天空光遮挡法水体光谱测量便携版漂浮式光学浮标研发与应用

田礼乔，李森，孙相晗，孙兆华，宋庆君

1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉430079;

2.Easy Ocean Technology Ltd.,Halifax B3H1N4,Canada;

3.自然资源部国家卫星海洋应用中心,北京100081

1 引 言

离水辐亮度Lw（Water-leaving radiance）是水色遥感现场观测中关键物理量之一，由其计算获得的遥感反射率Rrs（Remote sensing reflectance）是水色遥感参数反演的最基本参数，也是描述水体光谱特性的重要参数之一（Antoine，2012）。现场准确测量的水体离水辐亮度是支撑水色遥感监测的重要基础保障，并广泛应用于辐射定标、大气校正与参数反演的研究与应用过程（Morel，1980；Zibordi等，2006；Zibordi 等，2009；Hooker 等，2002；Lee 等，2013）。但目前为止，由于测量方法和技术的局限性，准确测量离水辐亮度仍然是一个极具挑战性的工作。

常见的水体遥感反射率现场获取方法有3 种：剖面法、水面之上法和天空光遮挡法。水面之上法是目前II 类水体光谱特性研究中最常用的测量方法，但是由于无法直接测得离水辐亮度，需要剔除总信号中的天空光。专家学者提出了多种天空光剔除方法（Mueller 等，2002；Lee 等，2010；Cui 等，2013），但相对复杂的后处理流程对遥感反射率结果仍带来较大不确定性（Lee 等，2013）。天空光遮挡法SBA （Skylight-blocked approach）是一种新兴的现场水体光谱测量方法（Lee 等，2013）。SBA 通过安装一个锥形遮光罩，遮光罩阻挡了大气散射光和水面反射的天空光信号进入辐亮度探头，这样就可以实现Lw的直接测量，从而减小了后处理过程带来的不确定性；同时，SBA 具有测量步骤简便，受环境影响较小的优势（田礼乔等，2020）。图1 展示了天空光遮挡法观测方案的演变，遮光罩由最初管状设计（Lee等，2010；Ahn 等，1999）到球形设计（Tanaka等，2006）再到目前的锥形设计，既保证了辐亮度探头视场不受遮挡，又尽量减小体积，减少了自阴影的影响。Lee 等（2013）基于Satlantic HyperPro Ⅱ系统配套锥形遮光罩设计的SBA 观测系统已经比较完善，但是由于两探头分别位于浮体不同侧，太阳天顶角较大条件下，辐亮度探头在背对太阳时容易受到浮体阴影遮蔽（Lee等，2019；Shang 等，2017；陈旭磊 等，2016）。

近年来，天空光遮挡法的数据处理方法和观测规范不断完善。数据处理主要集中于自阴影校正方面，Shang 等（2017）和Yu 等（2021）提出了针对SBA 的自阴影校正模型；陈旭磊等（2016）和Lin 等（2020）采用现场实验的方式，在控制实验环境的条件下评估了自阴影校正模型的有效性。观测规范方面；Lee 等（2019）从理论方法、装备设计、测量前传感器定标、暗电流校正、测量周期等环节，以及观测后数据质量控制、自阴影校正等方面进行了系统的总结；Ruddick 等（2019）重点分析了天空光遮挡法的不确定性来源。数据评价方面；Wei等（2021）就SBA在不同水体类型现场观测不确定性开展了精度评价工作。上述研究为天空光遮挡法在理论、规范、数据处理上做了很好的总结，推动了SBA的应用和发展。

同时，基于天空光遮挡法的现场观测数据已经广泛应用于大气校正（Wang 等，2020；Wei等，2018）、水色要素反演（Jiang 等，2021；Pahlevan等，2020；Wei 等，2019）、水表面辐射透过率估算（Zoffoli 等，2017；Wei 等，2015）、数据真实性检验（Pahlevan 等，2017；Pahlevan 等，2016）等方面。上述系列应用一方面体现了SBA 在水色遥感领域的应用前景，另一方面需要专家学者在装备研发上不断完善。

装备研发方面，双通道设计将辐照度探头与辐亮度探头集成，设置于浮体中央，能有效避免观测方位角变化对浮体阴影的影响，如图1（d）。基于该设计理念，Tian 等（2020）进行了系统设计，先后研制了两个版本的漂浮式水体光谱测量系统，或称漂浮式光学浮标FOBY（the Floating Optical Buoy）。该研究中详细介绍了浮标系统的设计原理和具体模块组成，并在珠江口、洪湖开展现场实验。但是上述漂浮式光学浮标仍然存在一定的不足，如圆形浮体在太阳天顶角较大条件下可能会产生较大自阴影，采用的传感器缺少现场观测时倾角等姿态记录，观测设备体积较大，布放困难，不利于高效的现场测量、数据质量控制等工作，从而影响现场测量效率与观测数据精度。

图1 天空光遮挡法方案演变Fig.1 The schematic and it’s development of the skylight-blocked approach（SBA）

因此本研究基于SBA 研发了一款便携版漂浮式光学浮标FOBY-P（the Portable Floating Optical Buoy），并在中国近海开展现场观测实验，评价其在仪器自阴影、传感器倾角、数据质量等方面的表现。

2 便携版漂浮式光学浮标研发

便携版漂浮式光学浮标（FOBY-P）采用双通道设计，根据圆形浮标FOBY（Tian 等，2020）进行优化，设计更加小型化，减小了浮体自阴影影响。FOBY-P 的结构设计如图2 所示，浮体采用三脚架作为支撑，三脚架臂长65.2 cm，直径小于1 cm，支撑架末端安装浮体与配重块，浮体提供系统在水面观测的浮力，配重块可以根据现场测量中遮光罩入水深度需要进行调节。其他硬件包括光谱测量模块、数据采集模块及供电模块进行了小型化设计并集成于中央主机，极大地缩小了体积。数据采集模块增加姿态传感器，可以记录每次光谱观测的传感器倾角，精度为0.1°。光谱仪和传感器指标设计可参见（Tian 等，2020）中的参数介绍。

图2 便携版漂浮式光学浮标设计与现场照片Fig.2 The configuration and filed photo of the Portable Floating Optical Buoy（FOBY-P）

上述设计具有以下优势：（1）减小了浮体产生的自阴影。相对于圆形浮体，三脚支架体积小，因此产生更少的自阴影，并且，通过自阴影校正模型可以进一步减小自阴影的影响；（2）在较高等级海况下水体中保持较稳定的观测姿态。三角形的支撑架设计，减小了波浪引起的浮标观测倾角；配重块重量可调整，可以保证遮光罩的入水深度一致，减少不同观测站位测量值之间的不确定性；（3）方便运输和现场实验布放。中央主机体积小、重量轻，小型化设计方便运输携带，使得现场观测更加便利，1—2 人即可利用FOBY-P完成现场测量；该设计同时增加了系统的稳定性，避免了野外复杂环境对数据传输天线、GPS等设备的干扰，使系统更具鲁棒性。

3 现场观测与数据处理

3.1 实验区

中国近海受陆源物质、海底地形、季风、季节性洋流、台风、降水等多因素综合影响，水体光学特性复杂且时空差异明显（李铜基，2012）。实验区主要包括中国海域两部分，中国东部沿海及南海水域。中国东部沿海水域包含渤海、黄海及东海北部（118.94°E—124.51°E，29.46°N—40.49°N），测试时间为2018-10-07—11-05，共33 个站点。南海水域主要位于南海海南岛南部沿岸（108.31°E—112.20°E，17.45°N—18.50°N），测试时间为2018-10-02—10-12，共38 个站点。现场观测时最高风速达14m/s，浪高2.3m，海况变化剧烈。

中国近海受陆源物质、海底地形、季风、季节性表层海流、台风、降水等多因素综合影响，水体光学特性复杂且时空差异明显（李铜基，2012）。现场观测时最高风速达14 m/s，浪高2.3 m，海况变化剧烈。

3.2 数据处理与评价指标

实验过程遵循观测规范（Lee 等，2019），每个观测站位正式测量前调整配重块重量，保证现场观测中遮光罩入水深度控制在2 cm 左右（Tian等，2020）。为了避免船体阴影的影响，漂浮式光学浮标布放位置距离船30 m 左右，每个站点分别观测3 次，每次连续测量不少于100 条同步的离水辐亮度（Lw）及下行辐照度（Es）光谱记录，光谱仪定标的波长范围为365—889 nm，按照式（1）计算遥感反射率（Rrs）：

数据处理按照Lee 等（2019）提出的规范进行：（1）剔除观测结果中传感器倾角较大数据，以5°为剔除阈值；（2）计算遥感反射率在698 nm处的概率密度函数，并剔除前后15%的数据，以避免离水辐亮度数据被污染的情况；（3）利用保留数据计算均值及标准差获得最终的遥感反射率结果；（4）按照Shang 等（2017）模型进行仪器自阴影校正，模型中吸收系数a(λ)和散射系数bb(λ)按照Tian等（2020）利用的方法进行测量和计算。

同时，在观测中采用三通道TriOS RAMSES 高光谱辐射计进行走航式水面之上法船载测量，该系统共有两个辐亮度探头，一个用于观测总辐亮度（Lt），一个用于观测天空光（Lsky），辐照度探头观测下行辐照度（Es），观测几何会自动调整按照海洋光学规范推荐的天顶角40°和方位角135°进行观测（Mueller 等，2002），由式（2）计算水体遥感反射率（Rrs）。在本研究中，菲涅尔反射系数ρf通过非线性光谱优化方法和生物光学模型获得（Cui等，2013）。

研究中采用以下统计量评价FOBY-P 与TriOS RAMSES 观测结果，包括相关系数r（correlation coefficient）、相对均方根偏差rRMSD（the Relative root-Mean Square Deviation）、偏差（bias）、平均绝对百分比误差MAPD （Mean Absolute Percentage Difference）和无偏平均绝对百分比误差SMAPD（symmetric Mean Absolute Percentage Deviation），公式如下：

式中，S1与S2分别表示两同步观测系统获得的遥感反射率结果。

4 结果与讨论

4.1 现场观测水体光谱

经自阴影校正后现场遥感反射率结果如图3所示。曲线A展示了悬浮颗粒物主导的Ⅱ类水体光谱特征，水体呈黄色，Rrs光谱整体偏高，在570—671 nm 有一个宽阔的反射峰，800 nm 处有一较小的反射峰，呈现明显的“双峰”特征，在近红外波段的Rrs大于0。曲线B展示了另一种Ⅱ类水体光谱特征，Rrs光谱在560 nm 左右有明显的反射峰，水体呈浅绿色。曲线C 展示了Ⅰ类水体光谱特征，Rrs光谱从400—700 nm呈逐渐下降趋势，至近红外波段其值趋于0，水体呈深蓝色，其光谱特征与（Lee等，2015）等研究结果一致。

图3 2018年FOBY-P获得的中国近海遥感反射率光谱Fig.3 The Rrsspectra obtained by FOBY-P in the offshore sea of China in 2018

4.2 仪器自阴影误差分析

自阴影评估和校正是天空光遮挡法数据处理的关键问题（Ruddick 等，2019）。在天空光遮挡法中，遮光罩或浮体会产生阴影，造成水面入射光量减少，从而影响Lw的观测。Shang 等（2017）将自阴影误差表达为遮光罩尺寸/底面直径R、太阳天顶角θw、水体光学性质（吸收系数a(λ)和散射系数bb(λ)）的函数，如式（8）、式（9）所示。

式中，R受仪器设计决定，遮光罩底面直径越大，产生的自阴影误差也越大（陈旭磊等，2016）。但是除遮光罩外，仪器浮体也会产生自阴影，影响水体光场。在SBA 系统现场观测中，辐亮度传感器背朝太阳方向时（观测方位角为180°），即使在太阳高度较高情况下（θw=30°），自阴影误差也会达到25%—40%（Shang等，2017），上述误差只能通过控制现场观测方位来避免，难以通过算法进行校正。

漂浮式光学浮标（FOBY）的圆形浮体设计更好地避免了观测方位的影响，但是在太阳天顶角较大条件下，仍然可能会产生自阴影，而FOBY-P三脚支撑架浮体设计则尽可能地避免了浮体自阴影影响。为了定量评估浮体不同形状对其自阴影的影响，本研究采用蒙特卡洛模拟方法（Gordon等，1975；唐军武，1999），模拟漂浮式光学浮标FOBY（Tian等，2020）与FOBY-P 的自阴影误差。模拟参数设置如下：太阳天顶角θw=45°，水体光学特性参数分别为叶绿素a 浓度Chl-a=5 mg/m3，悬浮颗粒物浓度SPM=3 g/m3，有色可溶性有机物在440 nm 处的吸收系数ag（440）=0.3 m-1，遮光罩底面直径R=4 cm。得到模拟的不受自阴影影响的遥感反射率和受自阴影误差影响下的两设备遥感反射率及，并计算二者的相对偏差。如图4 所示，由于FOBY 圆形浮体产生更大的自阴影，FOBY 直接获得的Rrs相较于FOBY-P 较低。FOBY在400—700 nm处的自阴影误差在8%—10%范围内，FOBY-P在相同波长范围误差在2%—5%范围内。700 nm 后，由于遥感反射率值减小，二者相对偏差均明显增大。这也一定程度上说明，在该模拟条件下，相对于圆形版本的FOBY，三脚支撑浮体设计的FOBY-P自阴影更小，有望得到更加准确的离水辐亮度和遥感反射率数据。当然由于本身蒙特卡罗模拟存在一定的误差，具体情形还需要进一步深入讨论。

图4 蒙特卡罗模拟FOBY与FOBY-P自阴影影响下的遥感反射率及相对偏差（θw=45°，Chl-a=5 mg/m3，SPM=3 g/m3，ag（440）=0.3 m-1，R=4 cm）Fig.4 Comparison of self-shading effect on FOBY and FOBY-P by Monte Carlo simulation.（θw=45°，Chl-a=5 mg/m3，SPM=3 g/m3，ag（440）=0.3 m-1，R=4 cm）

为了进一步评价FOBY-P不同类型水体自阴影影响，研究选取现场获取的几条典型光谱曲线，用Shang 等（2017）模型进行自阴影校正，并进行校正前后的光谱比较。图5 展示了浑浊水体（橙色）与清洁水体（蓝色）自阴影校正前后FOBY-P遥感反射率光谱。表示自阴影校正前遥感反射率光谱，表示自阴影校正后遥感反射率光谱，APD为二者绝对百分比偏差。可以看出不同水体类型自阴影误差存在一定差异但都在较低水平，相对于清洁水体，浑浊水体自阴影影响相对较高。自阴影误差在400—700 nm范围，浑浊水体在2%—5%，清洁水体＜1%。700 nm 后，由于遥感反射率值变小，尤其清洁水体在该波长范围基本为0，其二者绝对百分比误差都有明显增大，浑浊水体最高达到约20%，清洁水体在5%左右。最终获得的遥感反射率光谱的标准差也有一定差异，浑浊水体较高，在400—500 nm 约为（5—6）×10-4，清洁水体约为（1—2）×10-4。上述结果表明，在本次测量中，在400—700 nm 清洁水体自阴影误差小于5%，但浑浊水体受自阴影影响略大。虽然FOBY-P的小型化设计进一步降低了自阴影影响，但仍建议采用合适的校正模型进行数据的自阴影校正处理。

图5 不同水体类型自阴影校正前后FOBY-P获得遥感反射率结果对比Fig.5 Comparison of self-shading effect on FOBY-P in different water types

4.3 传感器倾角分析

传感器倾角可由姿态传感器记录，是评价现场观测姿态的重要指标。在理想观测条件下，辐射传感器应当沿竖直方向。现场观测时，由于受水面浪涌等因素的影响，浮标摇摆导致辐射传感器偏离竖直方向。传感器倾角会对下行辐照度Es的测量产生较大的影响，特别是在晴空环境下影响更大（Ruddick 等，2019）。数据处理规范中常采用5°倾角作为阈值进行数据质量控制（Lee 等，2019），因此评估FOBY-P 较高等级海况下的倾角表现是十分必要的。

研究中将有辅助记录的59 个站点实测风速及浪高按照气象观测标准（张庆阳，1985）分为4级海况，并统计分析不同海况下，仪器观测的倾角分布，具体的数据如表1所示。在所有观测中，大部分站点海况分布在2—3级，实测浪高0.1—1.25 m，设备倾角随海况级别变高也相应变大。倾角平均值从1 级海况下的2.14°到4 级海况下的6.26°，中值与标准差也相应增加，表明浮标在高海况下倾角姿态变化更加明显。

表1 不同海况下的倾角统计Table 1 The statistics of buoy tilts in different sea states

研究分别统计了观测数据在4级海况下倾角频率分布及累计频率（图6）。在低等级海况（1 级）下，仪器姿态保持稳定，倾角分布主要集中于0°—3°，以5°作为剔除阈值，98%的数据符合倾角条件；随着海况增加，倾角逐渐增大分布向右移动，以5°作为剔除阈值，在较高等级海况下（3—4级）下约有50%以上的数据满足条件。上述研究表明在较高等级海况下漂浮式光学浮标能保持一定的姿态稳定性，虽然传感器倾角随海况级别升高而变大，但按照现有的数据处理规范，仍能够保障观测数据的有效率，方便后续数据质量控制。

图6 不同海况下观测倾角频率分布Fig.6 The frequency distribution of sensor tilts in different sea states

4.4 近海观测数据对比

为了评估FOBY-P近海观测的数据质量，本文将其与基于水面之上法的三通道TriOS RAMSES高光谱辐射计获得的Rrs结果进行对比验证，共有12 个匹配结果。实验选取412、443、490、520、565、670、750、865 nm 几个水色遥感典型波长进行统计分析。

图7展示了两种观测方式获得遥感反射率的一致性。详细的对比参数见表2，相关系数r在400—800 nm 均大于0.9，表明二者具有强相关性，但是在865 nm 处，由于遥感反射率值很小，二者相关性表现较差。rRMSD，bias，MAPD，SMAPD 定量地刻画了不同波段遥感反射率测量值的差异，可以看出在490—565 nm，二者差异性较小，观测结果偏差在5%以内，在412 nm、443 nm和670 nm处在5%—20%，部分差异可能是由观测方法不同引起的，表面之上法水—气界面校正的不确定性也可能是引起部分偏差的重要因素之一。在大于700 nm后，两者的相对偏差较大，但绝对偏差值受低反射率的影响并不大，基本与FOBY 在内陆及河口水域的观测结果较为一致。

图7 FOBY-P与TriOS RAMSES观测遥感反射率对比Fig.7 Comparison of Rrs obtained by FOBY-P and TriOS RAMSES

表2 FOBY-P与TriOS RAMSES观测遥感反射率比较Table 2 Comparison of Rrs obtained by FOBY-P and TriOS RAMSES

5 结 语

漂浮式光学浮标的研发是推动天空光遮挡法在水色卫星辐射定标、大气校正、水色要素反演等领域广泛应用的基础。本文分析了天空光遮挡法的观测装备研制、观测规范、数据处理等方面的研究进展，并详细介绍了便携版漂浮式光学浮标（FOBY-P）研发情况，该浮标具有浮体自阴影小、观测姿态稳定、布放简便等优势。中国近海现场观测实验分析表明：（1）FOBY-P 结构设计上能较好避免太阳天顶角较大条件下浮体的自阴影遮挡影响。初步评估结果表明，其400—700 nm 自阴影影响在浑浊水体＜5%，在清洁水体约为1%—3%；（2）传感器倾角随海况增大而变化剧烈，FOBY-P能保证在3—4 级海况下观测倾角小于5°的有效观测占比超过50%；（3）通过与基于水面以上法的三通道TriOS RAMSES 高光谱辐射计同步观测Rrs结果对比，表明二者结果一致性较高（r＞0.9），在490—565 nm 内Rrs的差异＜5%。未来可以进一步优化漂浮式光学浮标设计，如研发可满足长时序定点观测的柱状浮体对称布放观测传感器，根据传感器方位信息挑选受自阴影影响最小的观测数据，同时针对性地研究观测规范，进行不确定性分析研究数据处理方法等。

志 谢感谢陕西中科启航科技有限公司（https：//oceanx.cn/）、广州水色海洋技术有限公司（http：//www.guangzhoushuise.com/）在系统开发方面的支持。