應用效果評估基于水上法的四種典型估算遙感反射率方法的

李尉尉，李銅基，朱建華，韓冰，郭凱，賈迪

（國家海洋技術中心，天津 300112）

水體表觀光學參數(shù)（AOP），如歸一化離水輻亮度Lwn（λ）、遙感反射率Rrs（λ），是海洋水色遙感的基礎物理量，是水體色素成分的光學輻射表現(xiàn)。準確獲取離水輻亮度、遙感反射率等參數(shù)有利于生物光學算法、大氣校正算法的開發(fā)以及對星載遙感器的輻射校正及其數(shù)據(jù)產(chǎn)品的真實性檢驗（李銅基等，2003）。水上法（Above-water method，亦也稱水面之上法）和水中法（In-water method，亦稱為剖面法）是測量離水輻亮度的兩種方法。水中法測量海水各深度的上行輻亮度，通過對上行輻亮度隨深度的分布特征分析，將其外推并傳出海面，得到離水輻亮度；而水上法直接觀測海面的輻亮度，在進行耀斑校正后，得到離水輻亮度。

與水中法觀測設備及其部署的要求相比，水上法的要求更易實現(xiàn)，操作更為便捷，可實現(xiàn)走航自動觀測和平臺無人值守連續(xù)觀測。此外，采用水上法直接對海面輻亮度進行觀測，可更好地模擬衛(wèi)星對海洋的觀測，特別適合對近岸Ⅱ類水體甚至層化效應明顯的水體的光學特性測量。如Zibordi 等（2004） 把一種改良的全自動商業(yè)太陽光度計（SeaPRISM）應用于AFRONFT-Ocean Color 系統(tǒng)，并將一年的時間序列數(shù)據(jù)（各種太陽高度和環(huán)境條件情況）與同時進行的水中法測量數(shù)據(jù)進行比較，其結果表明，水上法的儀器可獨立測量并可用于替代定標（Hooker et al，2002；2014）。基于水上法的儀器設備可實現(xiàn)自動連續(xù)觀測，獲取海量數(shù)據(jù)，但其不可避免地受到太陽耀斑、白沫等環(huán)境因素的影響，因此基于定點自動連續(xù)觀測對水上法數(shù)據(jù)處理提出了更高的需求和要求。

目前，國內基于船舶站位觀測的水上法數(shù)據(jù)處理多是參考NASA 海洋光學規(guī)范（第四版） （Fargion et al，2003）以及國標《海洋調查規(guī)范第5 部分：海洋聲、光要素調查》 （國家海洋局，2008），不能滿足定點自動連續(xù)觀測。針對這一情況，本文分析了目前國際主流的幾種水上法處理算法，如M99（Mobley et al，1999）、R06（Ruddick et al，2006）、G01（Gould et al，2001）、L10（Lee et al，2010）等，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為例，探索適合我國水體類型特點的簡單、快捷、準確的水上法數(shù)據(jù)處理方法，形成業(yè)務化數(shù)據(jù)處理流程，為我國在建的海洋水色長期自動觀測場點提供支撐，也為進一步改進提供了方法和思路。

1 四種典型的水上法數(shù)據(jù)處理方法原理

在嚴格遵循觀測幾何，并避免白帽、太陽耀斑、船舶等上層建筑污染及其它環(huán)境影響的前提下，水上法觀測的海面總輻亮度Lt可表述為：

式中，Lw（λ）是離水輻亮度；ρ×Li（λ）為反射天空光的輻亮度貢獻，ρ 是水氣界面反射系數(shù)，Li（λ）是天空光的輻亮度；ε×Ed（λ）為殘余太陽耀斑的輻射貢獻，Ed（λ）是海面入射總輻照度。對（1）式進行簡單的轉換，即可得到水上法估算遙感反射率原理方程：

由此可見，水上法估算遙感反射率的最大難點是對海面反射率ρ 和ε 的估算，即從海面觀測Lt（λ）中去除海面反射的天空光和殘余太陽耀斑。而對該過程的不同處理，構成了不同的水上法處理方法（Garaba et al，2013）。對于平靜海面，ρ 為海面的菲涅爾反射率（約3%）。但海面通常由于風的作用呈“風粗糙”狀態(tài)，所以ρ 取決于風速W。Mobley 等（1999）利用輻射傳輸模型，計算并分析了ρ 與風速、太陽天頂角以及與觀測天底角和相對方位角的關系，給出了精確的ρ 查找表（LUT），同時認為，當觀測幾何滿足（40°，135°）時，風速小于5 m/s 或陰天條件下，ρ 取0.028（Mueller et al，2002），該方法本文稱為M99 方法。該方法認為殘余太陽耀斑的修正采用ε=Rrs（750）。Ruddick等（2006）簡化了ρ 的查找表，將ρ 近似為僅與風速有關，即ρ=0.0256+0.00039W+0.000034W2，其中W 為風速（m/s）。該方法（本文簡稱為R06 方法）是在M99 方法的基礎上，加上云量的估算模型，即認為在陰天條件下，ρ 取常數(shù)0.025 6，并給出陰天的判斷條件為Li（750）/Ed（750） ≥0.05。該方法較M99 方法在陰天的判定上給出了量化的標準。在殘余項ε 的估算方面，其研究結果為：ε=[α × Rrs（780）- Rrs（720）]/α- 1，其中α = 2.35（Hommersom et al，2012）。Gould 等（2001） 認為，海面反射率可簡單地取0.021，而因海面粗糙產(chǎn)生的剩余天空反射貢獻以及殘余的太陽耀斑貢獻均歸入ε 項。Gould 的研究（本文簡稱為G01 方法）致力于ε 項的估算與修正，他假設在715～735 nm 光譜范圍，水體的色素及CDOM 的吸收可忽略，即主要為純水的吸收關系，同時，在這個窄波段內，后向散射系數(shù)無光譜變化。在沒有現(xiàn)場固有光學參數(shù)測量的情況下，ε 可由式（3）估算：

式中，Trs（λ） =Lt（λ）/Ed（λ），Srs（λ） =Li（λ）/Ed（λ），aw（λ）為純水吸收系數(shù)。

式（4）中，aph（440）、adg（440）、bbp（440）分別為參考波段440 nm 的色素吸收系數(shù)、非色素顆粒及黃色物質的吸收系數(shù)、顆粒物后向散射系數(shù)。建立目標函數(shù)（Lee et al，2010）：

從上述對四種典型水面之上數(shù)據(jù)處理方法原理的介紹可見，M99 和R06 方法致力于對粗糙海面天空光反射率的估算，建立ρ 與海面風速、云量等的關系模型。在殘余太陽耀斑修正方面，這兩種方法采用較為簡單的經(jīng)驗模型。G01 和L10 方法假設把海面分為平靜和粗糙兩部分，平靜海面的反射率直接取特定觀測幾何情況下的菲涅爾反射率，這兩種方法更致力于對天空光經(jīng)粗糙海面反射的貢獻與殘余太陽耀斑共同構成ε項的估算。

2 應用效果評估

2.1 試驗儀器及數(shù)據(jù)

本文利用2018 年9 月開展的現(xiàn)場海洋水色測量試驗（航次代碼HY-1CIOT2018）數(shù)據(jù)來評估上述四種方法的應用效果。在HY-1CIOT2018 航次試驗中，由舟山沿岸線開赴南海主試驗區(qū)，沿途進行了13 個站位測量。在主試驗區(qū)進行了63 個站位測量。圖1 給出航次測量的站位。測試各站位采用水上法和水中法同步計算遙感反射率（Rrs）。水上法采用高光譜SAS 儀器（Satlantic 生產(chǎn)，光譜范圍為360～800 nm），而水中法采用14 通道剖面儀MicroPro（Satlantic 生產(chǎn)，配置波段412、443、490、510、520、533、555、565、590、625、665、700、780 和865 nm）。

利用HY-1CIOT2018 航次全部76 個站位的SAS 測量數(shù)據(jù)對上述四種方法進行應用效果評估。由于M99 方法對殘余耀斑修正的假設局限性較大，因此，在本文評估中，采用R06 方法對殘余耀斑的修正方法進行替代。在天氣的判定上，采用R06方法，即Li（750）/Ed（750）≥0.05 為陰天。圖2（a）、（b）、（c）、（d）分別為M99、G01、R06、L10 四種方法計算得到的76 個站位的Rrs 光譜圖，可見，四種方法計算Rrs 的一致性較好。

2.2 四種方法的差異性分析

為了分析四種方法計算Rrs 的差異，本文引入變異系數(shù)（CV）。CV 為四種方法計算Rrs 的標準偏差除以四種方法估算Rrs 的平均值，考慮到600～800 nm 波段范圍相比可見光波段的遙感反射率量值偏小，信噪比不好，兩者用CV 方法統(tǒng)計結果意義不大，且生物光學算法主要依據(jù)600 nm 之前波段，所以取360～600 nm 的平均值。

由圖3 給出的四種方法計算Rrs 的CV 可見：四種方法計算Rrs 的差異性，除個別站位外，基本在15 %以內，其中有80 %站位在10 %以內，47 %站位在5 %以內。而對于沿岸站位（如Test01-NH02 站位），因Rrs 數(shù)值較大，差異性均在5%以內。

圖1 HY-1CIOT2018 航次試驗站位圖

圖2 四種方法計算Rrs 的結果。

圖3 四種方法計算Rrs 的差異性

圖4 四種方法相對平均值的偏差

由于水上法測量受環(huán)境條件影響較大，現(xiàn)場各站位測量條件各異，表1 按照Srs（750）為天氣判別條件，并考慮觀測時太陽天頂角（SunZ）的差異，給出Srs（750）是否大于0.05 以及SunZ 是否大于60°分四種情況分析各方法的差異性。由表1可得，SunZ ＞60°，即太陽天頂角過大時，四種方法的差異性增大，而Srs（750）＞0.05，即在陰天情況，差異性有小幅增大。

表1 不同天氣狀況、不同太陽天頂角下變異系數(shù)的統(tǒng)計分析

2.3 與剖面儀水中法計算Rrs 的差異性分析

在HY-1CIOT2018 航次中，共在73 個站位進行了SAS 和MicroPro 的同步測量。根據(jù)剖面儀水中法測量原理（Mueller et al，2002），在假設觀測深度水域內水體光學特性均勻的條件下，利用在不同深度Z1、Z2上測得的水體上行輻亮度Lu（λ，Z1）和Lu（λ，Z2），可計算得到水體上行光譜輻亮度的漫衰減系數(shù)KL（λ），再根據(jù)某深度的上行輻亮度數(shù)據(jù)即可外推得到離水輻亮度，進一步計算可獲得遙感反射率（李銅基等，2004）。圖5 給出四種水上法計算Rrs 與水中法計算Rrs 的變異系數(shù)分布，此時，變異系數(shù)CV 取為四種方法計算Rrs 與水中法計算Rrs 的標準偏差，除以水中法計算的Rrs，并取600 nm 之前通道的平均值。

圖5 四種典型水上法與水中法計算Rrs 的差異分布（全部73 個站位）

由圖5 可見，四種方法計算的Rrs 與水中法計算結果的差異分布趨勢大體一致。有約75%的站位差異在15%以內；差異在10%以內的站位約占總站位的60%以上；其中，R06 和L10 方法效果相對更好，有1/3 以上站位的差異在5%之內。

由于在近岸水域水光學特性垂直結構復雜、光能量隨深度衰減快等因素造成水中法測量的外推誤差較大，同時考慮到水上法易受測量環(huán)境影響，所以我們去除近岸站位和測量時太陽天頂角大于60°的站位，對剩余46 個站位給出四種方法與水中法計算Rrs 的差異分布，如圖6 所示。由圖可見，在較好的比對環(huán)境條件下，水中法與水上法的差異明顯減小，差異性在70%左右的站位在10 %之內，特別是R06 和L10 方法的效果略好，有45 %和43 %的站位差異性在5%之內。圖7 給出R06 和L10 方法與水中法計算Rrs 的比對散點圖，可見，在較理想條件下，水中法和水上法得到Rrs 的一致性很好。需說明的是，圖中有兩個站位的值偏離1 :1 線較遠，因為其中一個站位在測量時船舶搖晃劇烈，觀測幾何不穩(wěn)定，影響了水上法測量效果；另一站位在測量時因為云覆蓋情況導致環(huán)境光場變化，影響了水上法測量結果。

圖6 四種典型水上法與水中法計算Rrs 的差異分布（去除近岸和SunZ>60°后的46 個站位）

圖7 水上法與水中法計算Rrs 的比對

3 結論

水上法是重要的也是目前國內應用廣泛的測量水體表觀光學參數(shù)的方法。本文在簡要介紹M99、G01、R06 和L10 四種典型水上法計算Rrs 方法原理的基礎上，利用HY-1CIOT2018 航次現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，對這四種數(shù)據(jù)處理方法的應用效果進行評估分析。

用SAS 實測的全部76 個站位數(shù)據(jù)，對比分析了四種方法結果的差異性以及不同太陽天頂角和云況條件的差異分布。利用SAS 和MicroPro 同步觀測的全部73 個站位數(shù)據(jù)，分析了四種方法與水中法計算Rrs 的差異性，以及不同水體和太陽天頂角條件的差異分布。結果表明：

（1）四種方法計算Rrs 的差異性不大，有80%站位的差異在10 %之內。L10 方法的結果最為接近四種方法計算的平均值，R06 方法的結果與L10的大體相當。

（2）在近岸站位，由于Rrs 數(shù)值較大，四種方法計算Rrs 的差異很小，均在5%之內。但在與水中法的對比中，差異較大，這主要是由于近岸水域水光學特性垂直結構復雜、光能量隨深度衰減快等因素造成了水中法測量的外推誤差偏大。

（3）在太陽天頂角較大時，四種方法計算Rrs的差異增大，而通過與水中法對比研究可見，R06和L10 方法在處理粗糙海面天空和太陽耀斑修正方面略優(yōu)。

（4）天空云量情況是影響水上法測量的重要因素，本文僅分析了陰天（Srs（750）＞0.05）及晴天兩種情況下四種方法計算Rrs 的差異性。由于四種方法對陰天時ρ 取值的設定不同，使得差異略大。但從水上法測量原理分析，對于天空光輻亮度相對較大時，這種差異會明顯增大。

（5）L10 方法在多個方面呈現(xiàn)較好的穩(wěn)健性，但其實現(xiàn)的復雜性較大、耗時較長，對于走航和無人值守連續(xù)觀測的適用性欠佳。M99 方法最為經(jīng)典，但在殘余太陽耀斑的處理上仍需完善。R06 方法與M99 一樣依賴于現(xiàn)場風速的測量，其簡化了查找表，可實現(xiàn)快速處理，但同時也因簡化掉太陽天頂角的修正，限制了其在較大太陽天頂角時的應用。

由于本文僅利用HY-1CIOT2018 航次的數(shù)據(jù)進行四種方法的應用效果評估，具有一定局限性。下一步將在數(shù)據(jù)量和環(huán)境條件（如云況描述等）分析等方面不斷積累和進一步分析評估。

致謝：感謝HY-1CIOT2018 航次全體試驗隊員的辛苦付出！