1 浙江大学 宁波研究院 光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021
3 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018
颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, bbp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测，被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作，相比之下，主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制，在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋bbp数据的星载激光雷达，特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品，重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演bbp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施，总结出了一套详细完整的反演流程，开发出对应算法并展示了bbp的反演结果，旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。
星载激光雷达 CALIOP 海洋颗粒物后向散射系数 反演算法 space-borne lidar CALIOP seawater particulate backscattering coefficient inversion method 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211037
1 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
2 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
3 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021
星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具, 也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据, 估算全球海水探测深度及相应的最优波长; 并根据太阳夫琅禾费暗线特性, 对信号信噪比进行优化。结果表明: 在探测深度方面, 最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右, 并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度; 在信噪比方面, 相对于488 nm波段, 486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%, 相应地回波信噪比整体提升了约50%。就全球海洋探测来说, 使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度, 有效抑制太阳背景光, 提高信噪比, 因此, 486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。
星载海洋激光雷达 探测深度 太阳夫琅禾费暗线 信噪比 工作波长 spaceborne oceanic lidar detection depth solar Fraunhofer line signal to noise ratio operating wavelength
1 南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046
2 南京信息工程大学 遥感学院，江苏 南京 210046
3 南佛罗里达大学 海洋学院，美国 佛罗里达
根据太湖悬浮颗粒物生物光学特性建立的悬浮颗粒物红外单波段生物光学模型具有明确的机理性.利用2006年至2009年野外实测悬浮颗粒物浓度和水体光学数据对该生物光学模型进行检验和分析.结果表明, 悬浮颗粒物比后向散射系数的时空差异是影响总悬浮颗粒物生物光学模型精度的主要因素.总悬浮颗粒物在红外波长的吸收系数对总悬浮颗粒物生物光学模型精度也具有显著的影响.根据中分辨率光谱成像仪(MERIS)悬浮颗粒物反演结果和野外实测风速数据，太湖沉积物再悬浮将显著增加水体中悬浮颗粒物的含量.
中分辨率光谱成像仪(MERIS) 悬浮颗粒物 生物光学模型 太湖 medium resolution imaging spectrometer (MERIS) suspended particle matter bio-optical model Tai lake
1 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210046
2 Geosystems Research Institute, Mississippi State University, Stennis Space Center, Mississippi 39529, USA
基于2006年10月,2007年3月和2007年11月三次太湖野外实测颗粒物散射(bp)和后向散射(bbp)光谱数据，分别计算其光谱幂指数斜率、总悬浮物(TSPM)、有机物(OSPM)和无机物(ISPM)的比散射和比后向散射系数，进而探讨太湖水体bp和bbp光谱特征及其形成机理。结果表明，TSPM,ISPM和OSPM比散射系数平均值分别为：0.634(550 nm)，1.057(532 nm)和0.396(532 nm) gm-2，ISPM和OSPM比后向散射系数平均值分别为0.0051(532 nm)和0.0022(532 nm) gm-2；2006年10月,2007年3月和2007年11月，后向散射率(B)平均值分别为：0.01078，0.01375和0.01251；bbp和bp及其B具有较强的光谱依赖性，但OSPM和有色溶解有机物(CDOM)在短波长以及叶绿素在675 nm的强吸收作用一定程度上减弱了该特征；bbp光谱斜率幂指数与ISPM/OSPM，532 nm处的bbp(532 nm)具有较强的相关性，而与粒径分布斜率相关性较小。
海洋光学 散射光谱 比散射系数 光谱斜率 太湖
南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210046
利用太湖实测水色因子吸收系数数据, 根据非藻类颗粒物与有色可溶性有机物(CDOM)吸收相似的特性, 采用两者合并参数化方案, 并结合浮游藻类吸收系数在580 nm与692 nm波长处比值恒定的特点, 提出了适合于太湖的基于水体总吸收的浮游藻类吸收系数分离方法, 并从数值和光谱曲线特征等方面对分离效果进行了评价。结果表明, 浮游藻类吸收能够较好地从水体的总吸收中分离出来, 在440, 550和675 nm波段处, 吸收系数的分离效果都较好, 其中在675 nm波段分离平均相对误差在10%以内; 分离得到的浮游藻类吸收光谱整体上保持了其原有的特征, 与实测光谱具有很好的相似性, 平均相似度在0.97以上。
信号处理 太湖 浮游藻类 吸收系数 分离方法
南京师范大学 教育部虚拟地理环境重点实验室, 江苏 南京 210046
悬浮物浓度是水质和水环境评价的重要参数之一.利用2007-11-08 ～ 2007-11-21 14天时间对太湖74个样点 进行水质取样分析和波谱实测.在提取水体遥感反射率后, 分析其与悬浮物浓度的相关关系, 发现在400～900nm 波段范围的各波长遥感反射率与总悬浮物、无机悬浮物浓度都存在中高度相关, 最大相关系数均出现在725nm处, 分别为0.883和0.869, 而与有机悬浮物浓度则无较好的相关性.同时利用敏感波段的遥感反射率建立了悬浮物浓 度估算的神经网络模型, 结果表明:对于总悬浮物浓度, 隐含层节点数为6的神经网络模型的 R 2 =0.948, RMSE= 4.947, 在各节点中的训练效果最佳;而对于无机悬浮物浓度, 隐含层节点数为4的神经网络模型的 R2 =0.956, RMSE=5.104, 模型整体训练结果最好.此外, 通过测试样本对神经网络模型和经验模型的预测误差进行分析表 明, 无论是估算总悬浮物浓度, 还是无机悬浮物浓度, 无论从建模样本的建模精度, 还是测试样本的误差分析, 神经 网络模型都优于经验模型.
遥感反射率 悬浮物 神经网络模型 太湖 remote sensing reflectance suspended matter neural network model Lake Tai
南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210046
针对高散射特性的二类水体中难以测量的双向性函数Q, 利用HYDROLIGHT模拟观测角为太阳天底角下440 nm处的Q值, 并分析环境及水体光学特性对Q值的影响。结果表明,在高散射特性的近岸水体或内陆湖泊水体中, 由于散射次数的增加, 使得风速、散射相函数等影响因素对Q值影响相对减小, 单次散射反照率W0和太阳天顶角θ成为Q值的主要影响因素; 随着深度的增加,双向性函数Q受边界条件和光线入射状况影响的程度逐渐减少, 直至不受其影响, 而成为只与固有光学量相关的内秉光学量; 利用Q值的主要影响因素W0、θ和上行辐亮度的漫衰减系数KLu分别对Q值进行参数化, 得到Q值的2种参数表达式。
海洋光学 Q值 影响因素 参数化
