基于天空光遮挡法的漂浮式水体光谱测量系统研制

精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。传统的剖面法、水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw),后处理过程比较复杂,不确定性较大。天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单,能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。但目前为止,国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统,因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上,介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况,详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能,其变异系数均小于5%,将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比,表现出良好的一致性,证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、数据质量控制、数据高频获取、浮标姿态记录、多要素联合观测、长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。综上所述,基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测,以及水体光学特性的快速变化动态跟踪,有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率;基于该系统,在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集,有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。

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

离水辐亮度L_(w)(Water-leaving radiance)是水色遥感现场观测中的关键物理量之一,由其计算获得的遥感反射率R_(rs)(Remote sensing reflectance)是水色遥感参数反演的最基本参数。天空光遮挡法SBA(Skylightblocked approach)可以直接测量水体离水辐亮度,作为一种新兴方法具有较强的推广应用潜力。本文介绍了基于天空光遮挡法的便携版漂浮式光学浮标FOBY-P(the Portable Floating Optical Buoy),其具有浮体自阴影小、布放简便等优势,在中国近海开展的现场观测实验结果表明:(1)FOBY-P结构设计上能在一定程度上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)在高海况下,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结果对比,二者一致性较高(r>0.9),在490—565 nm波长范围内R_(rs)的偏差<5%,差异可能由观测方法不同引起,水面之上法水—气界面校正的不确定性可能是引起部分偏差的重要因素之一。该研究表明便携版漂浮式光学浮标(FOBY-P)可满足近海较高等级海况(3—4级)下的复杂水体现场观测需求,随着针对FOBY-P的数据质量控制与处理方法的不断优化,有望获取更高质量的现场水体光谱观测结果。