040801-F30.945861.16.4040802-F30.998317.64.5040804-F20.999520.83.2040804-F30.994249.04.8040804-F40.978529.611.0040805-G10.969017.53.9040805-F00.994217.67.6040805-F10.998747.85.4040805-F20.999825.60.87040805-F30.988914.00.8040805-F40.977

17、668.34.6040806-G10.991739.97.8040806-F10.995427.51.1040914-F30.93935.90.5040914-F120.986127.11.4040917-F630.993632.58.1的遙感反射率4的光譜曲線形態(tài)，光譜波段比值的測量可以達到較高的質量水平，但七的量值測酸還存在較大的誤差.另一方面，兩個陸地淡水湖的實驗結果優(yōu)于臺灣海峽南部水域和福建沿岸海域的實驗結果，分析其原因主要有兩方面，一是相對于海上測量而言在平靜的陸地淡水湖測量時，可以比較精確的把握現(xiàn)場測量幾何，而且對于測量結果影響很大的船的晃動、自陰影和海面波浪起伏等客觀因素的影響會

18、徹底消除或大大減弱'二是由于兩個湖都是高污渾濁水體，其490nm的水體漫衰減系數(shù)K（490）基本都在2m'1以上，光學深度在0.30.5m內變動，因此可以忽略底部和水邊界的影響.雖然光學深度很淺，但是通過提高深度分辨率（湖里測量為0.05m,海上測量為1m）,依然可以推導出相對可靠的L”和E的垂直變化,從而得到更為準確的m3）.至此我們知道S（s）與七（p）之間主要存在量值上的差異，且此差異基本不隨波長而變.我們認為產(chǎn)生差異的主要原因，一方面是與波段無關的測量幾何波動和環(huán)境條件變化導致表面法測量的R”和剖面法直接測量的L.S）和E（A,z）的測量誤差引起，另一方面由測最環(huán)境條件

19、不同導致的Rr到轉換參數(shù)的變化也可能產(chǎn)生一定影響.為此我們嘗試做一個估算，公式（2）中，丁和相對來說較為固定，我們仍取定值,Q則隨不同水體、太陽角度以及儀器觀測角度在1.77之間變動，以Rn值較大的O4O914-F12站次為例，Q分別取1.7、3.75（0R1.7）、7計算f（s）,并與該站次的仁3）做比較，如圖4所示.可見Q取3.75.7時，計算得到的rn（5）差異較大，兩者的也（）為4.2%,而媯（扁,/A炊）為0.3%.表2所示3）與rn（p）之間差異的統(tǒng)計結果,Q的取值是3.75,對于該站位rn（s）與rn（p）的為27.1%,網(wǎng)CUo/%55）為1.4,可見由Q的變化引起的誤差對04

20、0914-F12站次的r（s）與rn（p）之間的總體差異的貢獻相對較小.3結論本文利用GER1500型便攜式高光譜儀和一套主機為GER1500型便攜式高光譜儀的光纖式剖面光譜測量系統(tǒng)，分別在臺灣海峽南部，福建沿岸海域以及兩個陸地淡水湖中進行了表面和剖面的光譜測量，積累了21個站次的同步數(shù)據(jù)，分別計算出了“3）和f（s），并利用波段平均的無偏百分比誤差或（心）和波段比值的無偏百分比誤差（網(wǎng)（9。/%55）等統(tǒng)計分析方法，初步分析比較了兩者之間的異同.與美國NASA水色遙感工作組對離水輻射率所做的類似統(tǒng)計相比，海上的網(wǎng)（9。/%55）遠表3幾個站次現(xiàn)場實驗記錄Tab.3Recordofthesam

21、plingconditionsforacoupleofrepresentativestations站位測量時間海況云信風速060514-情人湖13：45水面平靜，水流速很小晴.無云,光照很強近于無風040801-F316,10有波紋無波頂晴，無云光照較強微風040805-F416：30有波紋無波頂晴，少fit薄云光照很強微風040805-F111,25細小波紋.流速較急，儀器有傾角晴.大做厚云，測鼠時光場有變化光照很強微風040806-G110：06水面平靜無波，拍剖面時.水面有些許白泳晴，無云光照強烈微風0.020040914-F3040914-F120606U-FR0.0150.0100.

22、0050.0200.0150.0100.005060611-QR4000.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020040804-F3040917-F63014012010008006004002o.o.o.oo.ao.Wavelength/nm圖3各站次和r(j)諧形圖(p)IFig.3Ther(p)andrn(s)ofeachstationWavelength/nm圖4040914-F12站r(p)和不同Q值下的、($)Fig.4Thern(p)andrn(s)fordifferentQof040914-F12大與其統(tǒng)計結果，但海上的R2、婢GU/幅)以及平靜湖泊

23、的3個誤差統(tǒng)計都與之相當.說明恰于水面下的遙感反射率光譜M的曲線形態(tài)、光譜波段比值的測量質量可以達到較高的水平，而量值的測量:質量不容易控制，其原因主要是由與波段無關的測景幾何、環(huán)境條件變動等原因而造成的光學量測成誤差和f計算公式中光學參數(shù)的變化引起的.進一步根據(jù)可能的光學參數(shù)變化范圍估算的結果表明，光學參數(shù)變化對總體誤差的貢獻相對較小，所以盡管衛(wèi)星遙感類似于采用水面之上法，但對于主流的多波段比值水色遙感算法而言，其與剖面法的差異對反演結果造成的影響是可以忽略的.致謝：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中得到董強和朱任等同學的大力協(xié)助與支持.謹此一并致謝.參考文獻：1 周良明,劉玉光，郭佩芳.渤海和北黃海水色光語的

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