基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法研究

韓宏達

（黑龍江地理信息工程院,黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

隨著全球陸地資源日漸短缺，很多國家將視線轉移至海洋中。對海洋的水體進行離水輻射亮度檢測，能得到水體中各物質的組成與含量。水下剖面光譜測量是檢測離水輻射亮度的主要方法，離水輻射亮度的產生源于水體中存在的生物與懸浮物，這些物質在水、光、大氣的共同作用下發生散射，得到離水輻射亮度。對離水輻射亮度的精準測量能幫助專家精準地推測海洋的水質狀況，為海洋水質研究提供有價值的參考。

在目前的有關研究中，田禮等[1]基于SBA水體光譜現場獲取原理，設計了基于SBA的水體光譜測量系統硬件和軟件，進而實現連續直接觀測，得到離水輻亮度；曾凱等[2]設計了海底光譜反射率測量雙光路采集系統，為消除測量探頭與被測物之間的距離影響，采用放置靈活的參考白板，方便對目標物貼近測量，雙通道的同步測量能夠避免水下光場對測量結果產生影響，使測量結果相對精準。以上傳統的光譜剖面測量方法中，使用普通衛星能夠接收海洋中的離水輻射亮度，但是由于大氣粉塵等形成的氣溶膠以及一些小直徑粒子的散射影響，使普通衛星接收到的離水輻射亮度出現偏差。為提高衛星的接收精度，本文設計一種基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法。

1.基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法研究

1.1 水下光譜剖面儀的結構設計

在水下光譜剖面測量方法設計過程中，需要采用光纖式高光譜剖面儀。該類型儀器的主要媒介是光纖，以完成光信號傳輸，將信號從水下位置傳輸至光譜儀中，完成水下剖面光譜數據的通訊與測量[3]。水下光譜剖面儀的測量過程示意圖（如圖1所示）：

圖1 剖面儀測量使用示意圖

由圖1可知，水下光譜剖面儀在工作過程中需遠離船體，因此利用硬質連桿支撐光纖的電纜，將浮子系統移動至船體向陽面，電纜采集到水下的光信號后連接表面光譜儀，測量過程中所獲得的信號能夠通過光纖連接船上的光譜與水下的測量狀況，經過數據處理與分析之后得到水下的剖面光譜[4]。在光纖選擇過程中，由于水體中的入射光存在于入射光譜近紅外波中，測量過程中易被大氣、海水表層所吸收，因此在光纖選取中需要重視波段為250nm-341nm的光纖傳輸性能。一般的光纖芯直徑較小，相對于水下光譜剖面儀而言，其接收并傳輸的入射輻射量達不到檢測范圍要求，因此光纖需要選擇水下光譜剖面儀的適配特種石英PCS光纖，其芯徑為0.58mm~0.65mm，數值孔徑為0.57mm，這種適配特種光纖在測量過程中產生的損耗較小，其曲線與鏡頭測量值具有較高的相似性。使用該類光纖與水下光譜剖面儀相連接，能夠提高實測值的精度。

1.2 引入星站差分GPS技術

傳統的GPS定位技術因受氣候限制，定位精度較差，因此本文使用星站差分GPS代替傳統RTK技術應用于水下光譜剖面測量。星站差分GPS實際上是一種單機RTK技術，與傳統RTK相比，其對基準站進行了更換和替代。星站差分GPS技術的整體拓撲結構包括：L波段的通信衛星、GPS衛星定位系統、用戶接收機、注入站、數據處理器及遍布全球的GNSS參考站網絡。GPS衛星定位系統獲取信息后，通過參考站網絡傳輸至注入站與數據處理器，再經雷達傳至L波段的通信衛星上，經過DGPS差分之后，得到差分改正數據，傳入用戶接收機中，實現地面與衛星之間的數據聯通與交換。本文研究的水下光譜剖面測量方法使用MarineSTAR星站差分技術，針對不同的水下光譜剖面進行測量，MarineSTAR星站差分技術可以提供多種GPS差分等級服務，能夠針對不同的置信度環境提供有效的定位精度，總體來說在信號覆蓋范圍內，平面和高程的精度能夠保證在15cm以下[5]。在星站差分GPS測量系統中，設置雙串口PC卡、PC機以及GPS接收機等硬件裝置，其中重要的探測儀器為15H型海鷹探測儀，在星站差分GPS工作機制下，衛星接收到輻射亮度后，其測量所處的大氣環境對輻射亮度的測量結果具有重要影響。因此，為保證測量獲得的離水輻射率準確度，需進行大氣校正。

1.3 水下光譜剖面測量數據處理與計算

由于受衛星工作環境的影響，在惡劣天氣條件下，圖像的獲取與通信會存在一些條帶，因此在測量結束后，需要對圖像以及數據進行處理。本文采用自適應局部回歸法，在數據相同的多個測量圖像中，選擇區域面積最小且相關性最大的區域進行分析。針對遙感圖像，選擇經過自適應局部回歸法去除條帶后的某波段圖像，搭配大氣校正的波段圖像，并切割圖像以簡化數據，并將其進行掩膜處理，以去除遙感圖像中的陸地部分。

完成數據整理后，需要對星站差分得到的遙感數據圖像進行輻射校正。在水下剖面測量過程中，傳感器傳輸的輻射強度能以圖像灰度值的方式體現[6]。在真實的測量過程中，傳感器能夠接收到的輻射強度除了目標物自身的真實輻射外，還受水下其他物質的影響。在測量過程中，除了傳感器誤差外，對于大氣輻射進行校正是測量方法中的關鍵環節。基于大氣與太陽輻射的獨特性，太陽輻射在穿越大氣過程中經過一系列折射、吸收及散射等自然現象，其在計算水層遙感反射率時需依據輻射校正后的遙感數據進行計算。對于星站差分GPS衛星，計算如式（1）所示：

本文在測量中主要利用ETM+的3波段，通過查閱相關資料，可以確定上式中值為0.9215，為遙感抵消，具體數值為-3.8810。校正的相關流程（如圖2所示）：

圖2 大氣校正流程圖

在上述校正流程下，對遙感圖像進行相關的波度運算，從而得到輻射亮度值。對于遙感反射率，其計算如式（2）所示：

式（2）中，P0為目標反射的輻射能量；P為總入射能量；RS為無量綱。由于不同目標的外在形狀及質地不同，故遙感反射率存在一定差異。針對水下光譜剖面進行測量，目標絕大多數時候會發生漫反射，這種情況下的太陽輻射波長與角度對最終的測量結果會產生影響。為提高測量精度，可以采用縮小自然光入射角的方式減少鏡面反射。一般水中物體的反射率范圍為[0,1]，通過反射率數值判定目標物體的性質與濃度。在測量中，需對大氣傳輸的方程進行簡化，編寫與太陽光譜相關的信號以模擬太陽輻射的傳輸過程，假定測量環境為晴朗無云，考慮到大氣環境中正常物質的系統以及氣溶膠散射問題，故將相關參數與處理過的水下遙感數據代入計算，得到高質量的水下光譜剖面測量遙感數據。至此完成基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法研究。

2.試驗

2.1 試驗準備

為驗證基于星站差分GPS的水下光譜剖面測量方法的有效性，選擇某研究區的水體進行測量。該研究區的海水納污能力強，其中含有的泥沙較多，海灘土質松散，包括粉質黏土、砂質黏土、粉砂混合土等多種類型。在該片研究區中設置若干測量點，分別對其進行表觀光學及固有光學測量。選擇其中兩個測試點，得到相關點位信息（如表1所示）：

表1 兩個觀測點相關點位信息

在測量過程中，本文使用基于星站差分GPS的水下光譜測量法，將光譜儀的觀測角度設置為與太陽入射平面夾角的135°，與地平面的法線夾角為40°，儀器測量示意圖（如圖3所示）：

圖3 水下光譜測量示意圖

水下光譜的遙感反射率計算如式（3）所示：

式（3）中，ρ為漫反射板的反射率；本文選擇的漫反射板反射率值為24%，Yi為水下反射率；n為海洋表面的反射率；Yi為天空反射率；Yq為離水輻射率。水下光譜剖面測量儀主要是依靠其特有的輻照度來接收水下測量的輻照度，使用漫反射板測量水面到測量船中的上行光輻射率，水下各層面的遙感漫反射率計算如式（4）所示：

式（4）中，λ為海面的入射輻照度。在上行光以及下行光所覆蓋的測量剖面中，各個方向光的分布相對均勻，因此某些角度的通光量較理想中的分布大。本研究使用的測量儀器與傳統方法使用的測量儀器參數（如表2所示）：

表2 兩種方法所用儀器參數

在上述試驗環境下，使用傳統水下光譜剖面測量方法進行同步測量，并對測量結果進行對比與統計分析。

2.2 試驗結果與分析

經過測量試驗，得到兩種方法的水層遙感反射率曲線（如圖4所示）：

圖4 兩種方法得到的水下遙感反射率曲線

根據公式中的計算方法，分別使用本文設計的測量方法與傳統測量方法得到水下統一深度的遙感反射率。由于光線在水中發生折射，故水下光譜剖面儀能接收到經水面折射的光斑。從上圖可以看出，本文測量方法得到的遙感反射率與標準水層遙感反射率曲線在450nm~800nm高度相關，經計算機對比，兩曲線的相關系數R2>0.995，傳統測量方法得到的曲線與標準水層遙感反射率曲線的相關系數R2>0.855，吻合情況不及本文方法，說明本文方法的測量準確度較傳統方法高。

3.結束語

在遙感反射率測量過程中，大氣環境及水環境中存在諸多影響測量準確性的因素，因此本文引入星站差分GPS技術以避免測量及傳輸過程中帶來的誤差和影響。在水下光譜剖面測量過程中，受傳統基站束縛較少，通過一系列傳輸流程使衛星接收到輻射亮度。為保證測量準確度，還需對水下光譜剖面測量數據進行處理與計算以校正大氣輻射。結果表明，本設計方法可提高遙感反射率曲線的測量準確度。