水体固有光学特性和表观光学特性测量在水色遥感中应用

• 由于遥感获得是水体后向散射的信息，因此水体成分的后 向散射特性对遥感反演模型的建立具有关键性的作用。 • 由于固有光学量与水体成分浓度有直接的关系，因此，固 有光学的反演，可以作为水体成分反演的中介 • 由于以前固有量测量比较困难，通过表观量反演固有量 • 固有光学特性中吸收系数a()的反演还有一个重要的作 用，就是对表观测量仪器的自阴影(self-shadowing or self-shading effect)进行校正(Mueller & Austin 1995) • 卫星数据的解释需要水体本身特性的支撑
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HydroScat 光学结构
标定原理几何图形
标定得到的曲线 W(z) Weighting Function
140°的散射（单角度散射）
表示不同角度的散射分布 即体散射相函数
• S为 仪器测量的信号 • σ(Kbb) 是SIGMA校正因子，主要由光源和散射体 积间的衰减引起 • ρ是标定靶的反射率，为常数 • ∝与对W(z)从无穷远到0处的积分成反比 • Ψ是测量的角度，HS6采用的是固定角度140°
测量与计算的 存在误差 计算值 1.08 测量值1.13
HydroBeta 体散射相函数测量仪 美国NOAA 海军基金支持
•消偏振激光束532nm •12辐射计接收器从不同角度监测 •角度:0(beamtransmission),10,15,20, 30,50,70,90,120,140,160,and170 degrees •接收器固定，且角度可调 •高频脉冲激光，接收机同步到激光脉冲 •日光下使用，仪器自动消除背景光 •可迅速测量剖面体散射相函数 •前向接收器窄视场角FOV（<0.5°）和低 增益，以适应前向体散射函数的高信号 •背向接收器具有更宽接收器窄视场角FOV （高达2.2°）和高增益，以适应后向体散射 函数的低信号
Radiance Collector 辐亮度 field of view 8° in air, 6° in water (with 200 µmcore fiber);
Scalar Irradiance Collector 球形辐照度 Scalar Irradiance, E0 Responds equally to light from all directions, except the portion blocked by the collector base.
水体光学特性测量在水色遥感中的应用
IOP 固有光学特性 AOP 表观光学特性
胡志国 Jim@ 13681667171
上海奕枫仪器设备有限公司 奕枫国际集团（香港）有限公司 我们致力于 水色遥感、水体光学特性测量
一 、为什么测量水体光学特性 二、固有光学特性-后向散射测量 三、固有光学特性-光吸收测量 四、固有光学特性-光衰减测量 五、表观光学特性测量 六、光学特性测量实例和应用
Sigma 校正
仪器本身的特征，值大小在标定文件内 在纯水中满足
纯水的衰减接近0 近乎 等于0 一般取1 传感器到散射体的衰减系数
如何计算Kbb?
Kbb ?
a-beta 直接测量Kbb a-beta 直接测量Kbb (吸收后向散射同步测量) (吸收后向散射同步测量)
如何得到a 和 b?
c-beta测量结果为c c-beta测量结果为c Kbb=pc p=0.6 Kbb=pc p=0.6 衰减后向散射同步测量 衰减后向散射同步测量
后向散射系数bb
对上式进行处理
Chi受VSF的形状的影响 Chi在120-160度变化很小 Chi用常数代替
对上式进项变换
问题：单角 度能计算
bb?
HS6 backscattering Coefficient Calculation Parameter
the scattering of pure water the backscattering coefficient of pure water the coefficient of proportionality between and bb for particles
水色遥感
水色遥感就是利用表观光学量(AOPs)来反演出水体 成分的浓度，其基本量是离水辐亮度LW(Waterleaving Radiance)。 水色遥感反演模型利用的辐射参数量，基本上有：
• • • • 离水辐亮度LW 归一化离水辐亮度LWN 刚好在水面以下的辐照度比(或漫反射比) R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-) 遥感反射比Rrs= LW/Ed(0+)
表观量反演的局限性 • 由于水体表观光学量受太阳天顶角和入射 总辐照度中的直射与漫射分量比例的影 响，即表观光学量具有二向性 (bidirectionality)或非朗伯特性，因此固有 光学量的反演，关键问题是将表观量受入 射光场变化的部分去掉。 • 表观量的测量，受海洋表面的气泡等因素 影响
固有光学特性的重要性
HydroScat6 后向散射仪
固定角(ß[140°]测量后向散射系数 可同步测量荧光 杰出的光学性能 灵敏度高：达到10-8，可测量纯水的后向散射 背景光过滤：调制技术，过滤背景光 动态测量范围：5段增益可选，16位A/D转换 稳定性高：参比二极管监测器，校正由于时间和 温度引起的误差 • 自带深度传感器 • 严格标定（区别于流动液态和颗粒标定）
442, 470, 488, 510, 532, 550, 590, 620, 676, or 852 nm
五、表观光学特性测量
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HydroRad 系列光谱仪
HydroRad 高光谱辐射测量
传 感 器 外 置 式 HydroRad-E1 HydroRad-ES1 HydroRad-E2
Model Pelagic-1 Pelagic-2 Pelagic-4 Abyss-1 Abyss-2 Abyss-4 Wavelength 1 2 4 1 2 4 Depth Range 500m 500m 500m 6000m 6000m 6000m
C-beta 光衰减散射计
• 可选波长
• 波长宽度: 10 nm (676 nm Bandwidth is 20nm) • 光束衰减 (c); 30 cm 光程 • 后向散射ß[140°], bb) • 直径: 11.7 cm (4.6") • 长度: 45cm (18") • 重量: 5.3 kg dry, 2.5 kg submerged • 深度 (330m standard) • Matched Beam-c Divergence and Receiver acceptance Angle: 0.36 deg. in water
WALRUS 浮标离水辐射测量
Es: 甲板上下行辐照度 Downwelling irradiance on deck Ed: 水下下行辐照度 Downwelling irradiance underwater RSR: Remote-sensing reflectance 遥感反射率,空气中 和水中的上行辐亮度测量s Ed, Kd: 下行辐照度 Downwelling irradiance and irradiance attenuation throughout the ocean photic zone Lu/Ed: Radiance reflectance throughout the ocean photic zone PAR, fl, E0: Photosynthetically available radiation and fluorescence throughout the photic zone Eu/Ed: Irradiance reflectance throughout the ocean photic zone Eu/Ed: Bottom reflectance in shallow water (Diver-deployed) Lu/Ed and Eu/Ed:Irradiance and radiance reflectance throughout the ocean photic zone Eu/Ed, PAR, E0, fl: Irradiance reflectance, photosynthetically available radiation, and fluorescence throughout the photic zone Es, Lu/Ed:Downwelling irradiance on deck, measured simultaneously with radiance reflectancethroughout the ocean photic zone
根据Mie Theory 计算
与散射角度的关系
PSD
上图在120-160度之间Chi变化很小，我们可以不同角度的Chi都采用常 数，这样也不会有太大误差。有文献估计误差不会超过10%
为什么选择140测后向散射 --宽角度响应
HydroBeta 测量的VSF与角度的关系
根据HydroBeta 测量计算 与角度的关系
水体生物光学模型
水体生物-光学模型 大洋水体的光学特性主要由水分子和浮游生物决 定，因此在海洋光学中，把水体光学模型一般称 为生物光学(Bio-optical)模型[Smith & Baker 1978]，此概念目前也用于二类水体。 水体生物光学特性的研究包括水体成分的固有光 学特性、表观光学特性的定量描述、表观特性与 固有特性之间的关系以及反演算法等。
二、固有光学特性-后向散射测量
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后向散射 后向散射系数
• 吸收和散射是水体光传播的两个重要参数 • 散射可以用volume scattering function (VSF) β(λ,ψ)描述，含前向散射和后向散射 • 后向散射是90° < ψ < 180°的散射 • 后向散射系数
“Shiny Tube” VS “Integrate Sphere”
吸收测量不受散射干扰
a-sphere optical Schematic
A-sphere Deployment
Dye 用于a-sphere 标定
吸收系数与测量信号间关系
四、固有光学特性-光衰减测量
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传 感 器 外 置 式
HydroRad-1
HydroRad-2
HydroRad-3
HydroRad-4
HydroRaBiblioteka 光采集器类型Planar Irradiance Collector 余弦辐照度 Cosine-weighted angular response measures true irradiance in any light field. Compact: body is 2.5 cm (1") square
一 、为什么测量水体光学特性
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表观光学特性AOP 固有光学特性IOP • 固有光学性质，它仅由水体本身的物理特性所决 定，不随外界光的改变而改变，如：后向散射、 吸收、衰减、体散射相函数VSF • 表观光学性质(Apparent Optical Properties， AOPs)是随光照条件变化而变化的量，如向下辐照 度Ed、向上辐照度Eu、离水辐亮度LW、遥感反射 比Rrs、辐照度比R等，以及这些量的漫衰减系数。
HydroBeta 光学布局
HydroBeta 标定
三、固有光学特性-光吸收测量
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a-sphere 原位积分球光吸收计 美国NOAA支持创新基金支持开发
• 测量室采用固体塑料，比使用 Spetralon易于清洁 • 外壳遮光，避免外界光对测量干扰 • 测量室温度自我调控，外界环境温 度变化对测量无影响 • 可用于荧光测量 • 可更换LEDs为氘灯，测量紫外吸收 • 积分时间，100ms-5s可选 • 宽范围 0 ~ 10m-1
Abyss and Pelagic c-Meter
Abyss and Pelagic c-Meter
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Rugged constuction, superior optics Multiple wavelengths with no moving parts Up to 6000 meter depth range Internal flash logging Pelagic-4 companion to a-sphere for b