主流的透明度半分析反演算法在渤、黄海的适用性评价＊

秦 平，肖艳芳，崔廷伟*，刘荣杰，牟 冰

(1．中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛266100;2．国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛266061)

水体透明度是描述海水光学特性的基本参数之一，反映水体的浑浊程度，与海水中悬浮物、叶绿素、黄色物质的含量和成分密切相关，可用于识别水团和流系等［1］。透明度盘法［2］是常用的透明度现场测量方法，但存在耗时长、同步性差等缺点。遥感技术具有大范围、快速、同步观测等优势，已成为获取大面积水体透明度信息的重要手段。

基于遥感技术的透明度反演方法主要包括经验方法和半分析方法。经验方法基于多元统计方法，通过建立最优波段或波段组合与实测透明度数据的回归模型，实现透明度反演［3－6］。这类算法通常只适用于某一特定区域，普适性较差。半分析方法［7－12］基于生物光学模型，结合辐射传输模型与经验关系实现透明度反演，具有较强的普适性，是透明度反演的重要发展方向。此外，由于半分析算法具有较为清晰的物理机制，更有利于确定反演误差的可能原因，为算法的修正提供思路。在透明度半分析反演算法方面，Doron等的工作最具代表性，他们先后提出了三种半分析算法，分别是基于709 nm波段、基于560 nm波段和基于固有光学量准分析算法(QAA)的透明度半分析算法［8，9］。韩留生等［10］、魏国妹等［11］、张居诗等［12］分别开展了上述算法在中国近海的区域性检验工作，但主要是针对其中的某一种算法开展的，而且涉及渤、黄海的算法评估研究所用的实测数据较少、时空覆盖率低，评估结果的代表性不足。

本文基于407组实测数据，评估了三种主流的透明度半分析反演算法在渤、黄海的适用性，为透明度遥感反演模型的研究提供参考。

1 数据源与方法

1．1 数据源

现场观测数据来自于2003、2005、2007和2009年的渤、黄海生物光学实验，实测站位分布见图1。透明度采用透明度盘(直径为30 cm的白色圆盘)测得，渤海实测透明度的范围是0．1～7．0 m，黄海实测透明度的范围是0．1～18．0 m。

现场水体光谱数据采用水面以上测量法［13］获得，测量仪器为美国ASD公司生产的便携式双通道可见光－近红外光谱辐射计，测量和数据处理参照海洋光学规范［13］。根据我国渤、黄海水体的光谱特征［14］，对实测数据进行质量控制，剔除光谱曲线形状异常的数据，最终获得质量较好的实测数据407组，部分站位的实测遥感反射率光谱见图2。

图1 实测站位分布图(“+”，“○”，“◇”和“×”分别表示2003、2005、2007和2009年的实测站位)Fig．1 Location of the sampling station．“+”，“○”，“◇”and“×”represents in－situ stations in 2003，2005，2007 and 2009，respectively

图2 实测遥感反射率光谱Fig．2 In－situ remote sensing reflectance

1．2 透明度半分析遥感反演算法

Doron针对欧洲二类水体，发展的透明度反演模型［8］为:

其中，ZSD为水体透明度;InC0/Ce为常数，表示透明度盘对比度与肉眼观测对比度阈值的比，范围是5～10［8，9］，文献［8，9］没有提及该常数的具体取值，本文取为7．5;P是490 nm处漫衰减系数Kd(490)与光束衰减系数c(490)的函数，计算公式如下:

Kd(490)和c(490)可由水体吸收系数a(490)和后向散射系数bb(490)进行估算，a(490)和bb

(490)通过水体遥感反射率反演得到，因此透明度的反演归结为a(490)和bb(490)的计算。

根据水体固有光学量a(490)和bb(490)反演算法的不同，Doron发展了3种反演透明度的半分析算法［8，9］:第一种算法是根据709 nm波段的遥感反射率计算水体的a(490)和bb(490)，这里记为Doron－SA709;第二种算法是采用560 nm作为参考波段，计算水体固有光学量，记为Doron－SA560;第三种算法是利用QAA算法［15，16］计算a(490)和bb(490)，这里记为Doron－QAA。这3种算法(Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA)的计算流程如图3所示。

图3 Doron等发展的透明度半分析反演算法的计算流程Fig．3 Flowchart of semi－analytical algorithms estimating transparency developed by Doron et al．

1．3 评价指标

本文选择以下指标评价透明度反演模型的精度:反演数据与实测数据间的相关系数r2、均方根误差RMSE、平均相对误差APD、反演值与实测值之比的中值MR和半四分位距SIQR，即:

式中N为实测站位数，xi为透明度的实测值，yi为反演值;Q1、Q2和Q3分别表示第1、2和3四分位点。RMSE和APD分别表达了透明度反演值与实测值之间的绝对偏差和相对偏差，MR描述反演值高估或低估实测值的程度，SIQR则说明反演值与实测值比值的离散程度。

2 检验结果

Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA算法的反演值与实测值的对比结果见图4和表1。

Doron－SA709算法反演误差较大，APD约90%，RMSE约13 m;反演值与实测值的r2为0．11;数据大都位于1∶1线之下，MR为0．64，表明反演值总体上低估实测值。与黄海相比，渤海的反演结果与实测值相关性较好，r2为0．76。

Doron－SA560算法中大部分散点位于1∶2线和2∶1线之间，反演值与实测值相关性较好，r2为0．67;APD和RMSE分别为75．8%和3．8 m，是三种算法中反演误差最小的;MR大于1．5，反演值高估实测值。该算法在渤海和黄海的RMSE误差分别为2．2 m和4．6 m，APD分别为86．7%和68%。

Doron－QAA算法反演值的RMSE为3．9 m，APD为91%，r2为0．63，算法在渤海的反演误差大于黄海。

总体来看，3种透明度反演算法中，Doron－SA560算法的反演误差较小，算法相对较稳定(明显偏离实测值的反演结果较少);Doron－SA709和Doron－QAA算法的反演误差则相对较大。

图4 透明度反演模型的检验结果(图中·表示渤海，+表示黄海，实线为1∶1线，二条虚线分别为1∶2和2∶1线)Fig．4 Scatterplot between the measured and retrieval ZSD．ZSD is calculated with Doron－SA709(a)，Doron－SA560(b)and Doron－QAA(c)．The dots represent values in the Bohai Sea while the pluses represent values in the Yellow Sea．The solid line is the 1∶1 line whereas the dashes lines are the 1∶2 and 2∶1 line．

3 讨论

3．1 参数In C0/Ce的影响

在Doron等提出的透明度反演模型(式(1))中，InC0/Ce是一个随着观测时间、环境和观测者的视力而变化的常数，其取值范围通常为5～10［1］，文献［11，12］将其取为5．5，本文取值为7．5，因此有必要分析其取值对反演结果的影响。考虑到中国近海水体的复杂性，下面将参数InC0/Ce的取值范围扩展到0．1～10，分析三种反演算法的检验精度(RMSE和APD)随参数的变化趋势，结果如图5所示。随着InC0/Ce取值的减小，三种算法反演值的RMSE和APD都是先减少，然后增大;当InC0/Ce约为4．0时，Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA算法反演值的APD分别为75%、41%和48%，Doron－SA560和Doron－QAA算法的APD降低了50%，反演精度得到改善。上述结果表明，有必要结合中国近海水体的特点，对参数InC0/Ce进行深入的区域性研究。

表1 透明度反演模型的精度评估Tab．1 Statistics of the retrievals by semi－analytical algorithms

图5 参数In C0/Ce对透明度反演算法的影响(图中实线表示RMSE，虚线表示APD)Fig．5 RMSE and APD of the ZSD retrieval versus In C0/Ce．ZSD is calculated with Doron－SA709(a)，Doron－SA560(b)and Doron－QAA(c)．The solid line represents RMSE of the retrieval values while the dot line represents APD

3．2 固有光学量计算方法的影响

Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA三种透明度半分析反演算法的主要区别在于水体吸收系数a(490)和后向散射系数bb(490)的计算方法不同，固有光学量a(490)和bb(490)的计算误差将通过公式(1)最终传递到透明度反演结果中。下面讨论3种算法水体吸收系数a(490)和后向散射系数bb(490)的计算结果偏差(见图6)。

由图6可知，无论是a(490)还是bb(490)，Doron－QAA算法的反演结果都与Doron－SA560算法具有较好的一致性，而Doron－SA709算法与Doron－SA560算法的偏差则比较明显。这可能是Doron－SA709算法的透明度反演误差RMSE(＞10 m)显著大于Doron－SA560和Doron－QAA算法的主要原因。

3．3 与相关算法评估工作的对比

Doron等［9］基于欧洲二类水体COASTLOOC数据集和地中海、英吉利海峡和南太平洋等海域的实测数据(透明度范围为0．05～41．0 m)，评估了Doron－SA560、Doron－QAA算法应用于卫星遥感影像的反演精度，APD分别为78．2～87．2%和126．1～140．6%。本文相关算法的APD分别为75．8%和91．0%(InC0/Ce=7．5)，小于Doron等的检验结果［9］，可能的原因是本文的评估采用了实测光谱数据，不受卫星遥感数据大气校正的影响。

魏国妹等［11］将Doron－QAA算法应用于北部湾的MODIS遥感数据，反演结果的APD为22%(实测透明度范围是0．7～34．0 m)。张居诗［12］利用52组中国海实测数据(范围是1．5～35．0 m)检验了Doron－QAA算法的适用性，APD为28．6～53．7%。本文利用渤、黄海的实测数据检验Doron－QAA算法，其中参数InC0/Ce根据文献［11，12］的取值选用为5．5，此时透明度反演值的APD为59．7%，大于上述文献的检验结果［11，12］。产生上述差异的原因可能是本文的研究区大都是低透明度的浑浊水体，而Doron－QAA算法更适用于透明度较高的清洁水体。

图6 不同算法固有光学量反演结果的比较(图中·表示渤海，+表示黄海，实线为1∶1线，二条虚线分别为1∶和2∶1线)Fig．6 Scatterplot of the retrieved IOPs between different algorithms．(a)a(490)is calculated with Doron－SA709 and Doron－SA560;(b)a(490)is calculated with Doron－QAA and Doron－SA560;(c)bb(490)is calculated with Doron－SA709 and Doron－SA560;(d)bb(490)is calculated with Doron－QAA and Doron－SA560．The dots represent values in the Bohai Sea while the pluses represent values in the Yellow Sea．The solid lines represent the 1∶1 line whereas the dashed lines are the 1∶2 and 2∶1 lines

4 结论与展望

本文采用407组现场实测数据，分析了三种主流的透明度半分析反演算法(Doron－SA709、Doron－SA560和Doron－QAA)在渤、黄海的适用性。结果表明:3种透明度半分析反演算法均不适用于研究区，RMSE均大于2．2 m，APD高于68%，不能直接用于渤海和黄海的透明度反演。当上述算法应用于卫星遥感影像时，由于大气校正的不完善可能导致更大的反演误差。在这3种透明度半分析反演算法中，Doron－SA560算法的反演误差最小，未来可考虑在此算法的基础上进行修正或者发展新的反演算法。

致谢:

感谢参加现场实验以及为本文研究工作提供数据支持的研究机构和同仁。附录:

(1)Doron－SA709

Doron－SA709算法以709 nm波段的辐照度反射比R(709)计算a(490)和bb(490)，进一步根据公式(A3－A5)得到Kd(490)和c(490)，公式如下:

式中，aw、bbw和bw分别是纯水的吸收系数、后向散射系 数 和 散 射 系 数。根 据 文 献［7］，参 数B490－709=1．13，f(490)=0．335，f(709)=0．335。

(2)Doron－SA560

对于大洋和大部分近岸水体，709 nm处纯水具有强烈的吸收，影响了水体固有光学量的计算;同时考虑到SeaWiFS和MODIS没有709 nm波段的数据，MERIS的709 nm波段数据的信噪比较低。因此，Doron－SA560算法用560 nm波段计算bb(490)，公式如下:

根据文献［8］，参数B490－560=1．003，a490－560=0．323，f(560)=0．335。

(3)Doron－QAA

Doron－QAA算法中，a(490)和bb(490)采用基于555 nm的QAA算法(QAA－555)和基于640 nm的QAA算法(QAA－640)［15，16］综合计算。

其中a(490)［555］和a(490)［640］、bb(490)［555］和bb(490)［640］分别是由QAA－555算法和QAA－640算法计算得到的水体吸收系数和后向散射系数。参数k为:

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