离水辐亮度最新测量方法SBA的评估

摘要

SBA(Skylight-blocked approach)是新近提出的直接测量离水辐亮度Lw的方法(Lee et al.，2013)。该测量方法是由表面之上法改进而来。辐亮度光谱仪镜头处安装上一个蔽光元件——遮光锥，测量时遮光锥的末端稍稍插入水中但光谱仪镜头保持在水面之上。如此一来，遮光锥将水面反射的光完全阻挡，来自水中的辐亮度穿过水面后自然转变为Lw并被光谱仪所接收，从而实现了由光学传感器直接获得Lw的突破。传统的测量方法，包括剖面法和表面之上法，只能测量相关参数，然后通过物理模型计算得到Lw。然而，现场测量期间的不确定因素以及后期繁复的计算过程很可能会为传统方法的Lw结果带来不同程度的误差。相比之下，SBA更为直接简单，可降低误差引入的机会，取得更为接近真值的结果，为现场获得误差小于5％的离水辐亮度产品提供一个新的希望。
　　Lee等(Lee et al.，2013)采用浮子系统实现SBA，该系统同时测量辐照度和辐亮度，其在美国格林湾和密歇根湖的研究证实SBA有以下优点:布放简单;后期数据处理简便;能够获得高精度Lw数据;与剖面法结果有较好的一致性且其精确度更高。然而，正如Lee在其文中对SBA的展望，该系统需要在更恶劣的测量环境以及多种水体中测试，看其是否能保持原有的优点。
　　本研究参照Lee et al.(2013)建立SBA系统，分别应用在南海北部、福建沿岸区域、厦门西海域以及内陆富营养水体，试图根据SBA在各类水体及测量环境中的表现来评估其适用性，同时引入表面之上法(GER与HSAS)与之比较，进一步评估SBA。
　　首先，针对于SBA系统本身的硬件特征，分析系统带来的阴影误差，主要获得以下认识:(1) SBA系统仪器主体对Lw测量有一定影响，且随辐亮度光谱仪观测方位角变化而变化;在晴天，辐亮度光谱仪处在0°-90°及270°-360°方位角范围时，仪器主体带来的影响可以接受，波段平均百分比误差在12％以内;在阴天，仪器主体对各个观测方位下测得的结果均有显著影响，即对于本研究建立的SBA系统，阴天时可能不适合使用。(2)本研究针对内陆水体自阴影问题设计并采用半径仅有2.2 cm的Cone22，从而减小自阴影作用。由半径为4.5 cm的Cone45换成Cone22，自阴影校正模型的最小使用临界天顶角由约37°降至约12°，效果明显。在阴影校正模型尚未更新之前，太阳天顶角小于20°时测得的SBA数据需慎重使用。
　　在各类水体及测量条件中同时进行SBA与表面之上法测量，比对结果表明:(1)海况较好时(0-1级海况)，SBA能够获得后期处理简便且精度高的Lw或Rrs数据，其变异系数最小时可小于3％。海况由0级变至2级，会增大SBA数据的去除率，而有效数据在450-700 nm的变异系数由原来的小于5％变至小于10％;影响GER数据精确度的主要因素是光照条件的稳定性，不稳定的光照条件会大大提高GER数据的变异系数;HSAS是三套系统中在数据精确度表现最好的方法，不过若遇到云不均匀的情况，船体的移动可能会使得HSAS系统Lsky光谱仪测得较离散的数据，从而影响最终结果的精度。(2) SBA在内陆水体的短时间多次定点测量结果显示出良好的重复性，而表面之上法受外部环境因素影响大，测量结果重现性差，尤其在蓝光波段差异大。(3) SBA光谱反演at误差最大，比表面之上法光谱的反演误差高约10％，同时SBA光谱反演bb误差最小，比表面之上法光谱的反演误差小2-4％;而由现场测量IOPs正演所得的Rrs与SBA结果的波段平均无偏百分比偏差最小，两者结果最为接近。

目录

声明

缩略语

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 研究现状

1．2．1 剖面法

1．2．2 表面之上法

1．2．3 Skylight-blocked approach(SBA)

1．3 研究目的及设想

第二章 数据来源及测量方法

2．1 数据来源及测量水体

2．1．1 南海北部

2．1．2 福建省沿岸

2．1．3 厦门西海域

2．1．4 内陆水体测量区域

2．2 SBA

2．3 其他测量Lw(Rrs)的方法

2．3．1 GER 1500

2．3．2 HSAS

2．4 IOPs测量

2．4．1 水样测量

2．4．2 固有光学量测量系统

2．5 叶绿素a

第三章 SBA测量系统的建立及数据处理方法

3．1 引言

3．2 SBA系统的建立

3．2．1 系统整体的介绍

3．2．2 遮光锥

3．3 SBA数据处理方法

3．4 数据统计分析方法

第四章 SBA系统的阴影效应

4．1 引言

4．2 仪器主体对辐亮度测量的影响

4．2．1 介绍

4．2．2 晴天实验

4．2．3 阴天实验

4．3 遮光锥引起的自阴影作用

4．3．1 简介

4．3．2 自阴影校正模型

4．3．3 SBA自阴影校正的海上应用

4．3．4 内陆水体的自阴影校正问题

4．4 小结

第五章 SBA与表面之上法的比较

5．1 引言

5．2 SBA与表面之上法关于数据精确度的比较

5．2．1 三组仪器的评估

5．2．2 海上数据对比

5．2．3 内陆水体数据对比

5．3 SBA与表面之上法关于数据准确度的评估

5．3．1 光谱反演IOPs与现场结果的比较

5．3．2 IOPs正演光谱与现场结果的比较

5．3．3 SBA与两表面之上法的光谱比较

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 本研究主要结论

6．2 创新点

6．3 存在问题及未来研究展望

6．3．1 存在问题

6．3．2 未来研究展望

参考文献

致谢