牟平观测平台水体表观光学特性测量功能设计与实现

李铜基，马超飞，朱建华，刘 廷，杨安安

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081）

海洋水色遥感是全球和区域范围内对海洋生物地球化学进行持续监测和预警的重要数据来源，服务于海洋经济、海洋管理、海洋安全以及其他公益服务等众多领域，是国家自然资源管理、全球海洋环境观测的重要手段[1-2]。对星载遥感器的长期辐射性能跟踪、辐射校正及卫星数据产品的真实性检验（以下简称定标检验）是海洋水色遥感定量化应用的基础环节[3-5]。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在海洋生物地球化学卫星数据长期定标和检验的综合计划中指出，在总结宽视场水色扫描仪（the Seaviewing Wide Field-of-view Sensor，SeaWiFS）/中分辨率成像光谱仪（the Moderate resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）等前期卫星计划以及SIMBIOS（Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies）计划经验的基础上，建立长期的海洋生物地球化学卫星数据定标和检验能力是解决实际问题的一个务实办法[4]。自HY-1A海洋卫星工程立项论证初期就把其遥感器的定标检验作为定量化应用的关键性和基础性技术[5]，在建立和完善海洋卫星与卫星海洋应用的业务化体系过程中，定标检验系统都是卫星地面应用系统的核心组成部分。随着我国海洋水色卫星应用技术的不断进步，对星载遥感器的定标和检验技术的发展也不断提出更高的要求。特别是HY-1C和HY-1D组成我国首个海洋水色业务化卫星星座，实现上、下午全球组网观测，标志着我国水色遥感进入到全球业务化观测的新阶段。2019年12月，我国首个专门用于海洋水色系列卫星（HY-1）真实性检验的离岸观测平台——牟平观测平台（以下简称牟平平台）主体设施完成舾装，牟平平台的上层建筑为25 m×25 m的浮式半潜平台（图1），其主甲板离海面高度7 m，并部署在烟台养马岛以北24 km的海域，周边海域水深约20 m。平台上部署的观测设备涵盖了水体光学特性、大气光学特性、水色主要水体成分浓度、红外辐射温度、水文、气象等海洋水色卫星检验所需的参数类型，设备均具备长期无人值守自动观测能力。平台设有生物光学实验室、仪器辐射性能跟踪实验室、通海观测井、监控指挥室、集成控制室等专业观测设施，同时具备9名试验人员开展7天驻留试验的后勤保障能力。本文重点论述该平台水体表观光学特性测量功能的设计与实现。

图1 牟平观测平台

1 平台水体表观光学特性测量功能设计

由于受到陆源输入、沿岸流等影响，我国广阔的近岸水体为光学复杂的Ⅱ类水体，牟平平台部署的海域就是这类水体的典型代表。未来海洋水色研究的一个重大挑战就是对溶解和颗粒组分占主要影响因素的沿海和边缘海的研究能否达到大洋水体（Case-I）的研究水平[4]。由于水体光学性质垂直结构变化大，垂直透明度低、水深较浅，以及海面扰动等，对其表观光学特性（Apparent Optical Properties，AOP）的测量存在固有的不确定度。在大多数这类具有显著垂直结构和光学复杂度的Ⅱ类水体中，AOP的水面之上测量法（Above Water Method）可能优于水中测量法（In Water Method），因为它们可以直接测量海面，易于剔除海面扰动，且无仪器阴影干扰[6]，虽然必须恰当地减小平台阴影和反射源的影响[7]。更为重要的是，采用水上法测量对仪器部署和维护的难度要低，部署后对周边船舶活动的影响小，更适用于长期自动观测。ZIBORDI G等[8]利用多年全球气溶胶和水色观测网（AERONET-OC）测量数据与MODIS卫星产品比对的研究结果表明，水面之上法的辐射测量能力已达到有效满足产品检验的准确度要求，同时也呈现出在世界各地光学复杂水域极好的测量能力[8]。针对我国水色遥感的现实需求和未来方向，牟平平台AOP观测设备选型突出在海岸带水域更精确的现场测量，重点是长期观测问题，考虑技术要求包括：（1）采用水上法测量；（2）光谱范围涵盖350～900 nm；（3）自适应调整观测几何，适合无人值守自动观测，维护便捷。

为保障牟平平台上表观光学参数测量的稳健、可靠性，在平台上设计部署了两种表观光学参数测量系统：（1）自动光谱测量系统（CAOP）；（2）水色版太阳光度计测量系统（SeaPRISM）。

1.1 自动光谱测量系统

自动光谱测量系统（CAOP）为广州水色海洋技术有限公司自主研发，原为船舶走航式水体表观光谱观测系统。该系统搭载3套Trios公司的高性能高光谱辐射计（光谱范围为320～950 nm，光谱准确度为0.3 nm），可同步测量海面下行总漫射辐照度（E s）、海面辐亮度（L t）和天空光辐亮度（L i）。系统安装后效果图如图2所示。该系统具有自动观测方位角调整部件，同步记录观测视野图像部件。在较完善的软件系统支撑下，可实现光谱采集积分时间调整、观测几何自动调整、定时观测等功能。自动光谱测量系统部署在牟平平台的东角，如图3所示，以保障能够严格按观测几何要求（观测天底角40°，与太阳相对方位角135°）获得更多的数据。CAOP系统具有三维自适应平衡装置，满足在平台、甚至船舶走航情况下对海观测几何的保持。

图2 CAOP自动光谱测量系统

图3 CAOP和SeaPRISM在平台的部署位置

使用水面之上测量法需要妥善地规避上层建筑对观测光场的影响。为此，专门设计建造了一个高5 m、长7 m的安装支臂，如图4所示。CAOP安装在测量支臂的顶端，使仪器距海面高度约12 m。图5（a）、图5（b）、图5（c）分别给出CAOP在夏至、秋分、冬至11时海面观测点位置模拟计算结果，由此可见，在加装观测支臂后，CAOP在全年9—16时观测均属“远场观测”，保障其测量AOP的准确性。

图4 CAOP安装支臂示意及实际效果图

图5 CAOP在夏至、秋分、冬至11时海面观测点位置示意图

1.2 水色版太阳光度计测量系统

水色版太阳光度计是一种改良的全自动商业太阳光度计。该设备由法国CIMEL公司生产，AERONET-OC中采用的核心设备[9-10]。该设备可在执行太阳光度计功能（正常的太阳和天空测量）之后测量海面，设备采用滤光片转盘方式依次测量得到400 nm、412.5 nm、442.5 nm、490 nm、510 nm、560nm、620nm、665nm、779nm、865nm和1 020 nm的太阳直射辐照度（E0）、天空散射辐亮度（Lsky，平纬圈、太阳基础面、等散射角3种模式）、海面辐亮度（Lt）以及相应的天空光辐亮度（Li）。该设备具有测量精度高、易携带安装、自动瞄准、太阳能供电、可自动传输数据等优势，适用于离岸观测平台的使用。图6给出SeaPRISM在牟平平台部署后的效果。按照AERONET-OC的部署建议，仪器部署安装在平台西角[10]，如图6所示。

图6 SeaPRISM水色版太阳光度计测量系统

为保障SeaPRISM按观测几何要求（观测天底角40°，与太阳相对方位角90°）获得更多远场观测数据，减小平台上层建筑对测量光场的影响，特别建造了一个5 m高的仪器专业观测台，如图7所示，仪器实际对海观测时距海面高12 m。同样，本文也对SeaPRISM在全年对海观测的状态进行了模拟，图8（a）、图8（b）、图8（c）分别给出SeaPRISM在夏至、秋分和冬至11时海面观测点位置模拟计算结果。由此可见，在全年9—16时的大部分观测属“远场观测”。当太阳直射北半球，太阳方位角变化范围增大，在早和晚时会出现观测点落入“近场观测”范围内，这以夏至日为最，10：30之前和14：30之后，对海观测点进入“近场观测”范围。

图7 SeaPRISM仪器安装的观测台示意图

图8 SeaPRISM在夏至、秋分、冬至11时海面观测点位置示意图

1.3 水体表观光学特性测量系统的运行情况

在经过多次测试与调试后，2020年4月29日，牟平平台上2套水体表观光学特性测量系统投入试运行。CAOP的工作时序为每天8：00—18：30间隔约10 min测量一组，每组测量3次。SeaPRISM按内设工作模式（即在满足内设对海观测条件时）对海观测。SeaPRISM并不是直接测量Es，而是通过对多角度天空辐亮度测量，经辐射传输模型估算Es[10]。因此，其完成水体表观光学特性的测量是建立在良好太阳直射辐照度测量（气溶胶光学厚度测量）、天空辐亮度多角度扫描测量并实现大气辐射传输模型估算Es的基础上[11-12]。

自4月29日试运行以来，截止至9月30日，CAOP共进行了3 062组测量（每组均需完整测量3次），在采用光谱质量控制[13]以及3次测量一致性控制（CV＜0.05）等基本质量控制后，可靠数据为1 933组，如图9所示。图9中出现6个时间段无测量，与偶发性通讯异常（包含L t传感器通讯线接触不良）、偶发性测量次数不足或单次测量数据量少等原因有关，最长的一次中断是在7月7—15日仪器因自动观测方位角调整部件故障维修。

图9 2020年4月29日至9月30日CAOP测量结果的统计

严格按照AERONET对气溶胶光学特性的质控后[11-12]，SeaPRISM在此期间共独立实现对水体表观光学特性测量341组，在采用光谱质量控制[13]后，可靠数据为269组，详见图10。由图10可见，由于SeaPRISM采用滤光片轮依次进行各波段太阳直射、天空扫描和海面观测的观测机制，以及采用较严格的数据质控，主要是对气溶胶光学厚度（AOD）的质控，SeaPRISM对水体表观光学特性测量仅出现在29天内。在6月下旬至8月上旬的雨季，对水体表观光学特性的测量几乎难以达到质控要求。

图10 2020年4月29日至9月30日SeaPRISM测量结果的统计

2 运行与比测

2.1 比测试验效果

2020年6月11日，利用地物光谱仪（ASD）对平台上部署的CAOP和SeaPRISM进行功能性验证。3种仪器独立测量，ASD为人工手动测量，比测时间为9：20—14：40，大约20 min测量一组，共进行了15组测量。比测期间天气为全阴，偶有小雨，风速均在2 m/s以下。图11和图12分别给出ASD和CAOP 15次同步观测的结果和比对结果，由图可见，CAOP测量的遥感反射比（Rrs）与ASD测量结果具有很好的一致性，且CAOP自动观测的结果更为稳健。ASD测量结果波动大的原因可能是因其依次观测Es、Lt、Li的机制，以及周边环境的干扰造成。

图11 20200611比测试验ASD和CAOP测量的Rrs

图12 20200611比测试验ASD和CAOP测量Rrs的比对结果

如前所述，SeaPRISM对水体表观光学特性的测量必须在光照稳定的晴朗天气下进行。在20200611比测试验中，为达到验证目的，在利用SeaPRISM测量Rrs中，采用CAOP同步测量的Es。比测试验中，共实现SeaPRISM与ASD同步观测9次，图13和图14分别给出这9次观测SeaPRISM的测量结果，以及与ASD的比对结果。由于采用滤光片轮依次观测机制，SeaPRISM测量中各波段为独立测量，测量周期长，这可能是造成图13中各光谱谱型差异大，甚至明显异常（如BD06）的原因。图14可知SeaPRISM测量的Rrs与ASD测量结果具有很好的一致性，SeaPRISM测量结果总体略偏小，这可能是因为SeaPRISM没有720 nm波段而在处理算法中采用665 nm波段数据对残留耀斑剔除所致[14-17]。

图13 20200611比测试验期间SeaPRISM测量的Rrs

图14 20200611比测试验期间SeaPRISM测量的Rrs与ASD测量结果的比对

2.2 长时间序列测量水体遥感反射率的比对

针对2020年4月29日至9月30日期间牟平平台CAOP和SeaPRISM测量的可靠数据，本文按±1 h的时间匹配规则进行匹配，共实现96组匹配数据。图15给出2020年4月29日至9月30日期间CAOP与SeaPRISM测量Rrs的比对结果，可见，2种设备对水体表观光学特性的测量结果具有很好的一致性。SeaPRISM测量结果总体略偏小，如上文所述，这可能是因为SeaPRISM没有720 nm波段而在处理算法中采用665 nm波段数据对残留耀斑剔除所致[14-17]。

图15 2020年4月29日至9月30日CAOP与SeaPRISM测量Rrs的比对结果

3 结 论

随着我国海洋水色遥感事业的快速发展，对水色遥感器的定标与检验技术也得到不断提高。在国家民用空间基础设施项目资助下，我国首个专门用于水色卫星真实性检验的离岸观测平台——牟平观测平台投入试运行。该平台具有较为完善的水色卫星真实性检验原位测量系统和试验基础设施条件。

本文重点介绍了平台上水体表观光学特性测量功能的设计与实现，涉及观测模式分析、仪器选型、部署装置设计与实现、基本运行情况。针对我国水色遥感的现实需求和未来方向，牟平平台AOP观测设备选型突出在海岸带水域更精确的现场测量，重点是长期观测问题，因此，设计实现了涵盖350～900 nm光谱范围，具备自适应调整观测几何水上法测量的2种表观光学特性测量系统（CAOP和SeaPRISM）。为CAOP专门设计建造了一个高5 m，长7 m的安装支臂，从而保证其在全年9—16时观测均属“远场观测”；为SeaPRISM特别建造了一个5 m高的仪器专业观测台，以保证其尽可能避免上层建筑对观测光场的干扰。

文中利用20200611比测试验和2020年4月29日至9月30日运行数据进行了比对分析，结果表明，平台上搭建的2种水体表观光学测量系统能够按照标准的观测几何要求，实施无人值守自动观测，测量获得遥感反射率的比对呈现较好的一致性，验证了平台在水体表观光学特性的基本测量功能。2020年4月29日至9月30日，CAOP获得可靠数据1 933组，SeaPRISM获得可靠数据341组，极大丰富了对水色卫星产品真实性检验的原位数据，也突显了长期固定观测站点在卫星定标检验工作中的作用。