基于体散射函数及吸收系数的南海水体漫射衰减系数研究

漫射衰减系数K_(d)(z,λ)是估算水下光场及水色要素剖面分布、研究浮游植物光合作用及赤潮灾害预警方法的重要参数,它是一个准固有光学特性参数,是波长λ和剖面深度z的函数,除与水体吸收、散射或后向散射有关外,对归一化的水体体散射函数即散射相函数的角度分布极为敏感。本文基于广角体散射函数测量仪(volume scattering and attenuation meter,VSAM)、吸收衰减系数测量仪ac-9和ac-s以及海洋光学剖面仪ProfilerⅡOCI/R-200I和Hyper ProⅡ在南海海域实测数据,利用Light GBM、随机森林(random forest,RF)、Cat Boost三种高效机器学习方法,首次构建了基于体散射函数β(ψ)、吸收系数a及对应剖面深度z的漫射衰减系数K_(d)(650)剖面分布估算模型,并综合R^(2)、RMSE、MAPE以及估算与实测数据的对比进行模型评价,结果表明,三种机器学习模型中,Cat Boost模型的R2和RMSE分别为0.8534和0.0472m^(-1),均优于RF和Light GBM;Cat Boost模型的MAPE为11.0585%,低于RF模型但略高于Light GBM模型;通过对比估算和实测结果发现,Cat Boost模型估算结果与实测结果最为相近,是K_(d)(650)最优估算模型。利用Cat Boost模型,结合实测体散射函数β(ψ)、吸收系数a及其相应剖面深度z,对南海北部多个站点15m以浅K_(d)(650)的剖面分布估算表明,上述站点K_(d)(650)在5、10、15m三个水层变化范围为0.275~0.7m^(-1),5m水层的K_(d)(650)较为平稳,10与15m水层K_(d)(650)跨度较大。本研究方法考虑了多角度体散射函数分布对漫射衰减系数的贡献,为基于固有光学特性参数估算K_(d)(z,λ)提供了新方法思路。

太湖水体漫射衰减系数的光学特性及其遥感反演模型

利用2007年11月8—22日太湖实测光谱数据和水质分析数据,分析了秋季太湖水体漫射衰减系数(Kd)的光谱特性及其影响因子,并在此基础上,利用水面以上遥感反射率,以490nm波长的漫射衰减系数[Kd(490)]作为中间变量,建立了漫射衰减系数与水面以上遥感反射率的遥感反演模型.结果表明:在可见光波段范围内,秋季太湖水体大部分点位的漫射衰减系数随波长的增加呈指数递减趋势;由于部分点位浮游藻类的含量较高,对漫射衰减系数影响较大,导致这些点位的漫射衰减系数在波长675nm附近出现峰值;无机悬浮物对漫射衰减系数的影响大于有机悬浮物,主要是由于悬浮物中无机悬浮物的含量远大于有机悬浮物.漫射衰减系数与遥感反射率具有很好的相关性,以Rrs(550)、Rrs(675)、Rrs(731)作为自变量,与Kd(490)进行回归分析,得出Kd(490)与Rrs(731)具有很好的线性关系,而利用Rrs(550)、Rrs(675)、Rrs(731)进行多元线性回归的效果(R2>0.96)好于单波段[Rrs(731)]算法.

太湖梅梁湾下行漫射衰减系数的特征分析

水体下行漫射衰减系数(Kd)不仅反映了水质的信息,而且是生物-光学模型中的关键参数,因而受到了广泛的关注。本文基于太湖梅梁湾水下光场的数据,分析了不同波长Kd的波动性随水深的变化特征,结果表明:由于水体表面波的作用,在60 cm以上,Kd随深度呈现较强烈的震荡现象,而到60 cm以下,随着光子的行程增大,介质散射对光场的改变趋于明显,造成该震荡幅度减弱,趋于稳定状态,甚至呈现出光场的渐进态特征。且在0—60 cm的区域,下行漫射衰减系数的波动程度与水体的吸收特性呈现明显的线性相关,即水体的吸收作用突显了表面波的效应。该水体中非藻类颗粒物和黄质具有对短波光强烈吸收的特性,减弱了介质散射使光场漫射比例提高的作用,加强了表面波对水下光场的扰动作用,使得相对长波而言,短波的Kd随水深呈现出相对较大的震荡现象。

多次散射对向上漫射散射系数及漫射吸收系数影响的数值研究

在假定水体表面为镜面、水体中无内光源及非弹性散射的情况下、利用多次散射理论,研究了在固定体散射函数的情况下,不同的入射天顶角、单次散射反照率和散射系数对向上漫射散射系数,上、下行漫射吸收系数的影响。结果表明:在紧贴水表的下层,向上漫射散射系数随入射辐射天顶角的增大而增大,但不随单次散射反照率和散射系数的改变而改变;当入射辐射为垂直入射时,向上漫射散射系数的深度廓线随深度呈现单调增的趋势,并逐步接近一个恒定状态;随着入射天顶角的增大,该单调现象发生了变化,出现先增大后减小,再逼进恒定状态,且这个恒定值随单次反照率增大而增大。下行漫射吸收系数随着入射天顶角的增大,其廓线由单调增加过渡到先增大后减小;在散射系数和单次散射反照率相同的条件下,不同入射天顶角的下行漫射吸收系数逐渐收敛于同一稳定的状态。且单次散射率越小,这种收敛的速度越快,达到恒定状态的深度也越浅。上行漫射吸收系数的主要特征基本与下行漫射吸收系数类似,而且两个恒定值均大于属于固有光学参数的吸收系数,其中向上漫射吸收系数最大。

基于人工神经网络的海水漫射衰减系数的遥感反演方法

利用NOMAD数据集建立了基于人工神经网络的漫射衰减系数Kd490的反演算法。该人工神经网络是3层的反向传输神经网络。其结构为输入层有4个节点,它们分别对应4个波段443,490,555,665 nm的遥感反射比,隐含层有10个节点,输出层1个节点对应于漫衰减系数Kd490。利用另一独立的现场测量数据集(COASTLOOC)印证该反演算法的性能。结果表明,该研究建立的反演算法的性能明显好于业务化SeaWiFS算法,略好于Lee等人的半分析算法。

基于Argo数据和MODIS数据的海水漫射衰减系数的垂直廓线研究

叶绿素浓度是反映海水营养状况的重要参数,光谱漫射衰减系数是反映水中表观光学特性的参数,且这两个参数之间关系密切。光谱漫射衰减系数的垂直分布反映了垂直方向的光衰减特性,对水下激光通信的信道特性研究具有重要意义。本文根据现有的MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)数据建立的叶绿素浓度垂直分布模型和单参数(叶绿素浓度)的光谱漫射衰减系数模型,提出了一种新的垂直方向的衰减模型,并建立了位于第二岛链日本附近海域的漫射衰减系数垂直分布。该分布与实际测量的关于叶绿素浓度垂直分布的Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)数据并结合单参数的光谱漫射衰减系数模型所建立的漫射衰减系数垂直分布进行比较,其结果大致相同,验证了该模型的可行性。此外还对不同叶绿素浓度下的漫射衰减系数光谱进行了分析,结果表明浑浊海域采用绿色波段和清澈海域采用蓝色波段得到的衰减系数值最小。对比Argo数据,MODIS数据实时性更高且较容易获得,因此本文提出的垂直分布的衰减模型应用更方便。

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高,能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(Kd)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化,光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据,获得了该海域水体的表观光学特性,基于Kd(490)与遥感反射比[Rrs(λ)]的相关关系建立了Kd(490)的经验算法,并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明,该海域的Kd(λ)及Rrs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征,其中,Kd(490)的范围为0.01~4.31m-1,水体的浑浊程度变化大。Kd(490)与Rrs比值的相关性较好,据此建立了以Rrs(650)/Rrs(510)、Rrs(555)/Rrs(510)作为自变量的Kd(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的Kd(490)与实测Kd(490)相比,均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m-1、27.08%和0.77,优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的Rrs能充分反映水体信息,并适应水体组分的变化,可为东海赤潮高发区Kd(490)的反演提供较好的选择,并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。

视觉漫透射密度基准的研究

建立了以光纤半球发射器（HEWOF）为特征的视觉漫透射密腰基准。特性化测量表明，其几何与光谱条件符合国际标准ISO5的规定。合成不确定度为0．0015（0〈D〈4．5）和0．0054（5．0≤D〈6．0）。利用复合漫射器能与光源和探测系统分别组合的优点，验证了透射测量亥姆霍兹倒易律的有效性。

海空两栖无人机研究进展及其在水下漫射衰减系数测量中的潜在应用

水下漫射衰减系数(K_(d))是海洋水色遥感和环境监测中的重要参数。目前K_(d)主要采用水下剖面测量的方式,需要人工手动根据深度需要进行布放和回收,作业过程相对复杂。基于发展越来越成熟的两栖无人机技术,本文总结了相关国内外研究进展,接着探讨了两栖无人机在实现水下漫射衰减系数自动化、智能化监测中潜在应用,为水下光场监测和水色遥感深入应用提供支撑。

MODIS-Aqua漫射衰减产品K_d(490)在南海海域的精度对比

基于遥感手段准确估算水体漫射衰减系数Kd(490),可为有效评价近岸海域水质、准确估算真光层深度提供有力数据和方法支撑。利用2004~2012年在南海海域获得的9个航次的实测Kd(490)数据,通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对,获取与Kd(490)实测数据相对应的MODIS-Aqua遥感反射率(Rrs(λ))和叶绿素a浓度(Chl-a)产品,分别采用算法Muller,Werdell,Morel,Lee和MODIS业务化算法KD2M对南海海域Kd(490)遥感产品进行精度评估与对比;在此基础上,考虑到南海海域水体的特异性,基于相应的实测Rrs(λ)和Chl-a数据集,利用上述算法对Kd(490)反演产品再次进行精度评估与对比,进而探讨Kd(490)产品的误差来源和算法区域化修正的必要性。基于MODIS-Aqua遥感产品,利用上述五种算法获得的MODIS-Aqua Kd(490)产品值与实测值的平均相对误差(APD)分别是20.12%,29.22%,17.98%,22.61%和21.61%,其中,Morel算法最优,且相关系数最高达0.5;基于相应实测数据,利用上述算法反演获得的Kd(490)产品精度均有不同程度的提高,特别是算法Lee和Werdell,APD分别为17.86%和17.97%,提高了5%~11%,最优算法为Morel,其APD可达15.44%。合理选取评估算法及进一步开展算法的区域性修正对于准确估算南海海域Kd(490)产品是非常必要的。

海洋激光雷达漫射衰减系数反演方法研究

为了解决漫射衰减系数K d的反演依赖于原位测量数据的问题,提出了一种基于Klett和Fernald法反演K d的融合算法。该融合算法以Klett法反演结果为基准,计算出激光雷达比作为Fernald法迭代时的先验信息,再用Fernald法反演出更加精确的水体漫射衰减系数K d;并运用数学解析模型作为融合算法的仿真数据源,解决了实测信号数据量不足的问题,最后基于自研的双频激光雷达系统,利用海试数据对融合算法进行了实验验证。结果表明,融合算法反演得到K d值的均方根误差值为0.74 m-1,精度优于传统的Klett法和Fernald法;所提出的融合算法能够满足近岸浅海水体漫射衰减系数K d反演的收敛和精度要求,且能在没有原位现场环境先验信息的条件下快速计算激光雷达比。该研究对浅海水域的深度测量以及海洋剖面光学参数的测量是有帮助的。

纳木措水体中辐射衰减特性的初步研究

文章利用纳木措水体中实测的辐射数据,即湖体在波长305nm、312nm和320nm的平均光谱漫衰减系数分别为0.39 m-1、0.40 m-1和0.34 m-1,光合有效辐射的平均漫衰减系数为0.14 m-1。初步分析了纳木措水体中紫外线和光合有效辐射的衰减特性。

极区海洋漫射衰减系数的观测和模拟

利用三流辐射传输模型研究了极区高太阳天顶角和不同直射辐射占比下水下漫射衰减系数的剖面变化.本文首先利用2009年9~10月波弗特海18个辐射观测数据验证了三流辐射模型在极区的适用性.统计显示,在无海冰影响下,辐射传输模型获得的490nm下行辐照度(E_(d)(490))和漫射衰减系数(K_(d)(490))与观测值的平均相对误差分别为7.04%和9.88%.而在海冰包围的站点,由于冰遮挡造成辐射观测数据偏小,模型模拟的平均相对误差达到15.89%和15.55%.其次,在不同叶绿素浓度与不同直射辐射占比环境下的模拟显示,在表层30m以浅,高太阳天顶角对K_(d)(490)影响较大.30m以深K_(d)(490)受光场(包括太阳天顶角和直射辐射占比)影响较小,与固有光学量(吸收系数与后向散射系数)满足线性关系.对比发现表层K_(d)(490)在高太阳天顶角下与50m以深的水体一致,意味着高太阳天顶角下(大于60°),表层漫射衰减系数亦可认为是固有光学参数.计算发现在叶绿素浓度大于0.05mg m-3的水体中,利用50m层的线性关系式获取表层K_(d)(490)的相对误差不超过8%.本文认为在极区实施表观漫射衰减系数观测可不考虑太阳天顶角以及直射辐射占比的影响.最后,该模式也能够修正受冰影响的下行辐照度,为极区冰下海水光学研究提供了可能.

基于Landsat8影像估算新安江水库光合有效辐射漫射衰减系数

光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)是指可以被植物利用并进行光合作用的那部分太阳辐射,其进入湖水后受光学组分(悬浮颗粒、有色可溶性有机物和浮游植物)的吸收和散射作用发生衰减,对湖泊生物的密度和分布具有重要影响.本研究构建了基于Landsat 8影像数据的较为清洁的新安江水库PAR漫衰减系数的遥感估算模型,进而分析其时空分布特征及主要影响因素.结果表明,利用Landsat 8的第二、三和第八波段构建的多元回归模型能够得到较为准确的估算结果,模型决定系数为0.87.利用独立样本对构建的模型验证,预测值和实测值相对误差绝对值均值为9.16%,均方根误差为0.06 m^(-1),由此可见利用Landsat 8数据的3个波段,采用多元回归模型能够较好地估算较清洁水体的PAR漫射衰减系数.基于14景Landsat 8影像发现,新安江水库PAR漫射衰减系数季节差异性明显,秋季(9~11月)和夏季(6~8月)PAR漫射衰减系数较高,分别为(0.82±0.60)m^(-1)和(0.77±0.41)m^(-1),而冬季(12~次年2月)和春季(3~5月)PAR漫射衰减系数相对较低,分别为(0.56±0.50)m^(-1)和(0.40±0.45)m^(-1).新安江水库PAR漫射衰减系数空间差异性显著,全湖PAR漫射衰减系数变化范围为(0.002~13.86)m^(-1),均值为(0.64±0.49)m^(-1).漫射衰减系数的季节变化主要是由季节性降雨和浮游植物季节性生长引起,空间差异性主要由外源河流输入和部分水域采砂过程导致悬浮物浓度变化引起.

太湖水体上行漫射衰减系数的变化特征研究

水体上行漫射衰减系数是反映水体中上行光强衰减的重要光学参数,它直接影响着水下光场分布,对水环境生态系统变化具有重要意义.然而,对于太湖水体而言,上行漫射衰减系数的变化特征尚不明确.为此,本课题组于2010年4月29日到5月2日对太湖水体28个采样点进行了野外原位观测,获取了相应的水体光学参数和水质参数数据集.在分析水体上行衰减系数光谱特征和空间分布特征的基础上,对其与太阳高度角、悬浮物浓度和叶绿素浓度之间的关系进行了研究.结果表明,上行漫射衰减系数的光谱特征表现为短波蓝光部分衰减系数较大,长波红光部分衰减系数较小,且衰减系数在575～700nm之间随着波长的增加变化不明显,在675nm附近出现相对高值,其与叶绿素a浓度存在显著的相关关系(r=0.574,n=28,p<0.05).下行与上行漫射衰减系数随波长的变化特征大致相似,其差值谱线的变化规律为:小于400nm的范围内,呈线性减小;在400～800nm之间除760nm附近有一峰值外,其余部分基本无明显变化;大于800nm时,又迅速增加.上行衰减系数在不同湖区的空间分布大致为:开阔水域区>草型湖区>典型藻型湖区>草、藻过渡型湖区,藻型和草、藻过渡湖区在675nm附近的峰值皆较为明显.上行衰减系数基本上随太阳高度角的增大而减小,上行漫射衰减系数与悬浮物浓度的偏相关性最好(r=0.963,n=28,p<0.05),太阳高度角次之(r=0.474,n=28,p<0.05),叶绿素浓度的最低(r=0.175,n=28,p<0.05).

生物组织光学特性参数无损测量的模拟研究

生物组织的吸收系数和散射系数决定了组织表面的漫射光分布,但其理论关系式由于推导过程的近似及假设的边界条件不同,有几种不同的表示形式。为确定哪种表达形式更能精确地描述实际问题,本文给出了一种通过 Monte Carlo模拟进行校验的方法,确定了不同表达式的精确度,为进一步进行生物组织光学特性参数的无损测量打好基础。

运用MODIS遥感数据评测南海北部区域机载激光雷达测深系统参数

为研究中国南海北部海域在CZMIL海道测量模式下的最大可测水深的空间分布情况,首先探讨了现有的南海北部海域漫衰减系数K_d(490)反演算法,运用南海北部海域水色实测数据建立了漫衰减系数K_d(490)和K_d(532)之间的数值关系,总结了漫衰减系数K_d(532)和CZMIL系统最大可测水深之间的关系。通过2014年Aqua-MODIS遥感光谱数据得到了南海北部海域1月、6月、10月的海水漫衰减系数K_d(532)参数,研究发现6月份时该区域平均漫衰减系数相对较小,于是进一步合成了该月份的CZMIL系统测深能力空间分布图。结果表明:CZMIL系统在南海北部海域的可测水深约为0~71.18m;6月份比1月、10月更适合激光测深作业。该研究为南海北部海域开展激光测深作业的时间选择和飞行方案的制订提供了参考。

抚仙湖秋、冬季光衰减特征及其与有色可溶性有机物的关系

为了研究抚仙湖紫外辐射(UVR)和光合有效辐射(PAR)衰减的时空特征及其与有色可溶性有机物(CDOM)、悬浮物(SS)、浮游植物(叶绿素a表征)等因子的关系,于2014年10月(秋季)、2015年1月(冬季)开展现场调查,结果显示:秋季不同波长(段)的漫射衰减系数Kd(305)、Kd(340)和Kd(PAR)分别为1.27±0.12、0.68±0.11和0.32±0.13 m-1,冬季分别为1.13±0.10、0.63±0.07和0.36±0.07 m-1;秋季CDOM的不同波长吸收系数ag(254)、ag(305)和ag(340)分别为4.09±0.26、1.18±0.09和0.57±0.05 m-1,冬季分别为2.95±0.24、0.61±0.11和0.11±0.07 m-1,秋季ag(254)、ag(305)和ag(340)显著高于冬季;秋季Kd(305)显著大于冬季,这与秋季(雨季)较高的CDOM丰度、浮游植物生物量(及SS浓度)有关.秋季ag(305)/Kd(305)、ag(340)/Kd(340)均显著高于冬季;秋季及秋冬季整体而言,ag(254)与Kd(305)、Kd(340)呈显著正相关,各多元逐步回归方程中均包含ag(254),说明CDOM吸收对UVR的衰减有重要贡献.空间差异方面,秋季北部的ag(254)、Kd(305)和Kd(340)显著高于南部,冬季南北部无明显差异,或与雨旱季北岸河流输入的CDOM和SS的情况有关.此外,浮游植物对UV-B衰减的影响和SS(与CDOM的交互作用)对UV-A衰减的影响更在于季节变化方面,而影响UVR、PAR衰减的各因子的相对贡献有待进一步量化.

长江中下游浅水湖泊水下辐照度漫射衰减特征研究

基于2007年9月底和10月初在湖北武汉东湖、梁子湖、洪湖以及2010年4月在昆山市傀儡湖进行的水下光场测定数据,分析了4个湖泊漫射衰减系数变化特征及其主导因素.在东湖和傀儡湖各站点水体主要光学因子变化不大,梁子湖和洪湖由于具有草型和藻型湖区,所以各因子在不同点位变化较大.通过对透明度和各光衰减因子的回归分析可知,无机颗粒物是影响东湖和傀儡湖透明度的主要因子,而梁子湖和洪湖透明度则受无机和有机颗粒物的共同制约.4个湖泊的光谱漫射衰减系数最低值均出现在580 nm处,在675 nm处各点均具有相应的叶绿素a的特征吸收峰,在叶绿素a浓度较低站点衰减峰相对不明显.东湖平均真光层深度小于湖体平均深度,在目前的光场条件下沉水植物很难生长,而在梁子湖、洪湖和傀儡湖其真光层深度均超过了水深,为沉水植物的生长提供了良好的水下光环境.对PAR衰减与各衰减因子进行回归分析发现,在东湖、傀儡湖主导PAR衰减的是无机颗粒物,梁子湖和洪湖PAR衰减受到无机颗粒物、有机颗粒物和叶绿素a的共同作用.颗粒物特征波长750 nm处的光束衰减系数与PAR漫射衰减系数存在显著正相关,说明颗粒物散射显著贡献水下光辐射漫射衰减.研究结果有助于指导浅水湖泊水下光场条件改善和沉水植物恢复.

五里湖南岸生态示范工程对水下光场的改善效果研究

2004年7月20日在五里湖南岸生态示范工程区共布设9个采样点进行水下光场的测定，并采集水样分析悬浮物、叶绿素8、DOC浓度和各组分吸收系数。结果表明，3类主要光衰减物质总悬浮物、叶绿素a和DOC的浓度分别为5．1～38．7mg／L、25．5—86．4pg／L和7．43—8．74mg／L；生态示范工程能明显降低水体悬浮物和叶绿素α浓度，Ⅱ类区总悬浮物、叶绿素a浓度相对Ⅰ类区分别降低了53．4％、33．0％，而Ⅲ类区总悬浮物、叶绿素α浓度相对Ⅰ类区分别降低了77．4％、65．0％。光合有效辐射（PAR）衰减系数在1．81—4．93m^-1间变化，对应的真光层深度为0．93—2．54m，Ⅱ、Ⅲ类区相对Ⅰ类区PAR衰减系数分别降低了42．2％、52．8％，对应的真光层深度则分别增加了73％、112％。αg（440）、αd（440）、αph（440）的变化范围分别为0．79—1．31m^-1、0．41-2．22m^-1、0．73-2．12m^-1。纯水对总吸收的贡献均在15％以下，有色可溶性有机物（CDOM）吸收对总吸收的贡献率在18．16％-40．28％间变化，非藻类颗粒物对总吸收的贡献率在14．40％-37．88％间变化，浮游藻类对总吸收系数的贡献率基本上是各组分贡献率中最高的，在31．05％-45．28％间变化。对PAR衰减系数、真光层深度、透明度等表观光学参数与主要水色因子进行相关分析发现，水体中浮游藻类和有机颗粒物对生态示范区内的水体光学性质影响最大，而围隔外围浮游藻类、非藻类颗粒物对光的衰减相当。