王 林 丘仲鋒 陳艷攏 孟慶輝

(1. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心海域監(jiān)管中心 大連 116023; 2. 南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 南京 210044)

反射光譜屬水體表觀光學(xué)量, 隨周圍環(huán)境光場以及水體介質(zhì)而變化。Gordon等(1975)利用蒙特卡羅數(shù)值模擬, 建立了剛好處于水面以下的輻照度比與吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)之間的多項式模型, 之后,研究者(Morel et al, 1977; Kirk, 1983; Gordon et al,1983, 1988)主要基于此模型模擬水體的反射光譜。然而, 該模型僅考慮了水體的彈性散射過程, 未考慮水分子的拉曼散射和葉綠素?zé)晒?。與吸收引起的入射光能量損失相比, 近岸水體中水分子拉曼散射引起的能量損失幾乎可以忽略(Marshall et al, 1990), 而葉綠素?zé)晒鈱Ψ瓷涔庾V的影響較大, 尤其是對赤潮水體而言, 通常將紅光波段的葉綠素?zé)晒夥遄鳛閰^(qū)別其它水體的主要特征。國內(nèi)外學(xué)者圍繞熒光峰高度、位置與葉綠素濃度的關(guān)系開展了大量研究, 發(fā)現(xiàn)隨著葉綠素濃度的增加, 熒光峰的高度不斷變大, 并且熒光峰的位置出現(xiàn)紅移(Gower, 1980; Gower et al, 1990;Gitelson, 1992, 1993; Gower et al, 1999; 趙冬至等,2000, 2004ab, 2005ab), 赤潮水體尤為明顯, 這與葉綠素?zé)晒獍l(fā)射峰的波長位于 683nm 相矛盾(Morel et al, 1977; Neville et al, 1977), “熒光峰”的紅移問題引起研究者的廣泛關(guān)注。Ahmed等(2004), Gilerson等(2005, 2006, 2007)利用偏振識別技術(shù)將水體的離水輻亮度分解成彈性散射光和葉綠素?zé)晒鈨刹糠? 并證實紅光波段反射峰的構(gòu)成依賴于水體的成分, 彈性反射、吸收對峰值的大小、位置均有影響。馬萬棟等(2010)采用前向輻射傳輸模型模擬了彈性散射作用下藻類水體的反射光譜, 發(fā)現(xiàn)紅光波段存在明顯的反射峰, 且隨葉綠素濃度的增加, 向長波方向移動。Tao等(2013)利用 Hydrolight軟件模擬了彈性散射光和葉綠素?zé)晒夤餐饔孟碌姆瓷涔庾V, 發(fā)現(xiàn)葉綠素?zé)晒饬孔赢a(chǎn)量Ф和浮游植物比吸收系數(shù)aph*對紅光波段反射峰的形成有重要作用, 并指出葉綠素?zé)晒庖种品瓷浞宓募t移, Ф增大可加劇這種作用; 并且 aph*增大, 熒光作用減小, 可加劇反射峰紅移。

本研究根據(jù)2011年7月9日大連灣海域赤潮暴發(fā)時的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù), 開展了赤潮水體紅光波段反射光譜的模擬及形成機理研究, 以期為赤潮水體衛(wèi)星遙感探測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)均來自2011年7月9日大連灣海域中肋骨條藻赤潮時的外業(yè)調(diào)查實驗, 共6個站位(S1、S2、S3、S4、S5、S6), 如圖1所示。現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)主要包括: 反射光譜、總吸收系數(shù)、總衰減系數(shù)以及后向散射系數(shù)等, 并同步采集水樣帶回實驗室進行葉綠素濃度分析。

圖1 大連灣海域現(xiàn)場調(diào)查站位Fig. 1 Deployment of stations in the Dalian Bay

1.2 數(shù)據(jù)測量方法

反射光譜測量采用水面之上法, 按照《海洋調(diào)查規(guī)范》GB/T 12763.5-2007的規(guī)定進行, 測量儀器為ASD公司的雙通道便攜式地物光譜儀; 總吸收系數(shù)測量按照《海洋調(diào)查規(guī)范》GB/T 12763.5-2007的規(guī)定進行, 測量儀器為Wet lab 公司的AC-S吸收衰減系數(shù)測量儀; 后向散射系數(shù)測量按照《海洋監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》HY/T 147.7-2013的規(guī)定進行, 測量儀器為HOBI Labs公司的HS-6后向散射系數(shù)測量儀; 葉綠素濃度測量采用熒光法, 按照《海洋調(diào)查規(guī)范》GB/T 12763.6-2007的規(guī)定進行, 測量儀器為Turner公司的TD-700實驗室熒光儀。

1.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析

本次赤潮暴發(fā)區(qū)范圍較小, 調(diào)查斷面全長約2km,但葉綠素濃度的梯度變化非常大, 變化范圍為23.13—318.47mg/m3。因此, 現(xiàn)場測量時水體的變化較快, 對各儀器測量的同步性要求非常高。其中,AC-S吸收衰減系數(shù)測量儀與 HS-6后向散射系數(shù)測量儀安裝于同一固定架上, 在調(diào)查船的前甲板同時布放, 其結(jié)果可作為同步數(shù)據(jù)使用; ASD地物光譜儀測量反射光譜與水樣采集同時在船頭進行, 其結(jié)果可作為同步數(shù)據(jù)使用, 但與AC-S、HS-6現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)并不同步; 考慮到該問題, 將帶回實驗室的水樣重新進行了AC-S實驗室測量, 但因采集水樣的體積有限, 未能進行HS-6實驗室測量。

因此, 現(xiàn)場反射光譜數(shù)據(jù)與實驗室水樣分析數(shù)據(jù)(葉綠素濃度、CDOM、AC-S吸收系數(shù)及衰減系數(shù)等)可作為同步數(shù)據(jù)使用; 現(xiàn)場AC-S吸收系數(shù)、衰減系數(shù)與HS-6后向散射系數(shù)可作為同步數(shù)據(jù)使用。

2 反射光譜計算模型

反射光譜即遙感反射率 Rrs(λ), 定義為剛好處于水面以上的向上輻亮度與向下輻照度的比值:

Gordon等(1988)對 Rrs(λ)與水體的總吸收系數(shù) a(λ)和總后向散射系數(shù)bb(λ)建立了如下關(guān)系式:

式中, f為經(jīng)驗常數(shù), 變化范圍為0.32－0.33; Q為光場分布函數(shù), 約等于5, Q和f都是太陽天頂角的函數(shù),但f/Q是太陽天頂角的弱函數(shù); t為水氣界面的透過率;n為水體折射率。Gordon等(1988)采用 f/Q＝0.0945和t/n2=0.54, 即ft/Qn2=0.051。然而, 方程(2)中忽略了熒光和拉曼散射的影響, 本研究將浮游藻類葉綠素?zé)晒?Rrs,f(λ)加入方程(2)中:

因此, 反射光譜計算方程(3)中包括 a(λ)、bb(λ)以及Rrs,f(λ)三個需輸入的未知量。

這里, 將方程(3)的計算結(jié)果定義為模擬光譜,而把方程(2)的計算結(jié)果稱為彈性散射作用下的模擬光譜。

3 模型未知量的確定

3.1 總吸收系數(shù)

水體總吸收系數(shù)為水體各成分的線性加和:

式中, aw(λ)為純海水的吸收系數(shù), 采用 Pope等(1997)(400—700nm)和 Kou 等(1993)(700—750nm)的研究結(jié)果; ag+p(λ)表示溶解物與顆粒物的吸收系數(shù)之和, 由AC-S實驗室測量得到。

3.2 總后向散射系數(shù)

水體總后向散射系數(shù)為純海水后向散射系數(shù)bbw(λ)與顆粒物后向散射系數(shù) bbp(λ)之和:

其中 bbw(λ)采用 Smith等(1981)的研究結(jié)果; 由于HS-6現(xiàn)場測量的后向散射系數(shù)與反射光譜同步性較差, 且其僅有 6個波段, 不能直接采用, 故必須經(jīng)轉(zhuǎn)化計算得到與反射光譜同步可比的bbp(λ)。

AC-S實驗室測量采集水樣可分別得到溶解物與顆粒物的衰減系數(shù)和吸收系數(shù), 兩者之差為顆粒物的散射系數(shù)bp(λ)(溶解物的散射系數(shù)可忽略), 其與顆粒物的后向散射概率()λ相乘即得到顆粒物的后向散射系數(shù):

因此, 若得到bp()~bλ, 即可計算出與反射光譜同步可比的bbp(λ)。

AC-S實驗室測量水樣時, 沒有同步的HS-6后向散射數(shù)據(jù)。這里先采用現(xiàn)場同步獲取的AC-S散射系數(shù)與 HS-6后向散射系數(shù)計算水體的后向散射概率,并建立后向散射概率與同步吸收或散射系數(shù)的關(guān)系模型, 由于后向散射概率主要與顆粒物的粒徑分布、構(gòu)成等有關(guān), 該模型可應(yīng)用于 AC-S實驗室測量數(shù)據(jù),從而得到與吸收系數(shù)、反射光譜同步的后向散射概率。

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 后向散射概率與AC-S測量得到ag+p(λ)存在乘冪函數(shù)關(guān)系, 形式如下:

式中, A、B為模型回歸系數(shù)。

回歸結(jié)果如表1所示, 擬合曲線參見圖2?？砂l(fā)現(xiàn), 不同波段處, 后向散射概率與除純水之外的吸收系數(shù)相關(guān)性較好,R2均在0.6以上。兩者存在相關(guān)性的原因主要在于細(xì)胞濃度的變化可能伴隨顆粒物粒徑分布與構(gòu)成的相應(yīng)改變, 細(xì)胞濃度與吸收系數(shù)相關(guān), 從而使得后向散射概率與吸收系數(shù)相關(guān)。

基于后向散射概率與吸收系數(shù)的關(guān)系模型, 可計算得到AC-S實驗室測量水樣對應(yīng)的不同波段處的后向散射概率。但僅有6個波段的后向散射概率, 無法直接用于計算后向散射系數(shù)。本研究采用乘冪函數(shù)模擬后向散射概率與波長的關(guān)系, 形式如下:

表1 后向散射概率與吸收系數(shù)的回歸結(jié)果Tab.1 Regressed results of backscattering probability as afunction of absorption coefficient

圖2 后向散射概率與吸收系數(shù)的關(guān)系Fig.2 Regressed curves of backscattering probability as a function of absorption coefficient

式中, C、D為模型回歸系數(shù)。

回歸結(jié)果如表2所示, 擬合曲線參見圖3?？砂l(fā)現(xiàn), 采用乘冪函數(shù)模擬后向散射概率與波長的關(guān)系結(jié)果較好, 決定系數(shù)R2均在0.6以上。

表2 后向散射概率與波長的回歸結(jié)果Tab.2 Regressed results of backscattering probability as a function of wavelength

圖3 后向散射概率與波長的關(guān)系Fig.3 Regressed curves of backscattering probability as a function of wavelength

3.3 葉綠素?zé)晒?/h3>

葉綠素?zé)晒庠谌珶晒獠ǘ谓谱裱咚拐龖B(tài)分布(Mobley, 1994), 中心位置 λ0在 683nm附近, 標(biāo)準(zhǔn)偏差 σf為 10.6nm, 半極大全寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)為25nm, 則葉綠素?zé)晒饪杀硎緸?

式中, FLH為熒光基線高度, 與葉綠素濃度有關(guān)。

熒光基線高度按公式(10)計算得到:

式中, λF、λL、λR分別為熒光峰通道、熒光峰左側(cè)通道以及熒光峰右側(cè)通道, Rrs,F、Rrs,L、Rrs,R分別為熒光峰通道、熒光峰左、右兩側(cè)通道的遙感反射率。依據(jù)本研究中反射光譜特征, λF、λL、λR分別設(shè)定為683、665、746nm。

將現(xiàn)場采集的反射光譜數(shù)據(jù)計算得到 FLH, 并采用乘冪函數(shù)模擬熒光基線高度與葉綠素濃度的關(guān)系, 形式如下:

式中, E、F為模型回歸系數(shù), c(Chl)為葉綠素濃度。

回歸方程及擬合曲線如圖4所示。可發(fā)現(xiàn), 兩者存在明顯正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)性R2為0.87。據(jù)此實測的葉綠素濃度數(shù)據(jù), 可計算得到FLH, 從而進一步計算得到全波段的葉綠素?zé)晒狻?/p>

圖4 熒光基線高度與葉綠素濃度的關(guān)系Fig.4 Regressed curves of fluorescence line height as a function of chlorophyll concentration

4 反射光譜形成機理分析

利用上述方法計算總吸收系數(shù)、總后向散射系數(shù)以及葉綠素?zé)晒? 并代入方程(2)、(3), 從而得到與實測光譜對應(yīng)的模擬光譜, 如圖5所示?？砂l(fā)現(xiàn), 模擬光譜與實測光譜接近; 不考慮葉綠素?zé)晒鈺r, 彈性散射作用下模擬光譜的紅光波段反射峰仍然存在; 加入葉綠素?zé)晒夂? 模擬光譜紅光波段反射峰的位置與高度出現(xiàn)不同程度的改變。此外, 總吸收光譜峰、谷波長與實測反射光譜峰、谷波長相呼應(yīng), 葉綠素濃度較高時尤為明顯, 但存在偏移, 可能與葉綠素?zé)晒饣蚝笙蛏⑸湎禂?shù)的光譜特征有關(guān)。因此, 可確定赤潮水體實測光譜的“熒光峰”, 并非真正理論意義的熒光峰, 該峰由吸收、后向散射以及葉綠素?zé)晒夤餐刂啤?/p>

4.1 反射峰紅移的控制因素

三個輸入變量中, 葉綠素?zé)晒夥逦挥?683nm位置不變, 總后向散射光譜未見明顯峰、谷特征, 而總吸收光譜的吸收谷非常顯著且位置存在變化。吸收谷波長、模擬及實測光譜反射峰波長列于表3中?？砂l(fā)現(xiàn), 紅光波段的吸收谷和反射峰波長均隨葉綠素濃度的增加出現(xiàn)紅移, 最大波長708nm; 吸收谷波長與彈性散射作用下模擬光譜的反射峰波長位置基本一致, 表明紅光波段反射峰的紅移與水體的后向散射關(guān)系不大, 主要與水體成分的吸收有關(guān)。水體的吸收成分中海水的吸收為常量, 恒定不變; 有色可溶性有機物和非色素顆粒物在紅光波段吸收微弱, 可忽略不計; 因此, 造成反射峰紅移的主要原因在于浮游藻類的強吸收作用。進一步分析發(fā)現(xiàn), 紅光波段吸收谷的形成原因在于左側(cè)浮游藻類吸收的急速衰減與右側(cè)純海水吸收的快速增加, 隨葉綠素濃度的增大, 浮游藻類吸收峰不斷增高增寬, 即吸收谷左側(cè)的光譜曲線不斷提升且右移, 而右側(cè)純海水吸收引起的光譜曲線并未變化, 最終導(dǎo)致紅光波段吸收谷的紅移,在反射光譜中則表現(xiàn)為反射峰紅移。此外, 彈性散射作用下模擬光譜的反射峰波長普遍大于其它兩種;加入葉綠素?zé)晒夂? 模擬光譜的反射峰波長向短波移動, 與實測光譜的反射峰波長更為接近, 表明葉綠素?zé)晒鈱Ψ瓷浞宓募t移有一定的抑制作用。

4.2 反射峰高低的控制因素

圖5 S1, S2, S3, S4, S5及S6站位各光學(xué)變量的光譜曲線(黑色實線: 實測光譜; 紅色實線: 模擬光譜; 綠色實線: 彈性散射作用下的模擬光譜; 紫色虛線: 總吸收光譜; 藍色虛線: 葉綠素?zé)晒? 粉色虛線: 后向散射光譜)Fig. 5 Spectra curves at Stations S1, S2, S3, S4, S5 and S6 (black: measured spectrum; red: simulated spectrum; green: simulated spectrum caused by elastic scattering; purple: total absorption spectrum; blue: chlorophyll fluorescence; pink: total backscattering spectrum)實測反射光譜、模擬反射光譜及葉綠素?zé)晒鈱?yīng)左側(cè)縱坐標(biāo); 總吸收光譜和總后向散射光譜對應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo)

表3 吸收谷波長、模擬及實測光譜反射峰波長的統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 The statistical results of valley wavelength in total absorption spectra, peak wavelength in simulated spectra and measured spectra

按照熒光基線高度的計算方法, 依據(jù)實際反射峰的波長位置計算得到模擬光譜和實測光譜的基線高度, 如表4所示。可發(fā)現(xiàn), 隨葉綠素濃度的增加, 各種光譜反射峰的基線高度不斷增大, 模擬光譜與實測光譜反射峰的基線高度較接近, 但實測結(jié)果略大于模擬結(jié)果; 值得注意的是, 當(dāng)葉綠素濃度較高時,彈性散射作用下模擬光譜的基線高度卻高于加入葉綠素?zé)晒庵蟮哪M光譜, 分析原因在于, 加入葉綠素?zé)晒庵? 模擬光譜的紅光反射谷由 675nm左移至 667nm(與現(xiàn)場實測光譜吻合), 同時反射光譜值增大, 但葉綠素?zé)晒鈱Ψ瓷浞逵绊懳⑷? 這樣計算基線高度的左側(cè)波段升高, 而反射峰基本不變, 從而導(dǎo)致計算的基線高度沒有增加, 反而減小; 但當(dāng)葉綠素濃度較低時, 反射峰位置與葉綠素?zé)晒夥宀ㄩL接近, 葉綠素?zé)晒鈱€高度的左側(cè)波段有提升作用, 但對反射峰影響更大, 可看出明顯的升高, 此時加入葉綠素?zé)晒饽M光譜的基線高度大于僅彈性散射作用下的模擬光譜。

表4 模擬光譜與實測光譜熒光基線高度的統(tǒng)計結(jié)果Tab.4 The statistical results of fluorescence baseline height in simulated spectra and measured spectra

5 結(jié)論

基于前向輻射傳輸模型, 綜合考慮反射光譜中彈性散射光與非彈性散射光的影響, 確定模型輸入未知量包括: 總吸收系數(shù)、總后向散射系數(shù)及葉綠素?zé)晒? 經(jīng)直接測量、間接轉(zhuǎn)化及反演建?？煞謩e得到。將獲取的三個未知變量輸入模型中, 得到模擬光譜, 與實測光譜對比, 可發(fā)現(xiàn)赤潮水體紅光波段的反射峰由吸收、后向散射以及葉綠素?zé)晒夤餐刂? 當(dāng)葉綠素濃度較高時, 吸收和散射作用強于葉綠素?zé)晒獾挠绊? 而當(dāng)葉綠素濃度較低時, 則相反; 而文獻中通常提及的“熒光峰”紅移實際與葉綠素?zé)晒鉄o關(guān),主要是浮游藻類紅光波段的強吸收作用導(dǎo)致, 而葉綠素?zé)晒鈱Ψ瓷浞宓募t移有抑制作用; 此外, 實測光譜中 667nm 的反射谷, 由葉綠素?zé)晒夥?中心波長683nm)與浮游藻類 675nm吸收峰引起的反射谷疊加后產(chǎn)生, 因此, 葉綠素?zé)晒鈱t光波段反射光譜的高低、形狀均具有重要影響, 不可忽略。

近幾年, 利用紅光波段的反射峰、谷等特征信息遙感探測近岸水體葉綠素濃度的研究成果不斷涌現(xiàn),與熒光遙感探測相比, 反演精度有了大幅提升(Gilersonet al, 2010; Moseset al, 2012; Liet al, 2012;Zhouet al, 2013; Ampeet al, 2014)。本研究可為優(yōu)化近岸水體水色信息遙感算法、提升反演精度提供支持。

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