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1. 可遥感光学参数现场测量 -- 水体表观光学参数 呼伦贝尔 2017.8 海色短期培训班

2. 主要内容 几个基本概念 表观光学现场观测系统 水面之上法辐射测量 剖面法辐射测量 漂浮法辐射测量 辐射计实验室定标 2

3. 几个基本概念 辐照度；辐亮度；表观光学参数 3

4. 几个概念 4 海洋光学 是光学与海洋学之间的边缘学科，它主要研究海洋的光学性质、光辐射与海洋水体的相互作用、光在海洋中的传播规律，以及和海洋激光探测、光学海洋遥感、海洋中光的信息传递等应用技术有关的基础学科。 海洋光学是海洋物理学的研究范畴； 它与海洋生物、海洋化学和海洋地质等学科有密切的联系。

5. 几个基本概念 5  

6. 几个基本概念 6        

7. 几个基本概念 7 空气 水 z 下行光谱辐照度： 上行光 谱辐照度： 下行光谱辐亮度： 上行 漫衰减系数 : 漫衰减系数 :  

8. 几个基本概念 8 吸收系数： 散射系数： b 衰减系数： c 体散射函数： 散射系数： 后向散射系数： 散射相函数：  

9. 几个基本概念 9                 浮游植物 碎屑 泥沙颗粒 海水                

10. 水色遥感现场 观测系统 水面之上法，水下剖面法，光学浮标，影像 系统 10

11. 水面之上法 始于上世纪 80 年代 观测仪器和探头位于水面以上，仪器多为固定式，可长期连续观测 应用广： Morel ， 1980 ； Carder ， 1985 ； Mobley ， 1999 ； Hooker ， 2012 ； Zibordi ， 2002 ；唐军武， 2006 优点：仪器简单，易实现 缺点：易受上层建筑影响 , 耀斑 不确定性：气 - 水界面反射率 ; 环境变量 11

12. 水下剖面法 始于上世纪 80 年代 观测用辐射探头位于水面之下，仪器自由落体设计，测量一个水柱内各深度的辐亮 / 照度，外推到 - 处 ( 刚好水面之下 ) 的辐射度值。 应用较广： Jerlov,1975;Hooker,2000; Zibordi ,2004; 唐军武， 1998 优点：大洋水体精度高 不确定性：在近岸水体外推区间的选择 12

13. 光学浮标 13 始于上世纪 90 年代 水下剖面法的一个变种，在一定深度内不同固定深度内布放多个辐射计进行观测 主要应用于水色卫星定标检验： Clark ,1997; Pinkerton,1999; Antoine,2008; Kuwahara ,2008; 曹文熙， 2003 优点：长时间序列观测 不确定性：湍流，生物附着，辐射定标、浮标生存率

14. 14 From Clark ,1997 From Antoine,2008

15. 图像系统 发展于本世纪 借助鱼眼镜头，研究水下光场各向异性异性特征，获得几个波段的上行和下行光辐射的角度变化 研究面较窄：代表人物 Voss ， 2005 优点：光场描述直观 不确定性：成像系统均一性和光路校正 15 From Voss etal.,2007

16. 水面之上法辐射测量 现场观测特点、消除影响、数据处理 16

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20. 20 Cox & munk,1954

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22. 22 ρ =0.022-0.06

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25. 25 在可见近红外范围内，气水界面的反射率不随波长变化，认为 >780nm 的离水辐亮度为 的假设是合理的，因此认为 800~900nm 之间的水体测量数据就是天空光反射的结果，因此这些波段的水体目标信号就是天空光反射信号，由此可确定气水表面的反射率为 ρ w = L sky (800~900nm)/ L sw (800~900nm) 。 如果观测天底角为 40 度，海面平静，可以将气水界面的反射率固定为理论值 0.022 。根据实际情况，这种个值是非常不可靠的，按 NASA 最新的规范，在一般情况下应采用 ~0.028 左右的反射率值。根据经验，在 1~2 级风的情况下，该值偏大，可以采用 0.024~0.026 。 如果根据上述规则计算的值 小于 0.021 或大于 0.045 ， 则测量数据存在问题 。其它区间可以使用 750nm 与 865nm 纯水吸收系数倒数进行验证

26. 26 Ting-Wei Cui ， et al .

27. 27 He,etal.,2012;zhang,etal.,2008

28. 表面法对光谱仪的要求 (1) 仪器的动态范围：  5 个量级；且在 400 ～ 900nm 光谱范围内的动态范围内保持 10 以上的信噪比。以标准板反射率 30% ，在晴天条件下，标准板辐亮度可达 30  Wcm -2 nm -1 sr -1 , 而水体的最小值约为 0.003  Wcm -2 nm -1 sr -1 。 (2) 仪器 [ 包括标准板！ ] 必须经过严格的绝对辐射定标，以便获得水色遥感的基本参数 ---- 离水辐亮度和海面入射辐照度；如果仪器有增益变化功能，不同增益之间的线性度要高；另外必须对波长进行标定。 (3) 测量水体目标时，不能让仪器进行自动增益调整或内部平均，不然会将随机的太阳直射反射平均到结果数据中。 (4) 应能快速连续测量多条曲线，并可设置采样间隔，以便测量时间能够跨越平台与波浪周期。在后期的数据处理中舍弃数值较高的那些曲线，利用较低的几条 ( 甚至一条曲线 ) 进行计算。 (5) 仪器积分时间固定。由于即使在 1s 钟内海面的太阳直射反射和白帽也会有很大变化，因此采样时间最好在 100~200ms 以内完成，更短的时间会导致仪器信噪比太差。 (6) 光谱仪应该有措施保证二级光谱不会对近红外波段的结果产生干扰，以及具备其他消除杂散光措施。 28

29. 测量步骤 (0) 仪器提前预热 (1) 暗电流测量 (2) 标准板测量 (3) 遮挡直射阳光的标准板测量 (4) 目标测量 (5) 天空光测量 (6) 标准板测量 (7) 遮挡直射阳光的标准板测量 这些目标的测量曲线每个不得少于 10 条，且测量时间至少跨越一个波浪周期，以修正因测量平台摇摆而导致的误差。 29

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31. 为减少杂光影响，光谱测量人员严格操作、深色着装。

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33. 剖面法辐射 测量 观测特点、消除影响、数据处理 33

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36. 1) 缺漏数据点补帧； 2) 异常点剔除； 以上两步软件自动完成； 3) 通过画图观察 Es ，决定 Es 是取平均还是取最大值作为标准进行归一化；特殊的 Es 情况的处理如图 3 ， 4 。 4 ）压力偏移，利用仪器布放开始测量 5 秒数据判断人工压力偏移记录是否可靠，在接近时，多数情况下采用 5 秒中部分数据的计算值，在没有 5 秒表面维持数据时或表面维持数据波动过大时采用人工记录值。这一步通过 Excel 完成。如图 5 。 5 ） Lu 和 Ed 各波段的外推区间的确定；在二类水体，尽量控制外推区间在各个波段的 Z 90 深度内 [ 即：衰减到 - m 值的 1/e] ；基本在 3~10 米之间。这一部分很关键，也具有很大的主观性。 6) 数据平滑； 算 K 剖面； 推刚好在水面以下的数值 Lu(0 - ) 和 Ed(0 - ) ； 计算离水辐射率和归一化离水辐射率及遥感反射率。 36

37. 船舶阴影影响 > 1.5/Kl 压力偏移与仪器姿态影响 停留 5s 并调整配重 传感器自阴影影响 <<100a 光照变化影响 多次测量去光照变化小 37

38. 误差分配 38 误差源 443 nm 555 nm 665 nm 绝对定标 2.8 2.8 2.8 自阴影校正 0.9 0.6 2.5 各向异性校正 0.4 0.9 0.5 2.8 2.8 2.8 1.9 0.1 0.2 外推 1.0 0.9 2.4 环境变量 1.1 1.3 2.8 正交总和 4.7 4.4 6     误差源 443 nm 555 nm 670 nm 绝对定标 2.7 2.7 2.7 2 2.9 1.9 1.5 1.5 1.5 1.5 0.7 2.5 环境变量 2.1 2.1 6.4 正交总和 4.5 4.8 7.8

39. 辐射计实验室定标 标准灯、积分球、辐射基准传递 39

40. 辐射定标 40 L=  p (0,  v )*(d /d) 2 f(I ) /  E=(d /d) 2 f(I ) 标准灯＋标准板系统优点是：标准灯经过计量传递，精度高；单一电源控制简单；标准板标定相对简单且便宜，可以定期更换和标定；只要移动标准灯的距离便可以控制反射亮度，能量可以精细分级。其缺点是能量较弱，不利于蓝波段的定标，而蓝波 段恰恰是海洋 遥感的重要波段。 积分球系统的优点是：能量较强，特别是对蓝波段；积分球开口的均匀性好，如果需要可以利用较大的积分球，进行大口径仪器的标定。其缺点是各路电源的一致性难以保证；内表面涂层的反射率随时间变化，不易进行标准传递；亮度只能控制在几个规定的等级上。 L=coef(DN-DN )

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43. 43 Harder etla ， 2005

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