水体光谱测量与分析_水面以上测量法

1、第8卷第1期2004年1月遥感学报Vol.8,No.1Jan.,2004文章编号:100724619(2004)0120037208水体光谱测量与分析:水面以上测量法唐军武1,田国良2,汪小勇3,王晓梅1,宋庆君1(11国家卫星海洋应用中心,北京100081;21中国科学院遥感应用研究所,北京100101;31国家海洋技术中心,天津300111)摘要:水色遥感的基础之一是水体光谱特征测量与分析。水体光谱特性包括两个方面:表观光学特性(AOPs)和固有光学特征(IOPs)。该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类:剖面测量法和水表面以上

2、测量法。两种方法相对独立,适用范围上具有互补性。该文主要针对水面以上测量法进行讨论。水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下0-深度的辐照度比R等。国际上有关水色的测量规范中,仅有针对大洋一类水体的。中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。同时,对数据分析处理中的一些关键参数的确定,提出新方法。关键词:水色遥感;水体光谱;光谱测量技术中图分类号:TP79/P71文献标识码:A1引言,保护生态环境与可持续发展的重要方面是对水体(江河湖海)的合理保护与开发利用,

3、因此对水体信息定量化遥感的需求日益迫切,也对水体光谱的测量提出了新的要求。近年来,与水体光谱特性有关的课题很多,越来越多的科技人员投入到水体光谱测量与分析工作中。但很多测量没有依据相应的规范,或缺少必要的测量项目,导致测量结果不可用或不具有可比性。水体可见光遥感即水色遥感(OceanColorSens2ing)的基础之一是对水体光谱特征正确把握。按照OpticProperties,AOPs)和固有光学(InherentOpticProperties,IOPs)。所谓表观光学量是指随入射光场变化而变化的水体光学参数,如向上辐亮度Lu、辐照度Ed、漫衰减系数K等;固有光学量是仅与水体成分有关的光学

4、量,如光束衰减系数c,吸收系数a、散射系数b、散射相函数P等,这些量不随入射光场的变化而变化。本文主要讨论与水色遥感直接相关的表观光谱的测量与分析。水色遥感是将卫星信号,经大气校正,得到刚好在水面以上的离水辐射率Lw或归一化离水辐射率LwN,再由归一化离水辐射率直接反演水体信息,或经由归一化离水辐射率和大气参数得到遥感反射率6Rrs或水面以下的辐照度比R反演得到水体信息。水色遥感以及水体光谱特性相关研究要求表观光谱特性的测量必须能够导出以下几个基本参数:离水辐射率Lw;归一化离水辐射率LwN+LwN=LwF0/Ed(0),水色遥感的通行做法,将影响水体光谱的成分主要分为三种:叶绿素、无机悬浮物

5、(悬浮泥沙)和黄色物质。其中大洋一类水体(Case2Waters)的主要色素贡献是叶绿素a,近岸二类水体(Case2Waters)、湖水的成分包括这三种色素,且相互独立变化13。另外,由于水体成分垂直分布受日照、海流、温跃层等因素的影响,具有强烈的层化效应。水体光谱特性应该包括两个方面4,5:表观光收稿日期:2002206204;修订日期:2003201205(1)其中F0为平均日地距离大气层外太阳辐照度,+Ed(0)为水面入射辐照度。归一化的目的是使得不同时间、地点、大气条件(2001AA636010)。基金项目:国家863“模块化二类水体相关遥感信息提取技术”),男,研究员,1987年毕业

6、于天津大学计算机系,1999年获中国科学院遥感应用研究所博士学位。现主要从作者简介:唐军武(1965事海洋可见光遥感、水体光谱、遥感器辐射校正等方面工作。发表论文多篇。38遥感学报第8卷下的测量结果具有可比性,因为归一化基本消除了入射光场的影响。遥感反射率Rrs+Rrs=Lw/Ed(0)=LwN/F0,非常低地水体信号而采用很长的积分时间和自动积分时间调整;又认为,因采用比值而可以不对仪器进行严格的辐射标定。(2)(3)刚好处于水面以下0-深度的辐照度比R-R(0)=Eu(0)/Ed(0),其中Eu为向上辐照度,Ed为向下辐照度。这些量都不是可直接测量的量,必须结合一定的测量方法和相应的数据处

7、理分析才能得到。国际上有关水色遥感的测量规范7,8,主要是针对大洋一类水体的。而我国的近岸水体绝大部分是二类水体,因此本文将对二类水体光谱测量的有关问题进行讨论。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类:剖面测量法和水表面以上测量法。两种方法相对独立,使用范围具有互补性,因为这两种测量方法的误差源及信号过程不一样。剖面法(Profilingmethod)是由水下光场测量外推得到水表信号,同时可以更好地刻画出水体光场垂直变化,器操作、布放复杂,水体。表面法(谱测量近似的仪器,通过合理的观测几何安排和测量积分时间设置,也可以得到上述几个主要的观测量。在一类水体,剖面法是国际水色遥感界推荐的首选方法;在

8、二类水体,目前唯一有效的方法是表面法。水面以上的光谱辐亮度信号组成是:Lsw=Lw+rLsky+Lwc+Lg(4)图1水面以上水体信号构成(引自Kirk1994)Fig.1Abovewatersignalcomposition(fromKirk1994):1)t,除,因为;2)在船边垂直向下观测的数据,受船体影响(船体破坏了水体光场分布)、太阳直射反射的影响非常大;3)不对天空光进行测量,无法分离携带水体信息的离水辐射率与不带任何水体信息的水表面反射信息;4)由于水体反射较低,往往采用自动或很长的其中:Lsw是总信号;LW是进入水体的光被水体散射回来进入仪器的离水辐射率,rLsky是天空光在水

9、面反射以后进入观测仪器的信号,没有任何水体信息,r是气水界面反射率;Lwc是海面白帽(WhiteCap)的信息,Lg是水面波浪对太阳直射光的随机反射(sunglint,specularreflection),没有任何水体信息。水体信号来源与构成参见图1。对于现场测量,可忽略由大气散射信号。值得注意的是,目前中国开展的很多水体光谱测量中,测量是在船边垂直向下进行的,且将水体目标的测量值Lt比上标准板的测量值Lp,进行所谓“水体反射率”的测量并进行数据处理:t=Lt/Lp(5)积分时间,导致严重的太阳直射反射信号污染。NASA出版的SeaWiFs技术资料Vol.257对该方法的描述也不系统全面;N

10、ASA2002年新版海洋光学规范8对此方法进行了充实,但仍有很多不足之处,如气水界面对天空光的反射率问题。因此,本文的讨论主要是对利用便携式光谱仪在水面以上进行光谱测量的方法、数据分析方法进行系统地讨论。这种方法国际上应用最成功的研究组是Uni2versityofSouthFlorida的Carder及ZhongpingLee(李忠平)等人。他们以该方法为主进行表观光学量的测量,并导出了基于遥感反射率的SeaWiFS和MODIS水色反演算法911。实验研究表明,一类水体的表面法与剖面法的测量结果差异在5%10%左右13。由于水体离水辐射率也具有二向性1416,因此垂直观测的剖面结果和倾斜观测的

11、表面法必须存其中,Lt为面向水体测量得到的信号,Lp为折合到100%反射率板的信号。并且错误地为“准确”测量第1期唐军武等:水体光谱测量与分析:水面以上测量法39在差异。中国HY21卫星地面应用系统辐射校正分系统的工作表明,剖面法和表面法获得的离水辐射率差异可控制在15%左右,最好地结果差异可在5%以内17。化不大,所以为避开太阳直射反射(Sunglint,Specu2larreflection)和船舶阴影对光场的破坏,在现场船舶上的观测几何最好按以下方式设定(以下角度都是以光线矢量的走向为依据):仪器观测平面与太阳入射平面的夹角90°<v(背向太阳方向),仪器与海面法线方向的

12、夹135°角30°45°,这样便可避免绝大部分的太阳直v射反射,同时减少船舶阴影的影响。天空光在水面的反射是不可避免的,因此,在仪器面向水体进行测量后,必须将仪器在观测平面内向上旋转一个角度,使得天空光辐亮度Lsky的观测方向天顶角等于水面测量时的观测角v。目前,典型的观测几何设置为:i)<v=90°,v=40°这种安排的优点是:2水面以上光谱测量与分析原理利用光谱仪进行水面以上光谱测量(Above2wa2termeasurement)与分析方法7,8,10,11,16,其目的是利用便携式瞬态光谱仪和标准板,导出离水辐射率Lw、归一化离水

13、辐射率LwN、遥感反射率Rrs和水面以下辐照度比R等参数。211观测几何因为离水辐射率Lw在天顶角040°范围内变图2光谱仪水面以上观测几何Fig.2Viewinggeometryoftheabove2watermeasurement3天空光分布均匀,天空光的测量受船舶摇摆的影响较小;3根据Mobley(1994)的结果,在此角度的表面反射率受海面粗糙度的影响较小;3仪器在船上的安装架设和几何安排比较容易。这种安排的缺点是:3相对于<v=135°,几何设置而言,与v=40°剖面观测结果的固有差异较大,也即水体二向性影响较大15,16;3太阳直射反射比较严重,

14、需要快速获取大量的数据进行太阳耀斑剔除工作,有效数据量可能在5%左右。ii)<v=135°,v=40°这种安排的优点是:3可更好地避免太阳直射反射;3与剖面观测的固有差异较小。这种安排的缺点是:3天空光的均匀性较差,船舶的晃动会产生一定的影响。目前国际水色SIMBIOS计划中推荐采用第二种观测几何9,19。212离水辐射率的测量在避开太阳直射反射、忽略或避开水面泡沫的情况下,光谱仪测量的水体光谱数据为:(6)Lsw=Lw+rLsky其中Lw为离水辐亮度;Lsky天空漫散射光,不带有任何水体信息,必须去掉;r=211%5%,r=r(W ,v,<v,0,<0)

15、为气2水界面对天空光的反射40遥感学报第8卷率,取决于太阳位置(观测几何(风0,<0)、v,<v)、速风向(W )或海面粗糙度等因素。海表反射率r的取值目前仍有很大争议,应当分别参照文献12和19的结果,并且值得更深入的研究。根据我们的经验,在上述观测几何条件下,平静水面可取r=2.2%,在5m/s左右风速的情况下,r可取01025,10m/s左右风速的情况下,取0102601028。图3离水辐亮度(Lw)与天空光反射(rLsky)()Fig.3Relativemagnitudesofwater2leavingsky由此可得离水辐亮度为Lw=Lsw-rLrLsky月在黄海利用ASD

16、,136msd()Es可由测量标准板(Plaque)的反射而得:3+(7a)Lp=pEd(0)/+3Ed(0)Es=Lp/p(7b)值。由图中可以看出以下问题:1)天空光的贡献与水体信号相当;2)总的水体信号Lsw(下脚标sw表示sky+wa2ter)变化很快,一秒内相差约20%,参见1秒钟内连续测量的Lsw2611Lsw2615五条曲线计数值,总信号Lsw之间的差值,相当于水体信息Lw的50%。这是因为毛细波对太阳光的随机反射而引起的。在我们的测量结果中,总信号的最大差异可达100%以上。213水体归一化光谱参数的测量与导出其中p为标准板的反射率,建议采用10%p30%的标准板,Carder

17、等人采用10%的标准板,以便使得仪器在观测水体和标准板时工作在同一状态。在Ed(0+)的测量中,主要是避免船舶上层结构物(多为白色)的反射影响,否则可能使得现场测量的Ed(0+)甚至大于大气层外太阳辐照度F0。在船上利用标准板进行Ed(0+)的测量而又要避免上层结构的反射,在晴天少云的情况下,可以借鉴带遮挡条带的辐照度测量仪器的原理,采用多个方位的遮挡并予以补偿而得,在此不再详述。另外,在水体光学测量与遥感应用中,直射太阳光辐照度Edir、漫射天空光辐照度Edif也是重要的参数。在测得Ed(0+)后,用一个带长竿的黑板挡住直射太阳光,使黑板的阴影正好挡住标准板,由此时测量的Lpdif便可得到天

18、空漫射辐照度:(8)Edif=Lpdif3/p以及太阳直射辐照度Edir=Ed(0+)-Edif。标准板的双向反射率特性和随波长变化的反射率必须在试验前精确标定。特别是对于晴天的测量,必须对标准板结果进行双向反射率校正,步骤如下:1)根据测量日期、时间、经纬度,计算太阳天顶为使得不同时间、地点与大气条件下测量得到的水体光谱具有可比性,需要对测量结果进行归一化。所谓归一化是指把太阳移到测量点的正上方、去掉大气影响。在NASASeaWiFS真实性检验海洋光学规范中7,现场测量的归一化离水辐射率定义为LwN=Lw,其中F0为平均大气层外太阳辐照度Ed(0+)(Necker&Labs1984)

19、;Ed(0+)是水表面上总的入射辐照度。Lw的测量参见式(6),而海表入射总辐照第1期唐军武等:水体光谱测量与分析:水面以上测量法corrEdir=(Lp-Ldif)/p(0);41角0;/2)首次总辐照度测量:Eerrtot=Lpp(0);3)遮挡标准板测量:Edif=Ldif/p,p表示标注:更准确的直射辐照度需要对遮挡的前向散准板的半球反射率(忽略漫射辐照度方向性);4)计算接近正确值的直射太阳辐照度射部分进行补偿5)最后得到正确的水面入射总辐照度corr+corrEtotEd(0)Es=Edir+Edif。图4(Rrs)Fig.4T)sensingreflectance(Rrs)反演模

20、型,。由遥感反射率的定义Rrs=Lw/Ed(0+),结合公式(6)、(7)便可得到Rrs。该参数另一个重要特点是,只要测量仪器稳定、线性度好(或测量标准板和水体时的信号幅度接近),则只需要对标准板进行严格标定而光谱仪不需要严格的标定,因而对我国的情况具有特别的意义可惜想不到仪器定标的人也往往想不到标准板的定标。对于未经严格标定的光谱仪,可以直接按下列公式进行测量(计算)遥感反射率:(9)Rrs=Ssw-rSskyp/Sp其中Ssw,Ssky,Sp分别为光谱仪面向水体、天空和标准板时的测量信号码值。一个粗略估计测量结果是否可信的方法是,除了在高浓度泥沙水体,Rrs在各个波段的值一般小于01051

21、。对于刚好处于水面以下的辐照度比R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-),可通过以下计算获得:因为-2Eu(0)=QLu(0),而Lu(0)=(n/t)Lw,-+Ed(0)=(1-aw)Ed(0),其中Q为光场分布参Q可在1177之间变化。3表面法水体光谱分析中的关键问题(1)气水表面反射率的确定在可见近红外范围内,气水界面的反射率不随波长变化。在实际数据处理时,由于影响气水界面的反射率的因素太多,需要具体情况具体分析。例如作者对黄海数据进行处理时,根据多种数据源判断,认为>780nm的离水辐亮度为0的假设是合理的,因此认为800900nm之间的水体测量数据就是天空光反射的结果,因此这些波

22、段的水体目标信号就是天空光反射信号,由此可确定气水表面的反射率为:r=Lsw(800900nm)/Lsky(800900nm)(10)由图3可以看出,在黄海该测点处,720900nm的离水辐射都可以认为是0。对于更长的波长,离水辐亮度当然为0,但仪器信噪比(SNR)太差而不能应用。如果观测天底角为40°,海面平静,按NASA的有关规范8,可以将气水界面的反射率固定为理论值01022。根据实际情况,这种个值是非常不可靠的。数,通常取值为410,aw为气水表面的辐照度反射率,在01040106之间。R(0-)计算的最大误差来源于Q的变化,不同的水体、太阳角度、观测角度,42遥感学报第8卷

23、如果根据式(10)计算的r小于211%或大于415%,则测量数据存在问题。更复杂的方法可参见Lee等(1996b)。900nm光谱范围内的动态范围内保持10以上的信根据遥感反射率与固有光学量的理论分析,在近红外波段,由于水体的后向散射系数比较平缓,光谱特型主要由水体的吸收系数决定,Rrs(NIR1)/Rrs(NIR2)aw(NIR2)/aw(NIR1),因此,这可以作为噪比。以标准板反射率30%,在晴天条件下,标准板辐亮度可达30Wcm-2nm-1sr-1,而水体的最小值约为01003Wcm-2nm-1sr-1。(2)仪器必须经过严格的绝对辐射定标,以便获得水色遥感的基本参数离水辐亮度和海面入

24、射辐照度;如果仪器有增益变化功能,不同增益之间的线性度要高;另外必须对波长进行标定。(3)测量水体目标时,不能让仪器进行自动增益调整或内部平均,不然会将随机的太阳直射反射平均到结果数据中。(4)应能快速连续测量多条曲线,并可设置采样间隔,以便测量时间能够跨越波浪周期。在后期的数据处理中舍弃数值较高的那些曲线,利用较低的几条(甚至一条曲线)。(5)1s内海一个理论判据,特别是在中低浑浊度水体。(2)异常数据剔除另外,对于由图3中显示的5条水体总信号光谱曲线可以看出,信号变化很大,主要原因是毛细波的太阳直射反射。必须对受到太阳直射反射影响的曲线加以剔除。剔除的原则是:剔除所有数值较高的曲线,保留数

25、值较低的曲线,然后进行平均。为了保险起见,每一测点的曲线至少应当有10条以上,否则蓝波段和近红外波段的数据噪声太大。(3)残余太阳反射的修正白帽可以通过测量者的目视观测加以避免,但毛细波对太阳的反射就困难得多。实际上表面毛细波的作用,:LswrLskyLg(11),因此采以内完成,更短的时间会。(6)光谱仪应该有措施保证二级光谱不会对近红外波段的结果产生干扰,以及具备其他消除杂散光措施。其他指标可参见Mueller和Austin(1995)。412表面法测量步骤其中Lg为随机反射入仪器视场的太阳直射光。对于不十分浑浊的水体,可利用760900nm之间的波段865nm等,由于其Lw(0,如780

26、nm、0)0,因此只要测得其天空光Lsky,便可得到Lg(0);再利用现场测量获得的各波段直射太阳辐照度+),便可得到其他波段的Lg():Edir(0,)=Lg(Lg(0)3表面法水体光谱测量,应当遵循以下步骤:(1)仪器提前预热;(2)暗电流测量;(3)标准板测量;(4)遮挡直射阳光的标准板测量;(5)目标测量;(6)天空光测量;(7)标准板测量;(8)遮挡直射阳光的标准板测量。Edir(0+)/Edir(0,+,0)(12)对于近岸十分浑浊的水体,Lw(0,目前只0)能连续进行多次测量剔除掉较大的曲线,因为天空比较均匀,测量值的波动基本上是源于随机直射反射的变化。值得注意的是,目前的修正方

27、法很不成熟,但除非在曲线数据非常少的情况下,否则修正的实际意义不大。尽管已有很多人提出不同的修正方法,但目前没有一个非常准确的公认的方法,因此在2002年NASA海洋光学规范中,不建议采用这些方法。这些目标的测量曲线每个不得少于10条,且测量时间至少跨越一个波浪周期,以修正因测量平台摇摆而导致的误差。4表面法对光谱仪和测量步骤的要求411表面法对光谱仪的要求5结论本文针对水体表观光学量的两种主要测量方法之一的表面法进行了讨论。结合实际测量数据,系统地给出了利用瞬态光谱仪和标准板进行归一化离(1)仪器的动态范围:5个量级,且在400第1期唐军武等:水体光谱测量与分析:水面以上测量法43水辐射率等

28、水色遥感基本参数测量的方法,包括观测几何设置和数据分析处理中的关键问题,特别是其中的水表天空光反射率确定方法。同时指出了多年来很多人在利用光谱仪进行水体光谱测量中存在的问题。致谢本研究得到了HY21卫星地面应用系统辐射校正与真实性检验分系统、国防科工委“HY21卫星水色扫描仪辐射校正与定位算法预研究”、“水色因子提取算法”、高技术863AA636010“模块化二类水体相关遥感信息提取技术”等项目的大力支持。感谢美国海军实验室(NRL)李忠平先生对本文有关内容提出的有益建议,感谢与作者一起参加艰苦的海上试验的海洋技术中心的同事们。参考文献(References)1Morel,A.and,L.Pr

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