Ξ?dāng)?shù)胡連波,劉智深(室,所,東島Ξ?dāng)?shù)胡連波,劉智深(室,所,東島266003)摘要:利用2006年4月份在黃?，F(xiàn)場測量的海洋光學(xué)數(shù)據(jù)集測試準分析算法(QA)在黃海的適用性QA從實測的感反射比數(shù)據(jù)反演水體總吸收系數(shù)黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的吸收系數(shù),反演的平均誤差分別為14.4%,26.1%,44.2%結(jié)果說明QA可以很好的反演黃海海域包括沿岸水體的總吸收系數(shù)與黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù),但反演浮游植物的吸收系數(shù)有較大的誤差根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在黃海海域浮游植物的吸收對總吸收(去掉純水體吸收)在藍綠波段平均相對奉獻為20%遠低于黃色物質(zhì)和碎屑的奉獻因此文中對QA進行了修正,用浮游植物的光譜模型代替QA法中黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜模型修正后的QA反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的平均誤差分別為:23.4和28.1%可以有效改善原來算法反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。關(guān)鍵詞:準分析算法;吸收系數(shù);遙感反射比文章編號:1675174(2007)061507中圖法分類號: 715.7文獻標識碼:A隨著遙感定量化的進一步開展,越來越多的人需要知道海水各組分的吸收系數(shù)一般認為海水的吸收由4局部組成,純海水(aw)浮游植物色素(aph)黃色質(zhì)(ag)和碎屑(ad)黃色物質(zhì)又被稱為有色可溶有機物(DOM)。0引言海色遙感一個十分重要的應(yīng)用就是從海色遙感數(shù)據(jù)反演得到海水固有光學(xué)性質(zhì),然后從固有光學(xué)性質(zhì)提取海水葉綠素溶解有機物及懸浮泥沙等水體組分度,進而用來估計浮游植物生物量初級生產(chǎn)力和熱通量等1海水的總吸收系數(shù)是影響水體光場分布的要參數(shù)之一,是水體根本固有光學(xué)量之一黃海是型的二類水體區(qū)域,水體光學(xué)特性復(fù)雜特別是在岸水體中,黃色物質(zhì)與碎屑的吸收占了很重要的地位甚至決定了水體光學(xué)性質(zhì)因此準確的反演黃海海域的總吸收系數(shù)和各組分的吸收系數(shù)具有重要的意義。早期的海水吸收系數(shù)反演方法采用葉綠素或者色素濃度作為中間量,首先通過海色遙感反演葉綠素或素濃度23,然后根據(jù)葉綠素或色素的光學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為吸收系數(shù)4這種反演只適用于光學(xué)特性與葉綠素濃度脅變的一類水體,用于二類水體時會產(chǎn)生很大的差水體光學(xué)性質(zhì)可以從離水輻亮度或者遙感反射比的波段比值的經(jīng)驗算法直接得到5Leetl1根大量的實測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)覆蓋了大洋水和沿岸水,建立了在440nm波段的總吸收系數(shù)和遙感反射比的經(jīng)驗關(guān)系eetl6根據(jù)Hydoight數(shù)值模擬建立了適合東中國海的海水總吸收系數(shù)和遙感反射比之間的經(jīng)驗系王曉梅7通過分析實測的黃東海數(shù)據(jù)的建立了海水總吸收系數(shù)和遙感反射比之間的統(tǒng)計模式。a=aw+aph+ag+ad(1)純水的吸收系數(shù)很多海洋光學(xué)專家很早進行了測量89根據(jù)大量對浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑吸收光的實測數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)浮游植物吸收光譜可以用1或者幾個參數(shù)進行表示1013,而黃色物質(zhì)和碎屑的收系數(shù)可以用指數(shù)形式表達1415朱建華16根據(jù)對2002年和2003年黃東海的現(xiàn)場測量分別得到黃色物質(zhì)和碎屑物吸收系數(shù)經(jīng)驗值目前的海色衛(wèi)星傳感器和現(xiàn)場的測量儀器大都是多光譜或者高光譜,因可以利用線性矩陣或者優(yōu)化算法17從總吸收系數(shù)別離出各組分的吸收系數(shù)Leetl17建立了半分模型,通過非線性光譜優(yōu)化算法反演水體的總吸收系數(shù)和各組分的吸收系數(shù)劉雪峰和張亭祿18通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對OASLOOC等現(xiàn)場測量粒子的吸收光譜中別離浮游植物的吸收光譜。2002年Leetl19提出了準分析算法(QAA),是1種有廣泛應(yīng)用前景的海水固有光學(xué)特性反演算法,目前已被eaiFS數(shù)據(jù)處理軟件包(eDAS4.8)采納并作為其業(yè)務(wù)化算法之一Leetl19比擬了在arfo2iaBja海域QAA算法的反演的總吸收系數(shù)平均誤差為12.5%,(在410nm總吸收系數(shù)的范圍為0.03～:(60178017);(60638020)助期:200119;期:200010介:波(198),男,生,師l:Ξ0.5m-1)Le&arer0.5m-1)Le&arer20利用QAA算法成功的反了arforiaBja海域的浮游植物吸收系數(shù),平均誤差為21.4%但數(shù)據(jù)集中黃色物質(zhì)和碎屑在440nm收系數(shù)與浮游植物在440nm吸收系數(shù)的比值為:0.03～0.14說明在實驗海域浮游植物的吸收占主導(dǎo)地位本文將利用QAA算法對2006年春季實測的黃海海域的遙感反射比數(shù)據(jù)反演水體總吸收系數(shù)和各組的吸收系數(shù),然后與實測數(shù)據(jù)進行比擬以測試QAA算法在黃海的適用性。度E(0+)在船停泊狀態(tài)儀器從船舷或船尾拋入d水,為防止船體影響,順海流漂出離船大約50m為了算遙感反射比需要利用漫衰減系數(shù)K)將Lu(z)推到恰好在水面下Lu(0-)。HTSB帶有Poft數(shù)據(jù)處理軟件,其根據(jù)Autin和etold經(jīng)驗算法計算Kd(490)21,然后根據(jù)orl模型22從Kd(490)計算Kd)由于該算法主要根據(jù)一類水域現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸到,應(yīng)用到沿岸二類水域會有較大的誤差為了避由此引入的誤差,本文通過實測的漫射衰減Kd)(見1.2),外推得到遙感反射比Rs)。1.2漫衰減系數(shù)根據(jù)oron23,漫衰減系數(shù)可定義為:1數(shù)據(jù)和方法2006年4月13日～19日在黃海進行了1次多學(xué)科交叉的LAS春季航次,共有43個大面站和3個續(xù)站水體覆蓋了黃海的較清潔,渾濁以及十分渾水域,而且難得的是有蘇北淺灘的測量數(shù)據(jù)實驗有海面高光譜輻射計水下高光譜輻射計吸收/衰儀分光光度計和太陽光度計海面高光譜輻射計只能在白天測量共有19個站位數(shù)據(jù)水下高光譜輻射計共測得22個站位的數(shù)據(jù)總吸收系數(shù)和各組分吸收系數(shù)屬于主動測量不受白天的限制,共有38個站位的數(shù)據(jù)其中,所有數(shù)據(jù)能夠匹配的共有18個站位實驗航次站位信息見圖1,其中三角符號代表所有配的18個站位由圖1可以看出9點位于蘇北淺灘,此站位十分渾濁,透明度盤深度僅為0.7m水色號為16而且水體呈片狀分布在這樣渾濁的水體中無論是遙感反射比總吸收系數(shù)以及各組分吸收系數(shù)的測量都有極大的誤差,因此這個站位的數(shù)據(jù)在以后的分析中去除。1 dEd(z)(2)Kd=-Ed(z)dz漫衰減系數(shù)的計算通過水下高光譜輻射計測量的面向下輻照度計算水下高光譜輻射計固定在一個學(xué)支架上,在船舷向陽面位置用絞車放入水中實際測量中由于外表波的聚焦,船體陰影以及由于海水的波動引起測量深度帶來的不確定性,不能根據(jù)方程(2)簡單的從的2個深度的輻照度計算Kd為了少這些不利影響,本文采用上層水體的og(Ed(z))和深度z之間線形擬和,擬和結(jié)果得到Kd。1.3總吸收系數(shù)海水的總吸收系數(shù)通過高光譜吸收/衰減儀(A)測量實驗過程中,按照標準規(guī)范清理AS光學(xué)窗口和吸收/衰減管,同時用純潔水做標定實驗。AS的溫度和鹽度校正采用ulanetl24數(shù)據(jù),散射校正采用eeld推薦的第3種方法25因為QAA從遙感反射比反演的總吸收系數(shù)是上層水體的均值,而AS測量的是水體的剖面吸收系數(shù),所以了兩者能夠進行比較,AS測量的吸收系數(shù)根據(jù)oron26方法對上層水體吸收系數(shù)剖面進行加權(quán)平均。1.4浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)游植物黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)按照NAA標準27,通過分光光度計測量海水水樣得到。每個站位3個主要水文層采集水樣,水樣用What2an公司的F/F濾膜(0.7)過濾,用分光光度計測定保存在濾膜上的顆粒的吸收系數(shù)ap測定后,樣品濾膜用甲醇除去浮游植物色素,萃取后的濾膜顆粒再用分光光度計測定,得出的是碎屑吸收系數(shù)ad浮植物的吸收系數(shù)等于ap和ad的差上述樣品過濾的濾液再用0.2μ的濾膜過濾,用分光光度計測濾液的光密度,然后計算黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)為了與QAA從遙感反射比反演得到的吸收系數(shù)進行比較,本文采用表層水體采樣測量結(jié)果。圖1LAS航次站位圖ig.1tatonsfLAScrie1.1遙感反射比感反射比定義為海外表離水輻亮度Lw和恰在海外表上的向下輻照度Ed的比值海面高光譜輻射計(HTSB)在400～800nm之間有128個通道,測量下0.65m處的向上輻亮度Lu(z)和海外表向下輻算法反演的誤差,定義相對誤差為:準分析算法(QAA)oronetl28根據(jù)ontea算法反演的誤差,定義相對誤差為:準分析算法(QAA)oronetl28根據(jù)ontearo數(shù)值模擬得出了遙感反射比和固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。2md2ean(a)-a))(4)err=100%m))ean(a中,am)為實測的總吸收系數(shù)或者海水組分的吸收系數(shù),ad)為QAA算法反演的總吸收系數(shù)或者海組分的吸收系數(shù)圖3給出了用QAA算法反演的吸收系數(shù)和AS實測的總吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的反演結(jié)果,其相對誤差分別為:11.6%13.7%,15.3%,16.9%,平均誤差為14.4%2 b) bb)rs)=g0+g1(3)a)+bb)a)+bb)中,g0,g1是常數(shù),abb分別是吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)。Leetl19提出的QAA算法其根本思路是:首先選定1個參考波段0,該波段的吸收系數(shù)a0)可以較準確的估計(比方某個紅光波段,該波段的吸收由水的吸收占主導(dǎo)地位),利用公式(3)計算參考波段的向散射系數(shù)bb0),然后根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系確定后向散光譜bb(),最后根據(jù)公式(3)計算總吸收光譜a)由于在整個的算法中并沒有考慮浮游植物黃色物質(zhì)和非浮游植物粒子的吸收光譜形狀,因此具有高的精度和適用性然后利用黃色物質(zhì)和碎屑的指數(shù)衰減吸收光譜模型,從QAA算法反演的總吸收系數(shù)中別離各組分的吸收光譜。2(R=0.91,N=68)反演的誤差來源于以下幾個方面:(1)HTSB測量的Lu(z)外推到恰好在水下外表在誤差,特別是在渾濁水域;(2)AS散射校正誤差;(3)QAA算法本身的誤差以及估計的各種經(jīng)驗參數(shù)帶來的誤差以上各種誤差都會通過QAA算法傳到反演的結(jié)果上,由此看來14.4的誤差已經(jīng)吻合很好了。3結(jié)果和討論17個站位的遙感反射比光譜見圖2,由光譜的形狀和強度可以看出黃海水體屬于典型的二類水體光譜在藍波段有強烈的吸收,說明黃海含有較多的黃色圖3實測總吸收系數(shù)和QA反演結(jié)果在4個波段的比擬ig.3QAeiedotlaboptonofientsoparedithaureentsatourlctedwaleths圖217個站位的遙感反射比光譜ig.2pctrafteauredreoteningrflctaeatte17tatons質(zhì)或者碎屑其中4個站位(6,7,15,32)的遙反射比光譜的峰值>0.01,峰值位置>550nm,說明黃海含有較多的懸浮物質(zhì),比方泥沙。67站位海水很渾濁,透明度盤深度<2m水色號為13。19A2站位透明度盤深度為5m左右,水色號為10海水中等濁。23,40等站位海水較清潔,透明度盤深度為10m,水色號為7由此說明該數(shù)據(jù)集涵蓋了較清潔,濁以及十分渾濁水域為了能進一步的量化QAA圖4QA反演的總吸收光譜ig.4pctrafotlaboptoneiedfomQA圖4給出了QAA算法反演的總吸收光譜,類似圖2遙感反射比光譜,吸收光譜的強度和光譜性質(zhì)變化都大2遙感反射比光譜,吸收光譜的強度和光譜性質(zhì)變化都大在沿岸水域黃色物質(zhì)和碎屑在藍光波段有強烈吸收,在紅光波段水體的吸收占主導(dǎo)地位由于測的遙感反射比包含了葉綠素?zé)晒?在685nm附近),而QAA算法中并沒有考慮熒光的影響,因此在葉綠素濃度較大的站位QAA反演的總吸收系數(shù)在685nm波要偏小由于黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜十分類似都是隨波長指數(shù)衰減1415,所以從遙感的角度很難區(qū)分黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜因此QAA算法反演的是黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)的和圖5和圖6分別給出了QAA算法反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物38.7%,29.1%,36.8%,72.2%平均誤差44.2%(R2=0.71,N=68)可見QAA算法反演的浮游植物的吸收系數(shù)的誤差遠高于黃色物質(zhì)和碎屑的反演誤差。圖717個站位的海水3種組分對總吸收系數(shù)(除去水體吸收)的相對奉獻ig.7latieontibutonsfthreooentsoteotlabopton(aboptonywaterelue)or17tatons圖5實測黃色物質(zhì)和碎屑吸收系數(shù)與QA反演結(jié)果在4個波段的比擬ig.5QAeiedagandadoparedithaureentsatourlctedwaleths圖8所有38個站位的海水3種組分對總吸收系數(shù)(除去水體吸收)的相對奉獻ig.8 Terlatieontibutonsfthreooentsoteotlabopton(aboptonywaterelue)orl38tatons圖7給出了17個站位的浮游植物黃色物質(zhì)和碎在各個波段對吸收系數(shù)(除去水體吸收)的平均相對由圖7可以看出浮游植物的吸收系數(shù)在藍綠波平均奉獻為20%,而碎屑和黃色物質(zhì)遠大于浮游植的吸收奉獻,這就可以解釋為什么QAA反演的浮游植物吸收系數(shù)的誤差較大圖8是本次實驗所有測量的站位(38個站位)的浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑在各波段對吸收系數(shù)(去掉水體吸收)的平均相對奉獻,和圖7略有不同的是黃色物質(zhì)在藍綠波段的吸收奉獻大于碎屑奉獻,但浮游植物的吸收依然較小占20%右因此從遙感反射比反演黃海的浮游植物的吸收系數(shù)會有較大的誤差,而反演黃色物質(zhì)和碎屑時誤差圖6實測浮游植物吸收系數(shù)與QA反演結(jié)果在4個波段的比擬ig.6QAeiedaphoparedithaureentsatourlctedwaleths收系數(shù)與分光光度計實測的比擬其中,黃色物質(zhì)與碎屑的吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相誤差分別為:12.4%,13.5%,24.6%,54.1%,平均差26.1%(R2=0.92,N=68)浮游植物吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相對誤差分別為:較小。在QAA算法中較小。在QAA算法中Le19根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系首先計算了游植物在440nm的吸收系數(shù)黃色物質(zhì)和碎屑在440nm的吸收系數(shù)然后利用黃色物質(zhì)和碎屑的指衰減光譜模型,分離它們和浮游植物的吸收光譜。但黃色物質(zhì)和碎屑的指數(shù)衰減斜率是無法從遙感數(shù)據(jù)精確的獲得15,在各種水體中實測的吸收斜率在0.01～0.02之間,一般取其平均值為0.014或0.015圖9圖10給出黃色物質(zhì)和碎屑在黃海海域的吸收斜率譜模型:aph)=(a0+a1ln(aph440)aph440(5)其中,a0,a1分別是常數(shù),aph440是浮游植物在440nm波段的吸收系數(shù)。圖1138個站位測量的浮游植物吸收光譜(aph)/aph(440))ig.11adptlrts(ph)/ph(44))fphplankonor38tatons圖9所有站位黃色物質(zhì)吸收斜率分布ig.9itibutonfowubtaeaboptonpeorl38tatons圖12根據(jù)浮游植物的光譜模型(5)計算的和實測結(jié)果在4個波段的比擬ig.12clatedaph)oringoeqaton5oparedithaureentsatourlctedwaleths圖10所有站位碎屑的吸收斜率分布ig.10itibutonfetitusaboptonpeorl38tatons分布其中黃色物質(zhì)的吸收斜率為0.008～0.016之間平均值為0.0128碎屑的吸收斜率為0.008～0.011之平均值為0.097由圖7和圖8可以看出黃色物質(zhì)和碎屑的吸收在黃海海域占主導(dǎo)地位,所以吸收斜率較小的變化就會給反演浮游植物的吸收時帶來較大的誤差圖11給出了所有38個站位測量的浮游植物的收光譜,由圖可以看出浮游植物的吸收光譜也不能用1個光譜模型來代表但由于浮游植物的吸收對總吸收的奉獻較小,因此它的吸收光譜模型誤差對反演結(jié)果影響也較小根據(jù)Le12建立的浮游植物吸收光圖12給出了用公式(5)計算的浮游植物吸收系數(shù)在410,450,490和530nm波段的吸收系數(shù)和實測值比擬,平均誤差為12.4%(R2=0.98,N=152)因可以用浮游植物的光譜模型代替QAA算法中黃色質(zhì)和碎屑的吸收光譜模型圖13和圖14給修正后QAA反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的吸收系數(shù)的結(jié)果其中,反演的黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相對誤差分別為:12.6%15.9%,19.5%,45.5%,平均誤差23.4%(R2=0.92,N=68)反演的浮游植物吸收系數(shù)在410,460,490和530nm波段的相對誤差分別為:29.3%,21.7%,24.8%,26.6%平均誤差28.1%(R2=0.83,N=68)由此可見修正后的QAA算法提高了從總吸收系數(shù)中反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。謝:感謝高會旺教授提供N=68)由此可見修正后的QAA算法提高了從總吸收系數(shù)中反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。謝:感謝高會旺教授提供LAS航次;海洋遙感研究所實驗人員為采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)所付出的辛苦勞動。參考文獻:1LeZP,arerKL,ockTG,etl.etodtoeieoanaboptonoffientsfomreoteningrflctaeJ.Appiedptcs,1996,35(3):45462.o/r/