1、PAGE 12 收稿日期: ; 預(yù)印本:。基金項(xiàng)目: 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2018YFB0504900和2018YFB0504904)，國(guó)家自然科學(xué)基金(42071325)，測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)、武漢大學(xué)“985計(jì)劃”和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裝備專(zhuān)項(xiàng)基金第一作者簡(jiǎn)介田禮喬，1980年生，湖北省宜昌市人，武漢大學(xué)教授/博導(dǎo)(2016)。主要研究興趣包括水體光學(xué)裝備研發(fā)與組網(wǎng)觀測(cè)，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星水色遙感大數(shù)據(jù)處理與基于深度學(xué)習(xí)算法的水環(huán)境參數(shù)反演與監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。通信作者簡(jiǎn)介: 李森，1996年生，河北張家口人，武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究興趣為水體光學(xué)裝備研

2、發(fā)與組網(wǎng)觀測(cè)。基于天空光遮擋法的便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)研發(fā)與應(yīng)用田禮喬1, 李森1,*, 孫相晗1, 孫兆華2, 宋慶君3武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079 Easy Ocean Technology Ltd., Halifax, B3H1N4, Canada自然資源部國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081摘 要: 離水輻亮度(Water-leaving radiance，Lw)是水色遙感現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中的關(guān)鍵物理量之一，由其計(jì)算獲得的遙感反射率(Remote-sensing reflectance，Rrs)是水色遙感參數(shù)反演的最基本參數(shù)。天空光遮擋法 (Skyligh

3、t-blocked approach, SBA) 可以直接測(cè)量水體離水輻亮度，作為一種新興方法具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用潛力。本文介紹了基于天空光遮擋法的便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)（the Portable Floating Optical Buoy, FOBY-P），其具有浮體自陰影小、布放簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)近海開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1) FOBY-P結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能在一定程度上避免太陽(yáng)天頂角較大條件下浮體的自陰影遮擋影響，初步評(píng)估結(jié)果表明其400-700nm 自陰影影響在渾濁水體5%，在清潔水體約為1%-3%； 2) 在高海況下，傳感器傾角隨海況增大而變化劇烈，F(xiàn)OBY-P能保證在3-4級(jí)海況下觀測(cè)傾

4、角小于5的有效觀測(cè)占比超過(guò)50%；3) 通過(guò)與基于水面以上法的三通道TriOS RAMSES高光譜輻射計(jì)同步觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，二者一致性較高（r 0.9），在490-565nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)Rrs的偏差5%，差異可能由觀測(cè)方法不同引起，水面之上法水-氣界面校正的不確定性可能是引起部分偏差的重要因素之一。該研究表明便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)（FOBY-P）可滿足近海較高等級(jí)海況（3-4級(jí)）下的復(fù)雜水體現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)需求，隨著針對(duì)FOBY-P的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與處理方法的不斷優(yōu)化，有望獲取更高質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)水體光譜觀測(cè)結(jié)果。關(guān)鍵詞: 水色遙感、水體光譜、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、天空光遮擋法、便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)中圖分類(lèi)號(hào): P229 文獻(xiàn)

5、標(biāo)志碼: A 引用格式：1 引 言離水輻亮度(Water-leaving radiance，Lw)是水色遙感現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中關(guān)鍵物理量之一，由其計(jì)算獲得的遙感反射率(Remote-sensing reflectance，Rrs)是水色遙感參數(shù)反演的最基本參數(shù)，也是描述水體光譜特性的重要參數(shù)之一(Antoine, 2012)。現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量的水體離水輻亮度是支撐水色遙感監(jiān)測(cè)的重要基礎(chǔ)保障，并廣泛應(yīng)用于輻射定標(biāo)、大氣校正與參數(shù)反演的研究與應(yīng)用過(guò)程(Morel, 1980; Zibordi等, 2006; Zibordi等, 2009; Hooker等, 2002; Lee等, 2013)。但目前為止，由于

6、測(cè)量方法和技術(shù)的局限性，準(zhǔn)確測(cè)量離水輻亮度仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。常見(jiàn)的水體遙感反射率現(xiàn)場(chǎng)獲取方法有三種：1) 剖面法、水面之上法和天空光遮擋法。水面之上法是目前II類(lèi)水體光譜特性研究中最常用的測(cè)量方法，但是由于無(wú)法直接測(cè)得離水輻亮度，需要剔除總信號(hào)中的天空光。專(zhuān)家學(xué)者提出了多種天空光剔除方法(Mueller等, 2002; Lee等, 2010; Cui等, 2013)，但相對(duì)復(fù)雜的后處理流程對(duì)遙感反射率結(jié)果仍帶來(lái)很多不確定性(Lee等, 2013)。天空光遮擋法(Skylight-blocked approach，SBA)是一種新興的現(xiàn)場(chǎng)水體光譜測(cè)量方法(Lee等, 2013)。SBA

7、通過(guò)安裝一個(gè)錐形遮光罩，遮光罩阻擋了大氣散射光和水面反射的天空光信號(hào)進(jìn)入輻亮度探頭，這樣就可以實(shí)現(xiàn)Lw的直接測(cè)量，從而減小了后處理過(guò)程帶來(lái)的不確定性；同時(shí)，SBA具有測(cè)量步驟簡(jiǎn)便，受環(huán)境影響較小的優(yōu)勢(shì)(田禮喬等, 2020)。 REF _Ref68627967 h 圖 1展示了天空光遮擋法觀測(cè)方案的演變，遮光罩由最初管狀設(shè)計(jì)(Lee等, 2010; Ahn等, 1999)到球形設(shè)計(jì)(Akihiko等, 2006)再到目前的錐形設(shè)計(jì)，既保證了輻亮度探頭視場(chǎng)不受遮擋，又盡量減小體積，減少了自陰影的影響。Lee等 (2013)基于Satlantic HyperPro 系統(tǒng)配套錐形遮光罩設(shè)計(jì)的SBA觀

8、測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，但是由于兩探頭分別位于浮體不同側(cè)，太陽(yáng)天頂角較大條件下，輻亮度探頭在背對(duì)太陽(yáng)時(shí)容易受到浮體陰影遮蔽(Lee等, 2019；shang 等, 2017;陳旭磊等,2016)。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1天空光遮擋法方案演變。（a）Ahn等(1999)管狀遮光罩版本；（b）Akihiko等(2006)球形遮光罩版本；（c）Lee等(2013)SBA版本；（d）Tian等(2020)雙通道版本。Fig 1 The schematic and its development of the skylight-blocked approach (SBA). (a) The sc

9、hematic of Ahn etc. (1999); (b) The schematic of Akihiko etc. (2006); (c) SBA of Lee etc. (2013); (d) The schematic of Tian etc. (2020)近年來(lái)，天空光遮擋法的數(shù)據(jù)處理方法和觀測(cè)規(guī)范不斷完善。數(shù)據(jù)處理主要集中于自陰影校正方面，Shang等 (2017)和Yu等 (2021)提出了針對(duì)SBA的自陰影校正模型，陳旭磊等 (2016)和Lin等 (2020)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方式，在控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的條件下評(píng)估了自陰影校正模型的有效性。觀測(cè)規(guī)范方面，Lee等 (2019)從理論

10、方法、裝備設(shè)計(jì)、測(cè)量前傳感器定標(biāo)、暗電流校正、測(cè)量周期等環(huán)節(jié)，以及觀測(cè)后數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、自陰影校正等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)；Ruddick等 (2019)重點(diǎn)分析了天空光遮擋法的不確定性來(lái)源。數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方面，Wei等 (2021)就SBA在不同水體類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)不確定性開(kāi)展了精度評(píng)價(jià)工作。上述研究為天空光遮擋法在理論、規(guī)范、數(shù)據(jù)處理上做了很好的總結(jié)，推動(dòng)了SBA的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，基于天空光遮擋法的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣校正(Wang等, 2020; Wei等, 2018)、水色要素反演(Jiang等, 2021; Pahlevan等, 2020; Wei等, 2019)、水表面輻射透過(guò)率估算

11、(Zoffoli等, 2017; Wei等, 2015)、數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)(Pahlevan等, 2017; Pahlevan等, 2016)等方面。上述系列應(yīng)用一方面體現(xiàn)了SBA在水色遙感領(lǐng)域的應(yīng)用前景，另一方面需要專(zhuān)家學(xué)者在裝備研發(fā)上不斷完善。裝備研發(fā)方面，雙通道設(shè)計(jì)將輻照度探頭與輻亮度探頭集成，設(shè)置于浮體中央，能有效避免觀測(cè)方位角變化對(duì)浮體陰影的影響，如圖1(d)。基于該設(shè)計(jì)理念，Tian等 (2020)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，先后研制了兩個(gè)版本的漂浮式水體光譜測(cè)量系統(tǒng)，或稱(chēng)漂浮式光學(xué)浮標(biāo)（the Floating Optical Buoy，F(xiàn)OBY）。該研究中詳細(xì)介紹了浮標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和具體模

12、塊設(shè)計(jì)，并在珠江口、洪湖開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)實(shí)驗(yàn)。但是上述漂浮式光學(xué)浮標(biāo)仍然存在一定的不足，如圓形浮體在太陽(yáng)天頂角較大條件下可能會(huì)產(chǎn)生較大自陰影，采用的傳感器缺少現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)傾角等姿態(tài)記錄，觀測(cè)設(shè)備體積較大，布放困難，不利于高效的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等工作，從而影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量效率與觀測(cè)數(shù)據(jù)精度。因此本研究基于SBA研發(fā)了一款便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)（the Portable Floating Optical Buoy, FOBY-P），并在中國(guó)近海開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其在儀器自陰影、傳感器傾角、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的表現(xiàn)。2 便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)研發(fā)便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)(FOBY-P)采用雙通道設(shè)計(jì)，并基于圓形

13、浮標(biāo)FOBY(Tian等, 2020)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)更加小型化，減小了浮體自陰影影響。FOBY-P的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如 REF _Ref68703239 h 圖 2所示，浮體采用三腳架作為支撐，三腳架臂長(zhǎng)65.2cm，直徑小于1cm，支撐架末端安裝浮體與配重塊，浮體提供系統(tǒng)在水面觀測(cè)的浮力，配重塊可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中遮光罩入水深度需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。其他硬件包括光譜測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及供電模塊進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)并集成于中央主機(jī)，極大地縮小了體積。數(shù)據(jù)采集模塊增加姿態(tài)傳感器，可以記錄每次光譜觀測(cè)的傳感器傾角，精度為0.1。光譜儀和傳感器指標(biāo)設(shè)計(jì)可參見(jiàn)(Tian等, 2020)中的參數(shù)介紹。上述設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)

14、：1）減小了浮體產(chǎn)生的自陰影。相對(duì)于圓形浮體，三腳支架體積小，因此產(chǎn)生更少的自陰影，并且，通過(guò)自陰影校正模型可以進(jìn)一步減小自陰影的影響；2）在較高等級(jí)海況下水體中保持較穩(wěn)定的觀測(cè)姿態(tài)。三角形的支撐架設(shè)計(jì)，減小了波浪引起的浮標(biāo)觀測(cè)傾角；配重塊重量可調(diào)整，可以保證遮光罩的入水深度一致，減少不同觀測(cè)站位測(cè)量值之間的不確定性；3）方便運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)布放。中央主機(jī)體積小、重量輕，小型化設(shè)計(jì)方便運(yùn)輸攜帶，使得現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)更加便利，1-2人即可利用FOBY-P完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；該設(shè)計(jì)同時(shí)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免了野外復(fù)雜環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸天線、GPS等設(shè)備的干擾，使系統(tǒng)更具魯棒性。圖 SEQ 圖 * ARABIC 2

15、便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)照片。漂浮式光學(xué)浮標(biāo)外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括三腳支撐架包含三角支架(1)、浮體(2)、配重塊(3)，主機(jī)(4)集成了輻照度傳感器(5)和輻亮度傳感器(6)、遮光罩(7)、數(shù)據(jù)采集、定位和傳輸系統(tǒng)Fig. 2 The configuration and filed photo of the Portable Floating Optical Buoy (FOBY-P). The configuration of FOBY-P consists of the tripod support and the host. The tripod support consists o

16、f a triangular bracket (1), a floating body (2), and a counterweight block (3). The host (4) was integrated with irradiance sensor (5), radiance sensor(6), a cone (7), data acquisitions, positioning and transmission system.3現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)主要包括兩部分，中國(guó)東部沿海及南海水域（見(jiàn) REF _Ref68704653 h * MERGEFORMAT 圖

17、3）。中國(guó)東部沿海區(qū)域包含渤海、黃海及東海北部，測(cè)試時(shí)間為2018年10月7日至11月5日，共33個(gè)站點(diǎn)。南海水域主要位于南海海南島南部沿岸，測(cè)試時(shí)間為2018年10月2日至210月12日，共38個(gè)站點(diǎn)。中國(guó)近海受陸源物質(zhì)、海底地形、季風(fēng)、季節(jié)性表層海流、臺(tái)風(fēng)、降水等多因素綜合影響，水體光學(xué)特性復(fù)雜且時(shí)空差異明顯(李銅基, 2012)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)最高風(fēng)速達(dá)14m/s，浪高2.3m，海況變化劇烈。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3 2018年中國(guó)近海FOBY-P現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站位圖Fig. 3 The location of the field investigation stations of F

18、OBY-P carried out in 20183.2 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程遵循觀測(cè)規(guī)范(Lee等, 2019)，每個(gè)觀測(cè)站位正式測(cè)量前調(diào)整配重塊重量，保證現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中遮光罩入水深度控制在2cm左右（Tian 等, 2020）。為了避免船體陰影的影響，漂浮式光學(xué)浮標(biāo)布放位置距離船30m左右，每個(gè)站點(diǎn)分別觀測(cè)3次，每次連續(xù)測(cè)量不少于100條同步的離水輻亮度（Lw）及太陽(yáng)下行輻照度（Es）光譜記錄，光譜儀定標(biāo)的波長(zhǎng)范圍為365 - 889nm，按照公式(1)計(jì)算遙感反射率（Rrs）： QUOTE Rrs()=Lw()Es() ( SEQ 公式 * ARABIC 1)數(shù)據(jù)處理按照Lee等 (2

19、019)提出的規(guī)范的進(jìn)行。1) 剔除觀測(cè)結(jié)果中傳感器傾角較大數(shù)據(jù)，以5度為剔除閾值；2) 計(jì)算遙感反射率在698nm處的概率密度函數(shù)，并剔除前后15%的數(shù)據(jù)，以避免離水輻亮度數(shù)據(jù)被污染的情況；3) 利用保留數(shù)據(jù)計(jì)算均值及標(biāo)準(zhǔn)差獲得最終的遙感反射率結(jié)果；4) 按照Shang等 (2017)模型進(jìn)行儀器自陰影校正，模型中吸收系數(shù)和散射系數(shù)按照Tian等 (2020)利用的方法進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。同時(shí)，在觀測(cè)中采用三通道TriOS RAMSES高光譜輻射計(jì)進(jìn)行走航式水面之上法船載測(cè)量，該系統(tǒng)共有兩個(gè)輻亮度探頭，一個(gè)用于觀測(cè)總輻亮度（Lt ），一個(gè)用于觀測(cè)天空光（Lsky），輻照度探頭觀測(cè)太陽(yáng)下行輻照度（

20、Es），觀測(cè)幾何會(huì)自動(dòng)調(diào)整，按照海洋光學(xué)規(guī)范推薦的天頂角40和方位角135進(jìn)行觀測(cè)(Mueller等, 2002)，由公式(2)計(jì)算水體遙感反射率（Rrs）。在本研究中，菲涅爾反射系數(shù) f通過(guò)非線性光譜優(yōu)化方法和生物光學(xué)模型獲得(Cui等, 2013)。 （ SEQ 公式 * ARABIC 2）研究中采用以下統(tǒng)計(jì)量評(píng)價(jià)FOBY-P與TriOS RAMSES觀測(cè)結(jié)果，包括相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient, r)、相對(duì)均方根偏差(the relative root-mean square deviation, rRMSD)、偏差(bias)、平均絕對(duì)百分比誤差(mean a

21、bsolute percentage difference, MAPD)和無(wú)偏平均絕對(duì)百分比誤差(unbiased mean absolute percentage deviation, SMAPD)，公式如下： ( SEQ 公式 * ARABIC 3) ( SEQ 公式 * ARABIC 4) ( SEQ 公式 * ARABIC 5) ( SEQ 公式 * ARABIC 6) ( SEQ 公式 * ARABIC 7)上述公式中S1與S2分別表示兩同步觀測(cè)系統(tǒng)獲得的遙感反射率結(jié)果。4 結(jié)果與討論4.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水體光譜經(jīng)自陰影校正后現(xiàn)場(chǎng)遙感反射率結(jié)果如圖4所示。圖4(a)展示了懸浮顆粒物主導(dǎo)的

22、類(lèi)水體光譜特征，水體呈黃色，Rrs光譜整體偏高，在570nm-671nm有一個(gè)寬闊的反射峰，800nm處有一較小的反射峰，呈現(xiàn)明顯的“雙峰”特征，在近紅外波段的Rrs大于0。圖4(b)展示了另一種類(lèi)水體光譜特征，Rrs 光譜在560nm左右有明顯的反射峰，水體呈淺綠色。圖4(c)展示了類(lèi)水體光譜特征，Rrs光譜從400 700nm呈逐漸下降趨勢(shì)，至近紅外波段其值趨于0，水體呈深藍(lán)色，其光譜特征與(Lee等, 2015)等研究結(jié)果一致。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 2018年FOBY-P中國(guó)近海獲得的遙感反射率光譜Fig. 4 The Rrs spectra obtained by FO

23、BY-P in the area of offshore of China in 20184.2 儀器自陰影誤差分析自陰影評(píng)估和校正是天空光遮擋法數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題(Ruddick等, 2019)。在天空光遮擋法中，遮光罩或浮體會(huì)產(chǎn)生陰影，造成水面入射光量較少，從而影響Lw的觀測(cè)。Shang等 (2017)將自陰影誤差表達(dá)為遮光罩尺寸/底面直徑R、太陽(yáng)天頂角、水體光學(xué)性質(zhì)（吸收系數(shù)和散射系數(shù)）的函數(shù)，如公式( SEQ 公式 * ARABIC 8)、( SEQ 公式 * ARABIC 9)所示。 ( SEQ 公式 * ARABIC 8) ( SEQ 公式 * ARABIC 9)其中R受儀器設(shè)計(jì)決

24、定，遮光罩底面直徑越大，產(chǎn)生的自陰影誤差也越大(陳旭磊等, 2016)。但是除遮光罩外，儀器浮體也會(huì)產(chǎn)生自陰影，影響水體光場(chǎng)。在SBA系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中，輻亮度傳感器背朝太陽(yáng)方向時(shí)(觀測(cè)方位角為180)，即使在太陽(yáng)高度較高情況下(=30)，自陰影誤差也會(huì)達(dá)到25% - 40% (Shang等, 2017)，上述誤差只能通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方位來(lái)避免，難以通過(guò)算法進(jìn)行校正。漂浮式光學(xué)浮標(biāo)(FOBY)的圓形浮體設(shè)計(jì)更好的避免了觀測(cè)方位的影響，但是在太陽(yáng)天頂角較大條件下，仍然可能會(huì)產(chǎn)生自陰影，而FOBY-P三腳支撐架浮體設(shè)計(jì)則盡可能地避免了浮體自陰影影響。為了定量評(píng)估浮體不同形狀對(duì)其自陰影的影響，本研究采用

25、蒙特卡洛模擬方法(Gordon等, 1975; 唐軍武, 1999)，模擬漂浮式光學(xué)浮標(biāo)FOBY (Tian等, 2020)與FOBY-P的自陰影誤差。模擬參數(shù)設(shè)置如下：太陽(yáng)天頂角= 45，水體光學(xué)特性參數(shù)分別為葉綠素a濃度Chl-a = 5mg/m3，懸浮顆粒物濃度SPM = 3g/m3，有色可溶性有機(jī)物在440nm處的吸收系數(shù)ag(440) = 0.3 m-1，遮光罩底面直徑R = 4cm。得到模擬的不受自陰影影響的遙感反射率和受自陰影誤差影響下的兩設(shè)備遙感反射率及，并計(jì)算二者的相對(duì)偏差。如 REF _Ref70602872 h 圖 5所示，由于FOBY圓形浮體產(chǎn)生更大的自陰影，F(xiàn)OBY直

26、接獲得的Rrs相較于FOBY-P較低。FOBY在400-700nm處的自陰影誤差在8% - 10%范圍內(nèi)，F(xiàn)OBY-P在相同波長(zhǎng)范圍誤差在2% - 5%范圍內(nèi)。700nm后，由于遙感反射率值減小，二者相對(duì)偏差均明顯增大。這也一定程度上說(shuō)明，在該模擬條件下，相對(duì)于圓形版本的FOBY，三腳支撐浮體設(shè)計(jì)的FOBY-P自陰影更小，有望得到更加準(zhǔn)確的離水輻亮度和遙感反射率數(shù)據(jù)。當(dāng)然由于本身蒙特卡洛模擬存在一定的誤差，具體情形還需要進(jìn)一步深入討論。圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 蒙特卡洛模擬FOBY與FOBY-P自陰影影響下的遙感反射率及相對(duì)偏差 (=45, Chl-a = 5mg/m3, SPM

27、= 3g/m3, ag(440) = 0.3 m-1, R = 4 cm)Fig. 5 Comparison of self-shading effect on FOBY and FOBY-P by Monte Carlo simulation. (=45, Chl-a = 5mg/m3, SPM = 3g/m3, ag(440) = 0.3 m-1, R = 4 cm)為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)FOBY-P不同類(lèi)型水體自陰影影響，研究選取現(xiàn)場(chǎng)獲取的幾條典型光譜曲線，用Shang等 (2017)模型進(jìn)行自陰影校正，并進(jìn)行校正前后的光譜進(jìn)行比較。如 REF _Ref68168780 h * MERGEFOR

28、MAT 圖 6所示，(a)為渾濁水體光譜，(b)為清潔水體光譜，表示自陰影校正前遙感反射率光譜，表示自陰影校正后遙感反射率光譜，APD為二者絕對(duì)百分比偏差。可以看出不同水體類(lèi)型自陰影誤差存在一定差異但都在較低水平，相對(duì)于清潔水體，渾濁水體自陰影影響相對(duì)較高。自陰影誤差在400-700nm 范圍，渾濁水體在2%-5%，清潔水體1%。700nm后，由于遙感反射率值變小，尤其清潔水體在該波長(zhǎng)范圍趨近于0，其二者絕對(duì)百分比誤差都有明顯增大，渾濁水體最高達(dá)到約20%，清潔水體在5%左右。最終獲得的遙感反射率光譜的標(biāo)準(zhǔn)差也有一定差異，渾濁水體較高，在400nm-500nm約為5- 610-4，清潔水體約為

29、1- 210-4。上述結(jié)果表明，在本次測(cè)量中，在400-700nm清潔水體自陰影誤差小于5%，但渾濁水體受自陰影影響略大。雖然FOBY-P的小型化設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了自陰影影響，但仍建議采用合適的校正模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的自陰影校正處理。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 6 不同水體類(lèi)型自陰影校正前后FOBY-P獲得遙感反射率結(jié)果對(duì)比Fig 6 Comparison of self-shading effect on FOBY-P in different water types4.3 傳感器傾角分析傳感器傾角可由姿態(tài)傳感器記錄，是評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)姿態(tài)的重要指標(biāo)。在理想觀測(cè)條件下，輻射傳感器應(yīng)當(dāng)沿豎直方向。

30、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，由于受水面浪涌等因素的影響，浮標(biāo)搖擺導(dǎo)致輻射傳感器偏離豎直方向。傳感器傾角會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻照度Es的測(cè)量產(chǎn)生較大的影響，特別是在晴空環(huán)境下影響更大(Ruddick等, 2019)。數(shù)據(jù)處理規(guī)范中常采用5傾角作為閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制(Lee等, 2019)，因此評(píng)估FOBY-P較高等級(jí)海況下的傾角表現(xiàn)是十分必要的。研究中將有輔助記錄的59個(gè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)速及浪高按照氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(張慶陽(yáng), 1985)分為4級(jí)海況，并統(tǒng)計(jì)分析不同海況下，儀器觀測(cè)的傾角分布，具體的數(shù)據(jù)如表1所示。在所有觀測(cè)中，大部分站點(diǎn)海況分布在2-3級(jí)，實(shí)測(cè)浪高0.1-1.25m，設(shè)備傾角隨海況級(jí)別變高也相應(yīng)變大。傾角平均值從1

31、級(jí)海況下的2.14到4級(jí)海況下的6.26，中值與標(biāo)準(zhǔn)差也相應(yīng)增加，表明浮標(biāo)在高海況下傾角姿態(tài)變化更加明顯。表 SEQ 表 * ARABIC 1 不同海況下的傾角統(tǒng)計(jì)Table 1 the statistics of buoy tilts in different sea states海況1234風(fēng)速(m/s)0.3-1.51.5-3.53.5-8.08.0-14.0浪高(m)0-0.10.1-0.50.5-1.31.3-2.5站點(diǎn)數(shù)目2183710光譜數(shù)目1007801639352傾角平均值2.144.565.786.26傾角中值2455傾角標(biāo)準(zhǔn)差1.323.725.15.61研究分別統(tǒng)計(jì)了觀

32、測(cè)數(shù)據(jù)在4級(jí)海況下傾角頻率分布及累計(jì)頻率（見(jiàn) REF _Ref68203932 h 圖7）。在低等級(jí)海況(1級(jí))下，儀器姿態(tài)保持穩(wěn)定，傾角分布主要集中于0-3，以5作為剔除閾值，98%的數(shù)據(jù)符合傾角條件；隨著海況增加，傾角逐漸增大分布向右移動(dòng)，以5作為剔除閾值，在較高等級(jí)海況下（3-4級(jí)）下約有50%以上的數(shù)據(jù)滿足條件。上述研究表明在較高等級(jí)海況下漂浮式光學(xué)浮標(biāo)能保持一定的姿態(tài)穩(wěn)定性，雖然傳感器傾角隨海況級(jí)別升高而變大，但按照現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理規(guī)范，仍能夠保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效率，方便后續(xù)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。圖 SEQ 圖 * ARABIC 7 不同海況下觀測(cè)傾角頻率分布Fig 7 The frequenc

33、y distribution of sensor tilts in different sea states 4.4 近海觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比為了評(píng)估FOBY-P近海觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文將其與基于水面之上法的三通道TriOS RAMSES高光譜輻射計(jì)獲得的Rrs結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，共有12個(gè)匹配結(jié)果。實(shí)驗(yàn)選取412、443、490、520、565、670、750、865nm幾個(gè)水色遙感典型波長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖 SEQ 圖 * ARABIC 8 FOBY-P與TriOS RAMSES觀測(cè)遙感反射率對(duì)比Fig 8 Comparison of Rrs obtained by FOBY-P and TriOS

34、RAMSES圖8展示了兩種觀測(cè)方式獲得遙感反射率的一致性。詳細(xì)的對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表2，相關(guān)系數(shù)r在400-800nm均大于0.9，表明二者具有強(qiáng)相關(guān)性，但是在865nm處，由于遙感反射率值很小，二者相關(guān)性表現(xiàn)較差。rRMSD，bias，MAPD，SMAPD定量地刻畫(huà)了不同波段，遙感反射率測(cè)量值的差異，可以看出在490-565nm，二者差異性較小，觀測(cè)結(jié)果偏差在5%以?xún)?nèi)，在412、443nm和670nm處在5%-20%之間，部分差異可能是由觀測(cè)方法不同引起的，表面之上法水-氣界面校正的不確定性也可能是引起部分偏差的重要因素之一。在大于700nm后，兩者的相對(duì)偏差較大，但絕對(duì)偏差值受低反射率的影響并不大

35、，基本與FOBY在內(nèi)陸及河口水域的觀測(cè)結(jié)果較為一致。表2 FOBY-P與TriOS RAMSES觀測(cè)遙感反射率比較Table 2 Comparison of Rrs obtained by FOBY-P and TriOS RAMSES波長(zhǎng)(nm)rrRMSDbiasMAPDSMAPD4120.9227%10%21%18%4430.9819%9%14%12%4901.007%2%5%5%5201.006%-1%5%5%5650.998%-5%7%8%6700.9924%-20%22%25%7500.9178%-77%76%123%865-0.89292%-171%236%145%5 結(jié)語(yǔ)漂浮式

36、光學(xué)浮標(biāo)的研發(fā)是推動(dòng)天空光遮擋法在水色衛(wèi)星輻射定標(biāo)、大氣校正、水色要素反演等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文分析了天空光遮擋法的觀測(cè)裝備研制、觀測(cè)規(guī)范、數(shù)據(jù)處理等方面的研究進(jìn)展，并詳細(xì)介紹了便攜版漂浮式光學(xué)浮標(biāo)（FOBY-P）研發(fā)情況，該浮標(biāo)具有浮體自陰影小、觀測(cè)姿態(tài)穩(wěn)定、布放簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。中國(guó)近海現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)分析表明：1) FOBY-P結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能在較好避免太陽(yáng)天頂角較大條件下浮體的自陰影遮擋影響。初步評(píng)估結(jié)果表明，其400-700nm 自陰影影響在渾濁水體5%，在清潔水體約為1%-3%； 2) 在較高等級(jí)海況（3-4級(jí)別）下，傳感器傾角隨海況增大而變化劇烈，F(xiàn)OBY-P能保證在3-4級(jí)海況下觀測(cè)傾角

37、小于5的有效觀測(cè)占比超過(guò)50%；3) 通過(guò)與基于水面以上法的三通道TriOS RAMSES高光譜輻射計(jì)同步觀測(cè)Rrs結(jié)果對(duì)比，表明二者結(jié)果一致性較高(r 0.9)，在490-565nm內(nèi)Rrs的差異5%。未來(lái)可以進(jìn)一步優(yōu)化漂浮式光學(xué)浮標(biāo)設(shè)計(jì)，如研發(fā)可滿足長(zhǎng)時(shí)序定點(diǎn)觀測(cè)的柱狀浮體對(duì)稱(chēng)布放觀測(cè)傳感器，根據(jù)傳感器方位信息挑選受自陰影影響最小的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)性地研究觀測(cè)規(guī)范，進(jìn)行不確定性分析研究數(shù)據(jù)處理方法等。致謝 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2018YFB0504900和2018YFB0504904)，國(guó)家自然科學(xué)基金(42071325)，測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)、武漢大學(xué)“985

38、計(jì)劃”和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裝備專(zhuān)項(xiàng)基金。感謝陜西中科啟航科技有限公司( HYPERLINK / /)、廣州水色海洋技術(shù)有限公司 (/)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面的支持。參考文獻(xiàn)(References) Ahn, YH, JH Ryu, and JE Moon. 1999. Development of redtide & water turbidity algorithms using ocean color satellite. KORDI Report No. BSPE:98721-00.Akihiko, Tanaka, Sasaki Hiroaki, and Ishizaka Joji. 2006. A

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