天空光遮蔽法在高叶绿素水体中的阴影问题研究

陈旭磊,林 供,石良海,单宇杰,商少凌*(1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,2.厦门大学环境与生态学院, 3.厦门大学海洋与地球学院,福建厦门361102)



天空光遮蔽法在高叶绿素水体中的阴影问题研究

陈旭磊1,2,林 供1,3,石良海1,3,单宇杰1,3,商少凌1,3*
(1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,2.厦门大学环境与生态学院, 3.厦门大学海洋与地球学院,福建厦门361102)

摘要:天空光遮蔽法(SBA)是一种直接测量离水辐亮度的方法.该方法通过浮体结构实现,其关键是用于屏蔽天空光的元件——遮光锥.目前浮体结构及遮光锥在高叶绿素水体中产生的阴影效应尚不清楚.本研究依前人经验建立了SBA测量系统,评估浮体结构对SBA的影响发现:在晴天,辐亮度光谱仪观测方位角处于0°～90°以及270°～360°时,浮体结构带来的影响可以忽略;在阴天,浮体结构对各观测方位角的离水辐亮度测量值均有显著影响,即现有的浮子系统SBA可能并不适用于阴天条件.而关于遮光锥阴影问题的探讨发现,在高叶绿素水体中(叶绿素质量浓度>50 mg/m3),若将遮光锥阴影半径由原设计的4.5 cm减至2.2 cm,Gordon自阴影校正模型的临界太阳天顶角可由37°降至12°.

关键词:天空光遮蔽法(SBA);浮体结构;自阴影;遮光锥

天空光遮蔽法(skylight-blocked approach,SBA)为新近提出的直接测量离水辐亮度(或遥感反射率)的方法[1].辐亮度光谱仪镜头的一端安装有仪器配件遮光锥(skylight-blocking cone),测量时光谱仪镜头始终处于水表面之上,遮光锥末端则稍微插入水中.该法由表面之上法改进而来,其中遮光锥起关键作用,它的存在使得水体表面反射的天空光均被屏蔽,实现了由水色光度计直接获取离水辐亮度信号的突破,从而避免了传统方法获取离水辐亮度过程中会带来的误差,这是该法最大的优越之处.该法还具有其他的优越性,如:适用于大部分种类的水体,在正常实验条件下能获得高精度的离水辐亮度数据组,并且处理简便.然而,Lee等[1]所建立的SBA系统是浮子系统,浮体结构的存在会改变测量区域的水下光场,可能对测量造成一定程度的影响,但该文中并未讨论浮体结构的阴影问题.另外,正常测量状态下遮光锥的末端会插入水中,将不可避免地产生自阴影效应.对此,Lee等[1]采用Gordon等[2]提出的方法进行校正,其实验水体440 nm总吸收系数at(440)范围在0.13～0.70 m-1;而目前来说,在at(440)> 1 m-1的高叶绿素水体中使用该方法对SBA进行自阴影校正所存在的问题尚不清楚.本文将在内陆高叶绿素水体的条件下,探讨浮体结构及自阴影所产生的阴影效应对SBA测量的影响.

1 仪器及实验水域

1.1仪 器

SBA系统参照Lee等[1]的方法设计建立,由水下高光谱仪ProfilerⅡ系统(Satlantic公司)改造而来,图1为其整体结构示意图.所使用的浮体为ProfilerⅡ系统原配浮子,浮子安装于ProfilerⅡ系统的顶部,并添加“7”型直角结构增高支臂将光谱仪提高至适当的高度.支臂尺寸设计原则是尽量不破坏系统的稳定性.为了增加系统的稳定性,在系统底部绑上适当质量的铅块.辐亮度光谱仪的固定高度由遮光锥插入水中的深度决定,辐照度光谱仪的固定应尽量往上但同时需考虑整体的平衡.总的来说,系统浮于水面的部分长为60～80 cm,宽约为28 cm.遮光锥为一锥台状的罩子,如图2(a)所示,遮光锥尺寸与Lee等[1]所使用的相似,末端半径约为5.2 cm,高约为10 cm,用于海上测量;图2(b)所示的遮光锥是图2(a)中的缩减版,其半径约为4.5 cm,高约为5 cm,用于内陆水体测量;而图2(c)所示的遮光锥是针对高叶绿素内陆水体所设计的,其半径仅有2.2 cm,高约为4 cm.以半径大小对上述遮光锥进行标记,即Cone52、Cone45、Cone22.它们的视场角均大于辐亮度光谱仪视场角,即遮光锥的使用不影响光信号的接收.辐亮度光谱仪在测量离水辐亮度Lw的同时,也测量水面之上下行光辐照度Ed(0+)以记录光场的变化,从而根据式(1)计算出遥感反射率Rrs:

图1　SBA示意图Fig.1 Schematic diagram of SBA

GER1500型(下文简称为GER)便携式地物光谱仪是美国Geophysical& Environmental Research公司的产品,配备有一块反射率为50%的漫反射灰度板,是经典的表面之上法测量仪器之一.该仪器工作波长范围为300～1 100 nm,有512个波段,光谱分辨率为3 nm,波带宽度约为1.6 nm,视场角为7.5°,其观测几何的选取采用国际水色SIMBIOS计划中所推荐的方法[3](即(40°,135°)),具体操作参照NASA发布的操作规范[4].本研究在采集数据时,尽量避免阴影影响,每组数据按照水体、标准板、天空的顺序依次测量,每次共测量10组.遥感反射率Rrs按下式计算:

图2　各类尺寸遮光锥及其与辐亮度光谱仪组合的情况Fig.2 Cones with three sizes and their match-up with the LU radiometers

其中:Lt为水面之上辐亮度;Lsky为天空漫射光辐亮度;Lplaque为漫射标准板辐亮度;ρ为漫射标准板反射率,取值0.5;r为气-水界面对天空光的反射率,取值0.023;Δ为通过优化算法模拟得出的常数,用于估算破碎的水面反射各方向天空光和太阳耀光所引起的误差[5].

本研究采用AC-S(Wetlabs公司)进行现场水体总吸收系数at和光束衰减系数c的测量,其中at用作SBA的自阴影校正.仪器的光谱范围为400.1～ 746.5 nm.

1.2实验水域

芙蓉湖:位于厦门大学思明校区内的一个景观水区,属于封闭型内陆淡水水池,面积约为30 000 m2,水深1～2 m;周围有不少建筑物,受人类的影响较大,主要接纳雨水,水色呈深绿,属于高度富营养化的水体; at(440)处在6.0～9.0 m-1范围,c(440)为15～35 m-1,叶绿素a质量浓度则为75～115 mg/m3.

希平水塘:位于厦门大学翔安校区,也属封闭性内陆淡水区,面积约为4 000 m2,水深最大约8 m;岸边和底质为黄泥土,水色呈黄绿;at(440)为2.5～4.0 m-1,c(440)为14～20 m-1,叶绿素a质量浓度则为15～35 mg/m3.

2 浮体结构阴影影响的规避

浮体结构是指实现SBA浮标功能的平台,主要包括ProfilerⅡ主机、浮体以及增高支臂所构成的整体.浮体结构对测量的影响主要作用于辐亮度测量.本研究发现,在不同的光照条件下,浮体结构对测量有不同的影响,以下将分别以晴天和阴天这两类测量条件来阐述浮体结构所带来的影响.

本研究以单探头SBA测量值为无浮体结构影响对照.单探头SBA是指利用长杆将安装有遮光锥的光谱仪伸出至测量区域进行测量,同时辐亮度光谱仪竖直安装在岸上的高处测量下行辐照度.这种测量形式仅受遮光锥自阴影影响.在评估浮体结构对测量带来的影响时,引入波段平均相对误差(average percentage error,APE)以供说明,其计算方法如下式:

其中,xi为参考值,yi为受到影响的测量值,n表示波段数.

2.1晴天实验

测量在希平水塘完成,当天水体at(440)约为2.5 m-1,c(440)约为17 m-1.实验期间,天空几乎无云,但有轻微雾霾,总体来看光照条件十分稳定.该实验采用2套高光谱仪(Satlantic公司),分别来自ProfilerⅡ系统和HSAS (hyperspectral surface acquisition system),实验前先对2套光谱仪进行比对.2个辐亮度光谱仪对着同一个方向的蓝天同时测量,计算Srs(Lsky与Ed的比值)后进行比较,结果见图3.以HSAS光谱仪结果为参考值的APE为1.2%,2套光谱仪的测量结果几乎一致.

进行SBA测量时,2种形式所采用的遮光锥尺寸一致,结果比对时暂不考虑自阴影校正.其中ProfilerⅡ光谱仪用作单探头测量,浮子系统SBA使用HSAS光谱仪.对于浮子系统SBA,首先假设辐亮度光谱仪观测方位角φ=0°时为最佳观测几何,故测量时控制φ=0°.在不同的太阳天顶角(θ0)下分别进行3组比对测量,计算Rrs(SBA测量结果均未进行自阴影校正)并比较,结果分别如图4(a)、(b)和(c)所示.2种方式测得的光谱非常接近,各组以单探头为参照的APE均小于7%,主要由光谱在蓝光及红光波段处的差别引起,计算时在该处的分母较小.

另外,随着SBA辐亮度光谱仪观测方位角的改变,浮体结构对测量影响也发生改变.辐亮度光谱仪观测方位角处在90°～270°内,光线很可能会被浮体结构遮挡,那么测得的离水辐亮度值将会偏小.在以上实验的同一天及相同的实验区域,θ0约为65°时,浮子系统SBA分别测量φ=0°,45°,90°,135°和180°时的光谱值,具体光谱见图5(a);而它们相对于单探头SBA光谱值的相对误差见图5(b),APE则分别为7.7%,6.3%,10.2%,21.7%和39.8%.因为SBA的测量情况关于太阳光入射平面对称,故只设置了单边不同观测方位角的测量.

晴天的内陆水体实验结果显示,SBA浮体结构对辐亮度测量的影响视辐亮度光谱仪的观测方位角而定.测量时须注意保持辐亮度光谱仪的观测方位角处于0°～90°和270°～360°的范围内,此时SBA浮体结构带来的影响可以忽略.

图3　2套光谱仪的比较Fig.3 Comparison of the two sets of radiometers

图4　浮子系统SBA与单探头模式的结果比较Fig.4 Comparison between floating SBA and the radiometer-only mode

2.2阴天实验

实验结果同样在希平水塘获得,全程仅采用HSAS光谱仪.当天水体at(440)约为3.8 m-1,c(440)约为20 m-1,测量期间天空布满厚云,光照强度一直稳定在较低的水平,各方向的光照强度相差不大.由于阴天无法看到太阳,根据太阳理应出现的方向确定浮子系统SBA的观测方位角φ,光谱结果见图6 (a),结果同样未考虑自阴影校正.阴天的情况下,φ= 90°～180°测得的遥感反射率与φ=0°～90°测得结果差别不如晴天时明显.晴天时,太阳直射光的存在使得φ=0°～90°范围内能接收到更多的光子,而φ=90°～ 180°时浮体结构的存在会挡住大量的太阳直射光光子,从而测得明显偏小于φ=0°～90°的结果.阴天时各来向的光子数量基本一致,处于任何观测方位角其浮体结构所阻挡的光子量也基本一致,故90°～180°的测量值与φ=0°～90°的结果没有显著差别.

相比之下,阴天时被浮体结构阻挡的光子比例更高,所以单探头模式下测得的SBA光谱与浮子系统SBA有较明显的差别,各观测方位角的结果相对于单探头SBA光谱值的相对误差如图6(b)所示,其误差谱线与晴天的情况不同.晴天时,浮体结构引起的误差主要来源于蓝光和红光波段;阴天时,浮体结构引起的误差在各波段都比较平均.在阴天条件下,浮体结构对SBA的离水辐亮度测量有明显影响.

图5　晴天时浮体结构对SBA测量的影响Fig.5 Influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument in sunny days

图6　阴天时浮体结构对SBA测量的影响Fig.6 Influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument in overcast days

3 自阴影效应的校正

3.1自阴影校正模型

Gordon等[2]利用蒙特卡罗模拟法对水下光学辐射计的自阴影作用进行了研究,发现仪器自阴影引起的误差与阴影半径、水体总吸收系数以及太阳直射条件相关.在忽略横向进入仪器阴影区的散射光前提下(即at≫b,其中b为水体的总散射系数),使用统一的式(4)估算分别以太阳直射光和天空漫射光为光源的自阴影误差ε,然后根据不同的光照条件(以天空漫射光与太阳直射光的比例作为指示)计算总误差εt(式(5)):

式(4)中:当以太阳直射光为光照来源,k是一个与θ0相关的系数,随θ0的减小而增大,而以天空漫射光为来源的情况则k取定值4.61,相当于θ0为36°左右对应的太阳光k值;R为阴影半径,如图7所示.由式(4)可知,自阴影误差主要由at、R以及θ0决定.本研究所讨论的阴影半径R一般为遮光锥末端半径,在其他条件相同的情况下,R越大自阴影误差越大;同样地,水体总吸收系数at与系数k越大,自阴影误差也越大. 式(5)中:f为下行天空光辐照度与下行太阳光辐照度的比值;εsun表示以太阳直射光为光源的自阴影误差, εsky表示以天空漫射光为光源的自阴影误差.f值是表征光照条件的参数,由Hydrolight软件模拟计算而来:输入经纬度、时间以及云量即可得到对应的天空漫射光辐照度及太阳直射光辐照度,进而得到比值.天空中的云越多,f值越大,光照条件则偏向于天空漫射光主导,削弱太阳直射光条件对误差的贡献.在θ0较小的情况下,自阴影误差处于较高水平,在同等情况下,云量的增多会降低总的误差.

该模型仅适用于θ0在10°～70°范围.θ0过大时,阳光来向接近于水平,大部分光将被水表面反射,来自水体的光信号将被大大削弱;当θ0接近于0°,仪器视场角全部位于仪器自阴影区域内,辐亮度计能接收到的光信号主要来自于被横向散射的光子[6],这与模型建立的假设条件相违背.因此,对于该模型在较低θ0情况的使用,Gordon等[2]给出了严格的量化条件:θ0接近20°时,总吸收系数at和阴影半径R的乘积需满足atR≤0.03;θ0接近10°时,atR≤0.01;否则该模型失效.Zibordi和Ferrari在瓦雷泽湖利用实测数据计算自阴影误差[7],实测误差与Gordon的模型结果一致性较好,证实该模型具有较可靠的实用性.

图7　仪器自阴影示意图Fig.7 Schematic diagram of instrument self-shading

图8　不同太阳天顶角的GER(a)和SBA(b)遥感反射率结果(2014-07-10)Fig.8 The Rrsresults of GER(a)and SBA(b)at different solar zenith angles(2014-07-10)

3.2Cone45实验

图8(a)显示的是在芙蓉湖不同θ0下的GER光谱结果.GER光谱间并没有明显的差异,可证明芙蓉湖水体光学性质相对稳定.图8(b)则为不同θ0下的SBA光谱结果,SBA光谱均已经过自阴影校正.θ0= 14°的遥感反射率结果明显偏高于θ0>14°的情况,原因是Gordon的自阴影校正模型在该情况下已经失效(atR>0.03).在θ0较小时,自阴影校正模型失效的表现是误差值被高估.对于芙蓉湖这样具有高吸收性质的水体,即便是θ0相对较大(θ0=55°),其在410 nm波段处的自阴影误差也高达73%.巨大的误差容易导致不稳定.θ0分别为55°,41°和28°的光谱在680～740 nm处几乎一致,其原因是自阴影误差在该波段范围内最高值不超过50%,均处于相对较小的水平.由于水体吸收系数和太阳天顶角都属于自然条件,仅能遵循不可改造,所以本研究从阴影半径入手,减小阴影半径以达到减小阴影误差和扩大自阴影校正模型的太阳天顶角使用范围的目的.

3.3Cone22实验

对于相同的测量条件,减小遮光锥尺寸是降低自阴影误差的唯一方法.为了最大幅度地降低自阴影误差和扩大SBA在内陆水体的使用条件(针对太阳天顶角的限制),我们根据光谱仪的结构专门研制出最大半径仅有2.2 cm的Cone22(Cone22安装在光谱仪上的情况详见图2).由于Cone22直径小于光谱仪直径,其产生的阴影面积需分2种情况考虑:当θ0大于图7所示的临界角度θ0'时,阴影半径以2.2 cm计算;θ0小于此角度则以仪器的垂直投影半径3.0 cm计算.经过计算得到该临界角度为11.3°.

图9　不同太阳天顶角测得的SBA与GER光谱结果Fig.9 Spectra results of SBA and GER under different solar zenith angles

实验同样安排在芙蓉湖进行,当天水体at(440) 为6.0 m-1,天气晴转多云,测量期间天空有块状云.测量时间为12时至15时,θ0变化范围为10°～43°,每隔0.5 h进行1次测量,每组测量包括单探头模式的SBA 2次(Cone45与Cone22各1次)以及GER 1 次,具体结果如图9所示.GER结果为多次结果的平均值,作为判断SBA结果是否自阴影校正成功的参照.在θ0=10°时,对于Cone22,需满足条件atR< 0.01的总吸收系数值约为0.45 m-1,而该水体吸收系数在405～745 nm范围内均大于0.9 m-1,故Cone22的校正光谱理应在各个波段均高于GER光谱.事实上,Cone22的SBA光谱与GER光谱在大部分波段一致,原因是一定量云的存在使f变大,从而降低了太阳光组分在自阴影误差中的贡献.但校正后Cone45的SBA光谱明显高于GER光谱,主要原因是Cone45产生的阴影区域过大.在θ0=12°时, Cone22的SBA光谱基本已经与GER一致;而随着θ0的逐渐变小,Cone45的SBA光谱也逐渐从偏高的位置向Cone22的SBA光谱和GER光谱靠拢,在θ0=37°时基本与其他2组光谱一致,θ0=43°时3条光谱更为接近.针对本次实验情况,R从4.5 cm减小至2.2 cm,自阴影校正模型的有效使用限制从θ0约37°降低至约12°.虽然前3次测量时云量较大,为模型的使用创造了有利的条件,但总的来说减小遮光锥尺寸的效果还是非常明显,对SBA在内陆水体中的使用具有重要意义.

4 结 论

1)SBA辐亮度光谱仪处在不同观测方位角时,浮体结构对离水辐亮度测量值的影响是不同的:在晴天,观测方位角处于0°～90°以及270°～360°时,浮体结构带来的影响可以忽略,所以SBA测量时需保证其辐亮度光谱仪的观测方位角处于该范围内;在阴天,浮体结构对各个观测方位角的离水辐亮度测量值均有显著的影响,即阴天情况下现有的浮子系统SBA可能并不适用.

2)当太阳天顶角较小时,水体吸收系数较大的波段使用自阴影校正模型容易失效,使用时应严格遵守模型给出的量化条件.

3)在高叶绿素内陆水体进行SBA测量时,相对于原来使用的Cone45,Cone22能在太阳天顶角方面拓宽Gordon自阴影校正模型的使用.根据实验结果,阴影半径从4.5 cm减小至2.2 cm后,自阴影模型的最小使用临界太阳天顶角由约37°降至约12°.

参考文献:

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Study on the Shading Issue of SBA in High-chlorophyll Waters

CHEN Xulei1,2,LIN Gong1,3,SHI Lianghai1,3,SHAN Yujie1,3,SHANG Shaoling1,3*
(1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Xiamen University,
2.College of the Environment& Ecology,Xiamen University,
3.College of Ocean& Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Abstract:Skylight-blocked approach(SBA),developed in 2013,was an innovative method to directly measure water-leaving radiance based on the floating structure,and its key part was the skylight-blocking cone.The shading effect caused by the floating structure and cone,however,is not known yet.In this study,SBA system was established according to the previous study,and the influence on measurement by the floating structure of the SBA instrument was evaluated.It was found that the influence was negligible when the observation azimuth angle of the upwelling radiance radiometer was 0°to 90°and 270°to 360°in sunny days;while the influence was significant at all observation azimuth angles in overcast days,so the floating SBA may not be applicable in such weather conditions.The self-shading of cone would make the critical minimum zenith angle of the self-shading correction model decrease from 37°to 12°,when the radius of shading zone decreased from 4.5 cm to 2.2 cm in high-chlorophyll waters(ρ(Chl)>50 mg/m3).

Key words:skylight-blocked approach(SBA);floating structure;self-shading;skylight-blocking cone

*通信作者:slshang@xmu.edu.cn

基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAB04B00)

收稿日期:2015-06-30 录用日期:2015-09-11

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.010

中图分类号:P 76

文献标志码:A

文章编号:0438-0479(2016)02-0203-07

引文格式:陈旭磊,林供,石良海,等.天空光遮蔽法在高叶绿素水体中的阴影问题研究[J].厦门大学学报(自然科学版),2016, 55(2):203-209.

Citation:CHEN X L,LIN G,SHI L H,et al.Study on the shading issue of SBA in high-chlorophyll waters[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):203-209.(in Chinese)