水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

谢栢成, 许占堂, 杨跃忠, 曾 凯, 张 雨, 刘永明, 周 雯, 李 彩

1. 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室, 广东 广州 510301

2. 中国科学院大学, 北京 100049

3. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广东 广州 511458

引 言

自然界中, 大部分物体属于非朗伯体性质, 其对太阳的短波辐射和散射的表现具有明显的方向性。 研究学者们观察到这种现象, 并提出双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution functions, BRDF)这一概念对物体物体表面的光谱特性进行定义[1]。 BRDF表征的是: 光经过目标表面后的反射辐射在空间的分布特征, 量化不同角度的入射总辐射与出射辐射之间的关系, 可通俗表示为目标表面在任何观测角上所具有的反射特征或目标单位立体角上的反射率, 能全面描述目标表面的反射辐射特征[2]。 由于不同地物的双向反射特性各异, 可借助目标的双向反射特性达到采用遥感光谱区分不同地物的目的。

在光学浅水遥感中, 不同目标的反射率表征底部目标的特征信号[3], 通过分析水下底质光谱信号能精准地获取底质状态分布信息(如珊瑚的健康状况信息)。 为提高遥感对珊瑚底质的反演, 有较多学者对珊瑚的反射率光谱进行测量, 如Miller获取了澳洲大堡礁海域, 包含珊瑚, 沙质等多种底质的BRDF测量数据, 测量采用的是水表测量法, 在每次测量时均需在空气中对参考板进行测量, 计算过程复杂, 且采用水表之上测量法忽略了底质反射率在水下和水上存在较大差异的现象[4]。 水下底质遥感的一个困境在于光学浅海复杂的底质环境中, 所识别的反射率光谱中涵盖多种底质, 且部分底质光谱特征具有相似性, 以至于同一反射光谱信号多种生化组分信息的糅合、 混淆, 缺乏有效手段对浅海区域复杂底质高光谱海底反射特征及其光谱进行组分区分[5]。 曾凯等采用自主设计的水下双通道同步辐射测量能很好地解决底质反射率水下原位测量的误差问题, 同化目标物和标准参考物在相同光场下的测量条件, 消除光在水中光程差影响等, 对获取到的珊瑚、 海草等底质反射率光谱具有很好的效果, 但是测量角度单一, 仪器自阴影和角度对测量数据影响很大[6]。 单角度的珊瑚反射率进行测量, 能够在一定程度上体现出珊瑚的部分特性, 若想要更深入了解珊瑚的冠层信息, 结构层次等特征信息还需要对珊瑚进行全方位的测量; 由于珊瑚间距, 分枝形状, 颜色等差异导致珊瑚各向反射率差异。 采用珊瑚高光谱双向反射分布函数信息, 可以提取出珊瑚冠层结构特征[7]。

目前主要制约水下珊瑚遥感监测的困境在于现有珊瑚的反演精度不足以实现珊瑚的精细化监测, 针对光谱特征相似的底质难以区分。 珊瑚的现场定标需要准确的方向性珊瑚反射率光谱信息, 需要对珊瑚进行现场多角度的反射率测量, 并且多角度的珊瑚反射率测量精度会影响珊瑚定标的精度[8]。 由于受到观测技术的限制, 同时海底观测相对于陆地植被人工操作仪器的巨大困难性, 导致了海底BRDF的研究相对于海洋水体光学的研究严重滞后, 影响了浅水区域海底地形、 水深、 底栖生态状况的监测; 而对于浅水水质的反演, 因底质BRDF信息不明确与水体信息混杂, 也在一定程度上影响了水质信息的遥感提取。

目前国内对珊瑚进行双向反射率测量相关的研究报道较少, 本工作设计了一套用于水下珊瑚或其他底质目标物的双向反射率测量系统。 测量系统主要包括光学传感器及相应的机械构件, 光学传感器为双路配置, 可以进行同步测量减少在测量过程中水下光场的迅速变化引起的测量误差, 同时利用经定标过的白板放置在目标物侧边, 在同光程差和光场条件下进行同步测量, 得到准确的水下目标物下行辐照度。 本系统是目前国内首次进行珊瑚双向反射率测量的测量系统, 可为浅海珊瑚底质的双向反射率研究提供现场数据, 同时为遥感反演珊瑚信息提供基础的数据服务, 为海洋遥感对珊瑚结构层次信息的研究提供重要的技术手段。

1 珊瑚双向反射率测量系统的设计

1.1 设计原理

以往学者在进行珊瑚反射率光谱测量中大部分使用单探头的测量方式, 然而单探头测量的前提是在天空光场基本保持稳定的条件下进行, 事实上进行水下上行和下行辐照度的测量时, 波浪变化引起耀斑的改变, 导致水下光环境的瞬间变化, 使得原位数据获取存在着很大的不确定因素。 为了避免在进行海底目标测量时, 未知水体的吸收衰减、 水下光环境变化、 太阳光在水体内的水柱校正等因素所带来的误差, 系统采用双通道同步测量的方法, 即在海底目标物附近放置在实验室已经标定的参考反射板, 参考反射板放置位置贴近目标物, 且与目标物在同一高度平面内。 在进行珊瑚目标物测量时, 两辐射探头并行, 分别对珊瑚和反射板进行同步光谱测量, 示意图如图1。

图1 水下珊瑚双向反射测量系统示意图

浅海光学底部目标物在单位方位角上的辐亮度值是由BRDF决定的, 因此可通过目标的BRDF信息进而得到目标的反射光谱特征。 由于目标的BRDF特征难以直接测量, 从而使用容易测量得到的反射比因子(bidirectional reflectance factors, BRF)进行描述。 BRF可表示为目标特定方向上行辐射通量与理想朗伯体在该方向上的辐射通量的比值。 在水下条件, 具有漫反射特性的参考板与目标物处于同一水平面内的相邻位置, 可认为待测物与参考板所接收到的下行辐射是一致的, 且光谱探头的瞬时视场角足够小, 由此可认为测量得到的反射比是具有方向性的, 即方向反射比因子等价于特定方向上的目标反射率。 反射率计算公式为:

(1)

式(1)中:θ为测量天顶角;φ为测量方位角:Lu(t)(λ,θ,φ)为在特定天顶角所测量到的珊瑚目标物反射的上行辐亮度;Lu(r)(λ,θ,φ)为与珊瑚目标物并行测量到的参考反射板的上行辐亮度;ρ(θ,φ)是通过实验室测得的参考板反射率因子;R(λ,θ,φ)为在珊瑚目标物在该方位角, 天顶角计算得到的反射率。

1.2 系统结构

海底目标双向反射率测量系统的核心构件为光谱辐射探头, 为了减小水下测量时探头自阴影对测量的影响, 在探头设计上, 对光谱辐射探头进行了小型化设计, 使其更适于实际现场作业。 测量系统主体可分为三个功能模块: 电路控制模块, 电信号处理模块和功能性传感器集成模块。 电路控制模块主要实现光谱的采集、 光谱采样积分时间的调控和外部清洁刷子的开、 关; 电信号处理模块则是将采集到的光信号通过光栅细化分光后, 进行信号放大及信号转化, 将数据以可视化的形式输出; 功能性传感器集成模块主要与上位机进行通讯, 电源供给等, 同时还搭载有角度传感器进行探头天顶角、 方位角数据的测量, 此部分数据是为了探头在进行双向反射测量时提供角度数据支持。 功能性模块上还搭载有压力传感器, 用以校准水深数据。

海底目标双向反射测量系统的核心构件为光谱辐射探头, 为减小测量时探头阴影对测量的影响, 对光谱探头进行小型化设计, 图2为双向反射测量系统原理。 通过上位机连接控制多功能模块进行压力数据、 角度数据和光谱数据的采集, 压力数据经功能模块模电转换后与角度数据一同被上位机直接存储。 两辐射探头分别对应目标物及参考反射板, 后向反射光谱经光谱转换模块后同步传输至功能性模块中进行数据读取并可视化。

图2 双向反射测量系统设计原理图

1.2.1 微型光谱辐射探头的设计

光学路径的衰减和仪器的阴影, 是影响水下双向反射测量结果的最主要因素, 采用双光路结合参考板的方式消除了水体光学路径衰减带来的影响。 而对于仪器阴影的干扰, 则尝试对仪器进行小型化设计。

微型化光谱辐射探头的主体结构如图3(a)所示: 清洁刷子, 窗口玻璃, 聚焦透镜, 光纤, 起到防水作用的O型圈, 微型马达及能对电路板进行固定的稳定架。 经过珊瑚反射回的光辐射通过窗口玻璃和衰减片后, 被聚焦透镜以一定的角度聚焦在光纤传感器上, 内置电路板将光辐射信号转化为电子信号并进行可视化输出。 为了避免在进行珊瑚目标物的反射光谱测量时, 由于视场角过大而导致珊瑚周边底质的反射一同进入到探头, 在设置光谱辐射探头时, 尽可能把视场角缩小。 图3(b)为探头入射窗口的实物照片, 本系统中所用的光纤入光孔径为0.3 mm, 平凸镜焦距15 mm, 所具有的视场角1.8°, 能够确保在探头对准珊瑚目标物时, 只有珊瑚这单一属性的光谱辐射。 探头的光谱分辨率为2～3 nm, 具有很好的光谱分辨效果, 对光谱相应的动态范围大, 在可见光波段范围内具有很好的测量精度, 完全满足对海底珊瑚反射率的测量需求, 探头最终加工完成后的实物照片, 见图3(c)。

图3 (a)光谱辐射探头结构图; (b), (c)光谱辐射探头实物图

1.2.2 水下双向反射支架的设计

目标物的双向反射测量支架为直径一米的半圆弧形, 在圆弧上以90°为起始点向两侧等间距钻孔, 间距间隔为20°, 两侧最低角度分别为30°和150°。 配备有凹形连接杆, 通过固定螺丝可将两辐射探头固定在圆弧的任意角度上。 测量时, 需要将圆弧架子放置在目标物的正上方, 考虑到海底地形起伏, 特意配置了不同高度的安装架使测量架平台在测量时能维持稳定且保持水平。 架子采用双轨道模式, 固定两圆弧间距为30 cm, 通过底部焊接使两轨道能稳定垂直于地面。

在野外现场测试中, 方位角定义为: 自地理坐标的正北作为0°起始, 顺时针方向到测量方向线上的水平夹角为测量方位角。 天顶角定义为: 仪器光学探头与地面法线间的夹角。 对沙子的方位角选取为0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°, 以45°递进的方式进行, 而方位角90°和270°, 由于与太阳光入射方向相同而忽略。 天顶角设定为0°、 20°、 40°和60°。 水下实际操作中会因潮汐力, 浮力等诸多条件限制难以对水下底质进行小或较大角度的天顶角测量, 因此在部分水下底质在测量过程中, 放弃部分测量天顶角, 如: 珊瑚目标的实际测量天顶角只设定了0°和20°, 方位角的测量与沙质一致。

2 数据测量与分析

目前我国珊瑚集群主要集中在南中国海域的大量岛礁附近, 部分零散分布在沿岸地区, 其中广东大亚湾区域就存在部分零散的珊瑚分布。 大亚湾位于广东珠江口左侧, 界于113°29′42″—11 4°49′42″E, 23°31′12″—24°50′00″N之间, 平均水深11 m, 最大深度为21 m, 是南海北部一个较大的半封闭性海湾, 湾内有大小岛屿50多个。 珊瑚BRDF测量现场实验于2021年12月29日—30日, 在中国科学院大亚湾海洋生物综合实验站附近海域, 且有零散珊瑚生长的地方进行, 实验站点分布见图4。 由于系统中无主动光源, 采用的是自然状态下的太阳光下行辐射, 因此在测量时间上选择太阳光强最强、 目标物反射最强的时段: 正午时分11:00—14:00, 尽量选择天气晴朗, 周边无云的天气状况, 避免在测量过程中由于云层对太阳光的遮挡而导致下行辐射改变。

图4 试验站点图

光学浅海基质较为常见的主要有: 沙质、 碎石、 珊瑚礁、 海草、 淤泥等, 双向反射测量系统是对目标各向反射率测量, 从而探究具有结构层次的目标物与非结构目标物的在不同方向上反射率特性。 无论是沙滩上的沙子或是海底底质中的沙子都是平铺在底层, 层层堆叠, 并非如海草、 珊瑚这般具有纵向或横向的结构特征, 对于采用BRDF测量系统研究非结构体目标的反射率特征具有很大的帮助。 目标物的选取主要选择两种具有代表性的基质: 不具有结构特征的沙质与具有结构层次特征的珊瑚。 双向反射测量系统的野外现场测试如图5(a, b)所示。

图5 测试现场照片: 岸边沙质的双向反射测量(a)与水下珊瑚的双向反射测量(b)

2.1 沙子双向反射测量分析

双向反射测量系统对沿岸均匀细沙进行双向测量后所得的反射率与国内外相关学者对沙质的反射率测量结果对比图如图6所示。

图6 不同学者测得的岸上细沙反射率光谱对比图

可观察到本研究双向反射测量系统在方位角0°和180°, 所测得的细沙反射率与Eugenio采用WorldView-2得到的加那利群岛上的底质沙反射率[9]与曾凯于2020年在三亚所测得的沙质反射结果相似[6], 且与Guillaume于2020年使用高光仪获取Porquerolles岛沙滩上的细沙反射率光谱在趋势上一致[10], 虽然反射率值大小有所差异, 但是光谱信息中所包含的目标光谱特征一致。 这验证了双向反射系统所测得的岸上细沙的反射率光谱数据的可靠性。

实验结果显示干沙子的光谱反射率在10%～35%之间, 于600 nm波段上升区域趋于平缓, 并在675 nm附近存在一个小的波谷, 光谱曲线没有明显的波峰、 波谷, 并呈显直线上升趋势。

实验结果显示, 岸上细沙的反射率值在10%～35%之间, 光谱曲线没有明显的波峰、 波谷, 随着波长的增大反射率值也逐步增大, 在500～650 nm之间时增幅加快, 于650 nm波段后趋势减缓。

双向反射测量系统对水下底质细沙进行测量后所得的反射率与国内外相关学者对浅海沙质的反射率测量结果对比图如图7所示。 数据源有Reichstetter在利用MODIS和SesWiFS的遥感反射率进行底海底底质反射率反演时的浅海沙质的反射率光谱数据[5]、 Bajjouk关于留尼旺岛海洋保护区进行的遥感反演所进行的现场实测数据中包含两种不同状态的沙子的反射率光谱[11]和Zeng等利用自主研发的海底高光谱反射率测量仪进行野外现场测试时所测得的水下沙子反射率数据[8]。 不同研究者所测量的沙质反射率在数值上存在很大的不一致性, 这是由于不同学者的测量条件、 环境因素等不同因素导致的, 虽在反射率值大小有所差异, 但是光谱信息中所包含的目标光谱特征基本一致, 均表现为: 在575 nm前光谱曲线持续上升, 在575～640 nm波段范围光谱趋于平缓且存在小反射峰, 在675 nm都存在较强的吸收峰。 图7表明, 即使对于同种底质类型, 不同研究学者根据不同的仪器、 不同测量方式, 反射率光谱曲线都存在细微的差异, 同时验证了有研究学者提及的“同物异谱”或“同谱异物”的现象。

图7 不同学者测得的水下沙质反射率光谱对比图

通过对岸上细沙进行BRDF测量, 图8数据表明: (1)无论是在20°、 40°或是在60°天顶角下对细沙进行测量, 在方位角为135°时所测量的细沙反射率都是最大的, 最小反射率是在方位角为225°时测得。 这是由于在方位135°时, 太阳光经沙质反射后, 存在较强的逆向反射, 方位角135°与太阳入射角差值较小, 相对方位角225°而言具有更强的“热点效应”。 此外, 可以观测到在相同方位角上所测得的反射率整体差异不大, 不存在明显的分层现象。 如, 在天顶角为20°时, 在400～700 nm波段, 方位角180°、 0°和135°的反射率最大值与反射率最小值在方位角225°时测得, 并且反射率最大值和最小值在600～700 nm波段可进行区分; (2)对比不同方位角的测量数据, 在上述6个测量方位角上, 测得的反射率值近似, 未表现出明显差别。 通过分别计算上述3个天顶角下各方位角测量得到反射率的相对偏差, 结果为: 在天顶角为20°时, 方位角上的反射率标准偏差的最大值为1.2%; 在天顶角为40°时相对偏差的最大值为1.4%; 天顶角为60°时相对偏差的最大值为0.8%。 表明上述的反射率偏差均很小, 表明在天顶角不变的情况下, 不同方位角上所测得的岸上沙质的反射率相同。

图8 在天顶角(θ=20°、 40°、 60°)不变的情况下, 岸上沙质反射率在不同方位角φ位置的光谱响应

岸上沙质在不同方位角、 不同天顶角的双向反射率测量结果如图9所示, 数据同样表明: 所有方位角上(φ=0°, 45°, 135°, 180°, 225°和315°)所测得的反射率中, 天顶角为20°的反射率值均为最大, 最小值为在天顶角60°时所测得。 分析认为由于现场野外测量时间为正午十分, 太阳高度角较大, 分析认为在垂直方向上会具有较强的逆向反射, 因此在天顶级角较小时, 会呈现出较强的细沙反射率特性。 通过计算各个方位角下不同天顶角的反射率标准偏差, 可知: 同方位角不同天顶角下所测得的反射率值的标准偏差最大不超过1.7%, 因此可认为此次所测量的岸上细沙底质是具有各向同性特征, 可将均匀细沙认为是较为理想的平面朗伯体。

图9 在方位角φ不变的情况下, 岸上沙质反射率在不同天顶角(θ=20°、 40°和60°)位置的光谱响应

在进行水下沙质底质的反射率测量时, 辐射传感器的测量角度应与岸上沙质的反射率测量角度一致, 但是由于水下测量条件限制, 水下测量时潮汐回流对测量系统的固定影响较大, 存在测量过程中测量平台的移动。 水下沙质的测试持续测量两天均难以解决沿岸的潮汐对测量的影响, 因此在后续的测试过程中对水下沙质的测量角度进行了天顶角的调整, 测量的天顶角调整为20°, 测量方位角与水上的沙质一致为0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°。

双向反射率测量系统在天顶角为20°时, 在不同方位角上的测量结果如图10所示。 由图10看出: (1) 水下沙质, 在天顶角为20°时, 在可见光波长范围内, 反射率最大值在方位角225°时测得, 最小值在方位角135°时测得。 分析认为测量时间为早上11点左右, 测量时, 方位角135°与太阳光入射平面的夹角为45°, 而方位角225°与太阳光入射平面的夹角为135°, 位于水下时, 底质的“热点效应”被削弱, 镜面反射占主导, 即方位135°时, 太阳位于辐射传感器的后方, 而方位角为225°时, 太阳位于辐射传感器的左前方, 因此, 在方位角225°时, 水下沙质的反射率值较大。 (2) 反射率值的相对偏差, 在400～700 nm波段, 呈现逐步增大的趋势。 在400 nm时, 反射率的最大值与最小值的偏差为3.8%, 但在700 nm时反射率标准差达到12%。 由于太阳光的近红光波段(650～700 nm)在水体中存在较强的吸收, 较弱的光能量使得噪声影响过大, 因此主要分析400～650 nm处, 水下沙质不同方位角上的反射率光谱变化趋势。 由数据可总结出方位角的选定对反射率的测量并不存在较大影响。

图10 在天顶角(θ=20°)不变的情况下, 水下沙质反射率在不同方位角(φ=0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°)位置的光谱响应

2.2 珊瑚双向反射测量分析

大部分珊瑚科属都是具有结构特征, 甚至部分珊瑚礁内存在诸如树状的冠层结构, 单角度的反射率测量必然不能将此类特征信息很好地表达出来, 此外珊瑚群之间分支交错、 珊瑚间距等都会产生自阴影的影响, 因此需要对珊瑚群进行较为全面的、 多方位角度测量。

BRDF测量系统所测结果与相关研究学者关于珊瑚反射率光谱的对比图如图11所示[6, 12-14], 由于不同类别的珊瑚具有不同的反射率特征, 且不同时期由于珊瑚状态差别, 所测得反射光谱值在大小上也会有所差异, 然而即使如此, 特定珊瑚的特定反射率光谱大体上还是趋于一致的。

图11 不同学者测得的水下珊瑚反射率光谱对比图

珊瑚反射率光谱显示所选取的波段为可见光400～700 nm。 测试结果表明珊瑚在各个方向上, 总体反射率不高, 主要集中在5%～25%之间, 特别是在小于500 nm波段, 在各个方向都表现出较低的反射率(通常反射率在5%附近浮动), 但会随着波长的增加而缓慢增大; 因珊瑚种类差异, 部分珊瑚的反射率光谱在520 nm附近存在一个小的反射峰。 550～650 nm附近是光谱平均反射率较高的波段, 此波段总体呈现出一个或两个较强的峰, 在680～700 nm波段, 反射率光谱急速上升。 三个重要的珊瑚辨别特征是在605 nm处存在一个明显峰, 650 nm处出现一个小峰, 以及在675 nm存在一个明显的吸收峰, 此吸收峰与叶绿素特征吸收峰波段相似, 且海底珊瑚表层覆盖着珊瑚共生藻, 因此合理推测该波峰是由于共生藻中存在叶绿素而导致的[15]。 此次双向反射测量系统测得大亚湾海底珊瑚的反射率光谱具有4个特征波峰和一个特征波谷, 波峰分别位于520、 575、 605和650 nm附近, 而波谷是685 nm处的叶绿素吸收峰, 其中520 nm处峰较为明显, 而575 nm处和655 nm处, 虽存在吸收峰, 但峰特征不明显。

海底珊瑚反射率会因测量方位, 角度的改变而改变, 分析认为一方面是由于在进行BRDF测量时, 即使是同一目标物, 在不同角度上, 也会因光照条件, 珊瑚结构层次特征, 珊瑚分支情况, 生长状态等其他因素影响, 而表现出在方向角度上的反射率差异。

图12是双向反射测量系统在不同天顶角对珊瑚进行反射率光谱测量结果, 测量天顶角为0°和20°, 测量方位角与岸上细沙、 水下细沙一致为0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°。 数据显示结果与预期一致, 即不同方位角上的反射率会存在差异。 由于水下测试条件有限, 测量平台应用在水下测量中时, 容易受水流冲击的影响而导致测量过程中位置偏移, 难以测量到较大的天顶角, 但单个天顶角不同方位角的珊瑚反射率数据在一定程度上同样能反映出珊瑚底质的反射率在空间内的分布特征。

图12 在天顶角(θ=20°)不变的情况下, 珊瑚反射率在不同方位角(φ=0°、 45°、 135°、 180°、 225°和315°)位置的光谱响应

在天顶角一致的情况下, 不同方位角所测得反射率光谱值如图12所示。 在测量天顶角为20°时, 反射率最大值在方位角为0°时测得, 但与方位角45°和225°时的反射率值差异不大; 反射率最小值在方位角315°时测得, 与其他几个方位角所得的数据差异较为明显。 在400～700 nm波长范围内, 不同方位角上所测得的反射率值的标准差呈现先增加, 后减小而后激增的趋势, 在400～675 nm波段范围内, 反射率的标准差逐步递增, 标准差从1%递增至2%, 表明该波段内珊瑚的反射率值偏差逐步增大; 反射率值的标准差在675～700 nm时呈现一个陡增的状态, 在675～700 nm波段标准偏差会从1%增至5%。

3 结 论

使用微型化设计的光谱传感器探头, 搭建了光学浅海珊瑚双向反射测量系统, 采用双通道测量法实现双探头同步测量方法, 可以有效的避免在水下进行反射率光谱测量时因水下光场的迅速变化、 水体衰减和水体扰动等诸多因素可能造成的测量误差。 实验数据显示珊瑚的光谱反射率与底质细沙的光谱反射率存在明显差异, 且测量结果与相关研究所得光谱特征一致。 测试结果表明: (1)岸上沙质的BRDF特征: 在400～700 nm内, 当天顶角固定时, 不同方位角所测得的反射率值标准偏差较小。 具体表现为: 当天顶角为20°时, 方位角上的反射率标准偏差的最大值为1.2%; 当天顶角为40°时, 方位角上的反射率标准偏差的最大值为1.4%; 天顶角为60°时, 标准偏差的最大值为0.8%。 另外, 在方位角不变时, 岸上沙质在不同天顶角上的反射率(6个方位角上测量所得)标准偏差均不大于1.7%。 因此, 岸上沙质的BRDF变化较小, 岸上沙质是较为理想的朗伯体; 水下沙质的BRDF光谱表明: 水下沙质的反射率存在一些差异, 但总体具有如陆地一般的各向同性特性, 不同方位角对反射率测量影响较大, 具体表现在400～700 nm波长范围内, 反射率值标准偏差从3.8%递增至12%, 因此测量方位角不是水下沙质反射率的一个重要影响参数。 (3)水下珊瑚的BRDF特征: 在400～700 nm波长范围内, 当天顶角固定时, 不同方位角上所测得的反射率值标准偏差呈现先增加后减小而后激增的趋势。 从400到605 nm, 标准偏差从1.1%升至2%, 而后从605到675 nm, 标准偏差从2%降至1.2%, 在675～700 nm, 标准偏差从1.2%增至4.9%。 现场测试证实了海底珊瑚双向反射率测量系统的有效性, 可为珊瑚光学遥感监测, 遥感影像提取和珊瑚礁区水深反演等多方面提供有效的、 真实的珊瑚现场双向反射率数据。