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      北冰洋固有光學(xué)特性遙感反演研究

      2021-12-12 12:05:04宮麗嬌
      無(wú)線電工程 2021年12期
      關(guān)鍵詞:北冰洋反射率波段

      宮麗嬌,黃 玨*,吳 銘

      (1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院,山東 青島 266590;2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

      0 引言

      水體固有光學(xué)特性(Inherent Optical Properties,IOPs)僅受水體自身組分影響,不隨光照條件變化而變化,是生物光學(xué)模型的重要輸入?yún)?shù),對(duì)水色遙感的研究具有重要意義。水體總吸收系數(shù)(a)是水體固有光學(xué)特性的組成成分之一,由浮游植物吸收系數(shù)(aph)、有色溶解和碎屑顆粒物吸收系數(shù)(adg)以及純水吸收系數(shù)(aw)組成。了解總吸收系數(shù)的各組成成分,有助于更好地認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)相互作用的問(wèn)題,值得深入研究[1]。aph是浮游植物生物量的指標(biāo),可納入初級(jí)生產(chǎn)模型[2-3];由于光譜相似,非浮游植物顆粒和有色溶解有機(jī)物的吸收系數(shù)通常相加并記為有色溶解和碎屑顆粒物吸收系數(shù)。有色溶解和碎屑顆粒物光化學(xué)活性顯著,在地球化學(xué)和碳循環(huán)以及海洋中的其他過(guò)程扮演著重要的角色[4-6]。

      國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)水體光學(xué)特性反演模型進(jìn)行了諸多的研究,其中,半分析模型是應(yīng)用最廣泛的模型[7-10]。Hoge和Lyon[11-13]開(kāi)發(fā)了線性矩陣求逆模型(The Linear Matrix Inversion Algorithm,LMI),后經(jīng)Boss和Roesler[14]修改;Garver和Siege[15]開(kāi)發(fā)了半分析海洋水色模型(Garver-Siegel-Maritorena,GSM),Maritorena等[16]開(kāi)發(fā)了模擬退火程序,改善GSM模型性能;Lee等[6]基于輻射傳輸理論,開(kāi)發(fā)了Quasi-Analytical Algorithm(QAA)來(lái)反演水體固有光學(xué)特性,并通過(guò)解析函數(shù)評(píng)估模型反演固有光學(xué)特性的可行性[17]。3種反演模型得到了廣泛的驗(yàn)證與應(yīng)用[1,5,15-16,18-23]。

      隨著全球氣候變暖,北極生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)正在不斷變化[24-25],研究北冰洋IOPs的需求日益增加。國(guó)際海洋水色協(xié)調(diào)小組[15]在2006年利用實(shí)測(cè)和模擬光學(xué)數(shù)據(jù)集對(duì)各種反演模型的性能進(jìn)行了比較,但是目前的反演模型通常是基于低緯度的海洋數(shù)據(jù)集開(kāi)發(fā)出來(lái)的,北極地區(qū)氣候嚴(yán)寒,北冰洋常年被冰雪覆蓋,僅在6—10月部分海冰融化可通航,惡劣的地理?xiàng)l件使得北冰洋的水色遙感研究困難重重。現(xiàn)有研究證明在大陸架區(qū)域內(nèi)的北冰洋,生物光學(xué)特性通常很復(fù)雜,與低緯度地區(qū)觀察到的關(guān)系大不相同[26-32]。

      與楚科奇海和波弗特海的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比,Wang等[27]的研究表明GSM模型反演的adg(443)誤差較大;Matsuoka等[30]根據(jù)北冰洋的IOPs優(yōu)化GSM模型,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的波譜形狀,將數(shù)據(jù)集分為2類,優(yōu)化模型反演的adg(443)的誤差分別為0.35和0.50,但是基于有限數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論具有偶然性。Zheng等[31]發(fā)現(xiàn),QAA_V5模型在低緯度地區(qū)和北極地區(qū),均低估了浮游植物的吸收,特別是在北極地區(qū),模型反演的aph出現(xiàn)大量負(fù)值。最新形式的QAA_V6模型,根據(jù)遙感反射率Rrs(670)將水體分為2類并選用不同的參考波段進(jìn)行計(jì)算,可提高模型在復(fù)雜水體中的性能,但目前還未應(yīng)用于北冰洋。

      本文基于北冰洋3次巡航取樣的數(shù)據(jù)集,比較LMI、GSM和QAA_V6模型在高緯度水域反演IOPs的性能,并對(duì)誤差原因進(jìn)行分析,結(jié)合模型特性,進(jìn)行區(qū)域參數(shù)優(yōu)化以適用于北冰洋,為北冰洋光學(xué)遙感提供更全面的參考。

      1 數(shù)據(jù)與方法

      1.1 研究區(qū)域

      北冰洋是以北極點(diǎn)為中心的水域,其海岸線十分曲折,形成了許多淺而寬的邊緣海,其中,波弗特海面積為47.60萬(wàn)平方千米,楚科奇海為59.50萬(wàn)平方千米,均在70°N以上,氣溫低,海面幾乎全年被冰雪覆蓋。楚科奇海通過(guò)白令海峽與營(yíng)養(yǎng)豐富的太平洋連通,具有較高的生產(chǎn)力;波弗特海受麥肯齊河影響,其養(yǎng)分利用率低,但是在阿蒙森灣入口處形成的冰穴延長(zhǎng)了浮游植物的生長(zhǎng)季節(jié),因而在波弗特海東部觀察到相對(duì)較高的初級(jí)生產(chǎn)力[11]。

      2009年8月,MALINA探險(xiǎn)隊(duì)在波弗特海巡航取樣,2010年6月和2011年7月,作為美國(guó)國(guó)家航空航天局項(xiàng)目“ICESCAPE”的一部分,在楚科奇海進(jìn)行巡航取樣。3次采樣共83個(gè)站點(diǎn),除去幾個(gè)觀測(cè)異常的站點(diǎn),本文使用了77個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),站位分布如圖1所示。使用的數(shù)據(jù)集同時(shí)測(cè)定了水體固有光學(xué)特性和表觀光學(xué)特性,是迄今為止在北冰洋進(jìn)行的較為全面的光學(xué)測(cè)量結(jié)果,這對(duì)全面評(píng)估模型的性能尤為重要。

      圖1 北極地區(qū)測(cè)量點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of measurement points in the arctic

      1.2 數(shù)據(jù)獲取

      1.2.1 遙感反射率測(cè)量

      Rrs(λ)被定義為上行輻照度Lu(λ,z= 0+)≡Lw(λ)和下行輻照度Ed(λ,z= 0+)≡Es(λ)的比值,其中,Lw(λ)為離水輻亮度,Lw(λ)為水面的入射輻照度。在ICESCAPE航行中,使用剖面反射率輻射儀(Biosperical)測(cè)量了包括412,443,490,510,555和665 nm在內(nèi)的18個(gè)光譜波段的垂直輻射剖面。在MALINA航行中,使用便攜式水體光學(xué)剖面測(cè)量系統(tǒng)C-OPS(Biosperical Instruments Inc.)測(cè)量了包括412,443,490,510,555和670 nm在內(nèi)的18個(gè)光譜波段。開(kāi)闊海域在波長(zhǎng)為555 nm或者更長(zhǎng)處有峰值,而沿海水域則在412~490 nm處有峰值,在這2種數(shù)據(jù)中,各隨機(jī)選取4個(gè)光譜數(shù)據(jù)繪圖,如圖2所示。

      圖2 遙感反射率光譜Fig.2 Spectra of remote-sensing reflectance

      1.2.2 吸收系數(shù)和散射系數(shù)測(cè)量

      吸收系數(shù)ap和ad是通過(guò)測(cè)量放置在Perkin Elmer Lambda 35紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)積分球內(nèi)的樣品過(guò)濾器的光譜吸光度獲得的,詳細(xì)步驟參考文獻(xiàn)[33-34]。將樣品過(guò)濾器放在樣品光束檢測(cè)器的一側(cè),在0°,90°和180°測(cè)量3次,得到ap和ad三次掃描的平均值,ag通過(guò)UltraPath儀器測(cè)量,其中aph=ap-ad,adg=ag+ad。

      水體的后向散射系數(shù)bb是用垂直剖面模式放置的原位儀器測(cè)量的。在2次ICESCAPE巡航中,bb由2套Hydract-6測(cè)量?jī)x器分別進(jìn)行測(cè)量。

      1.3 實(shí)驗(yàn)方法

      Hoge和Lyon[11-13]開(kāi)發(fā)的LMI模型利用412,443和555 nm三個(gè)波長(zhǎng)的遙感反射率,構(gòu)建一個(gè)由aph,adg和bbp組成的線性矩陣方程,導(dǎo)出IOPs。LMI模型通過(guò)IOPs的共同變化來(lái)限制誤差,光譜斜率S的變化范圍在0.01~0.02,冪律指數(shù)Y的變化范圍在0~2,適用于全局優(yōu)化。

      Garver和Siegel[15]基于遙感反射率與a和bbp之間的二次關(guān)系開(kāi)發(fā)了GSM模型,引入了葉綠素a比吸收系數(shù)a*ph(λ),針對(duì)全球海洋葉綠素濃度反演,確定了GSM模型的幾個(gè)重要參數(shù):S=0.020 6,Y=1.037 0,在443~555 nm處,a*ph(λ)分別為0.006 65,0.055 82,0.020 55,0.019 10和0.010 15;Maritorena等[30]采用全局最小化技術(shù),改進(jìn)Garver和Siegel的模擬退火模型。GSM模型需要滿足3個(gè)條件才能運(yùn)行:0

      Lee等[6]開(kāi)發(fā)的QAA模型,基于輻射傳輸方程的理論分析和數(shù)值模擬,導(dǎo)出遙感反射率與IOPs之間的關(guān)系。QAA模型主要分為2部分:第1部分模型反演得到總吸收系數(shù)a和后向散射系數(shù)bbp;第2部分是根據(jù)解析方程將a分解為aph和adg。QAA模型已更新了好幾個(gè)版本,本次研究采用最新版本的QAA_V6,步驟如下所示。

      將水面遙感反射率Rrs(λ)轉(zhuǎn)換為水面下的遙感反射率rrs(λ)[6]:

      rrs(λ)=Rrs(λ)/[0.52+1.7Rrs(λ)]。

      (1)

      Gordon等[9]通過(guò)模擬得到了遙感反射率與固有光學(xué)特性的關(guān)系:

      rrs(λ)=g0u(λ)+g1u(λ),

      (2)

      u(λ)=bb/(a+bb),

      (3)

      式中,a表示水體總吸收系數(shù);bb表示后向散射系數(shù);g0和g1為模型參數(shù),分別取值0.089和0.124 5。結(jié)合式(1)和式(2),u也可以表示為:

      (4)

      QAA_V6第一部分,選定合適的參考波段:

      若Rrs(670)<0.001 5sr-1,選取555 nm作為參考波段,a(λ0)為:

      (5)

      a(λ0)=a(555)=aw(555)+10-1.146-1.1366χ-0.469 χ2,

      (6)

      式中,aw(555)是555 nm處純海水的吸收系數(shù)。

      若Rrs(670)≥0.001 5sr-1,選取670 nm作為參考波段,a(λ0)為:

      (7)

      式中,aw(670)是670 nm處純海水的吸收系數(shù)。

      bb(λ)可表示為[6]:

      bb=bbw(λ)+bbp(λ),

      (8)

      (9)

      式中,bbw(λ)和bbp(λ)為純海水和懸浮顆粒物的后向散射系數(shù)。

      當(dāng)a(λ0),u(λ0)和bbw(λ0)已知,bbp(λ0)為:

      (10)

      光譜斜率η可表示為:

      (11)

      據(jù)此,可以計(jì)算其他波長(zhǎng)的bbp(λ)。

      將bb(λ)帶入式(3),可計(jì)算其他波段的a(λ):

      (12)

      QAA_V6第二部分,據(jù)解析方程分解a為:

      a(λ)=aph(λ)+adg(λ)+aw(λ),

      (13)

      adg可表示為:

      adg(λ)=ag(443)exp[-S(λ-443)],

      (14)

      式中,光譜斜率S表示為:

      (15)

      ag(443)可表示為:

      (16)

      式中,ζ和ξ為:

      (17)

      ξ=exp[S(442.5-415.5)]。

      (18)

      據(jù)此,可以計(jì)算其他波長(zhǎng)的adg和aph,即:

      adg(λ)=ag(443)exp[-S(λ-443)],

      (19)

      aph(λ)=a(λ)-adg(λ)-aw(λ)。

      (20)

      1.4 反演結(jié)果評(píng)估

      根據(jù)確定系數(shù)(R2)、均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)和平均相對(duì)誤差(Mean Relative Error,MRE)來(lái)評(píng)估模型性能:

      (21)

      (22)

      (23)

      2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      本文共77個(gè)數(shù)據(jù),但是研究發(fā)現(xiàn),LMI模型反演的3個(gè)吸收系數(shù)均有負(fù)值,約占了總數(shù)據(jù)的1/7;GSM模型受3個(gè)條件的約束,有2個(gè)無(wú)效值;QAA_V6模型反演的aph在5個(gè)波段出現(xiàn)多個(gè)負(fù)值,與Zheng等[31]用QAA_V5模型反演得到的結(jié)論相似,本文基于有效數(shù)據(jù)值對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行評(píng)估。

      采用對(duì)數(shù)坐標(biāo),如圖3所示。

      圖3 412,443,490,510和555 nm處LMI,GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖

      圖3比較了LMI、GSM和QAA_V6三個(gè)模型在412,443,490,510和555 nm五個(gè)波段處反演a的性能。3個(gè)模型反演的a基本散落在1∶1的擬合線附近,其中,QAA模型反演結(jié)果最為理想,如表1所示,在412~555 nm處,R2均大于0.80,RMSE在0.13~0.63之間波動(dòng),MRE在0.33~0.68之間波動(dòng),但是在555 nm處,圖3(e)高值區(qū)域,明顯高估;GSM模型嚴(yán)重低估a(443),而且在a(412)處,誤差較大;LMI模型反演的a在含量較高區(qū)域出現(xiàn)負(fù)值,且相關(guān)性隨波長(zhǎng)的增加而降低,在555 nm處相關(guān)性急劇下滑,其RMSE和MRE分別為0.03,0.13。

      QAA模型反演的adg與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性最好,如圖4所示。

      表1 反演a(λ),adg(λ)和aph(λ)的統(tǒng)計(jì)

      圖4 412,443,490,510和555 nm處LMI,GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖

      在adg含量高的區(qū)域,反演結(jié)果均高估,且對(duì)比GSM和LMI,RMSE和MRE精度較低,特別是在412 nm處,RMSE高達(dá)1.03;GSM模型導(dǎo)出的adg表現(xiàn)也較好,但均表現(xiàn)為低估,在555 nm處,其MRE為0.76;LMI反演負(fù)值出現(xiàn)在含量較高的區(qū)域,除掉10個(gè)無(wú)效值后,LMI模型反演的adg,其R2均大于0.70,誤差波動(dòng)也較少。

      相比于adg,3個(gè)模型反演的aph誤差都較大。QAA模型反演的aph,其R2均低于0.60,且MRE誤差大,555 nm處高達(dá)19.52;如圖5所示,GSM模型反演的aph基本圍繞1∶1擬合線附近,分布較為分散,R2均小于0.40,但是精度較穩(wěn)定;LMI模型反演的aph,其R2在0.30左右,RMSE在0.05~0.16間波動(dòng),MRE在1.5~3.2間波動(dòng),反演結(jié)果均高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且誤差較大。從表1可以看出,3個(gè)模型均在555 nm處的反演結(jié)果較差。

      圖5 412,443,490,510和555 nm處LMI,GSM和QAA模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖

      綜合來(lái)看,QAA模型反演結(jié)果最為理想,GSM模型次之,LMI模型在北冰洋的反演結(jié)果較不理想,而且3個(gè)模型在反演a,adg和aph時(shí),均在555 nm處得到較差的反演結(jié)果。

      3 討論與改進(jìn)

      3.1 討論

      GSM模型是應(yīng)用于全球大尺度的反演模型,但是應(yīng)用于高緯度地區(qū)時(shí)并不準(zhǔn)確。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),從開(kāi)闊海域到沿海海域,adg(443)的值變化很大,范圍分別是0.02~0.22 m-1,0.49~1.31 m-1,約占總吸收系數(shù)的77+26%,占據(jù)了主導(dǎo)地位,與低緯度地區(qū)的情況大不同,這與Matsuoka等[32]的研究相一致。模型反演的a和adg在各個(gè)波段整體表現(xiàn)為在高值區(qū)域高估,在低值區(qū)域低估,尤其低估a(443),但是反演的aph基本分散1∶1擬合線。而且不同于前人在低緯度水域的研究[16],GSM模型沒(méi)有顯著低估aph(412)??梢钥闯?,模型反演的a和adg的變化趨勢(shì)相似,而adg的反演精度依賴于參數(shù)S和Y的精度。由于顆粒的散射和高CDOM吸收,光在開(kāi)闊海域的穿透深度很淺,但在沿海區(qū)域很深。因此,需要為海洋和沿海水域分別設(shè)置S和Y,Matsuoka[30]等研究了波弗特海南部海域的光譜特征,發(fā)現(xiàn)開(kāi)闊海域在波長(zhǎng)為555 nm或者更長(zhǎng)處有峰值,而沿海水域則在412~490 nm處有峰值,如圖2所示,依次將77個(gè)數(shù)據(jù)劃分為2簇,對(duì)海洋和沿海水域分別設(shè)置S和Y參數(shù),進(jìn)行靈敏度分析,優(yōu)化GSM模型。依次將本次77個(gè)數(shù)據(jù)代入,發(fā)現(xiàn)反演的aph的R2明顯增加,在412 nm處,R2提高為0.56;在443 nm處,R2提高為0.63;在490 nm處,R2提高為0.63;在510 nm處,R2提高為0.58;在555 nm處,R2提高為0.53,盡管R2有所提高,但是MRE誤差較大,在1.06~1.96區(qū)間波動(dòng);在412~555 nm范圍內(nèi),模型反演的adg,其R2穩(wěn)定在0.60左右;但是反演的a(443)明顯改善,其R2由0.62提高為0.96,RMSE由0.25降為0.08,MRE由0.58降為0.19。改進(jìn)的GSM模型在應(yīng)用于北冰洋時(shí),盡管性能有所提高,但是整體的精度仍不高,可能是受到數(shù)據(jù)集的限制。

      QAA_V6模型先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式反演獲得a(λ0)和bb(λ0),再根據(jù)半分析模型推算得到adg(λ)和aph(λ)。分析可知,在a和adg時(shí),相關(guān)性較好,但是精度有待改進(jìn);在反演aph時(shí),結(jié)果并不理想。這是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式通常只適用于光學(xué)特性與模型開(kāi)發(fā)中使用的光學(xué)特性相似的水域,因此驗(yàn)證模型在北冰洋的適用性,對(duì)模型進(jìn)行大量的評(píng)估,并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化模型性能是必要的。

      3.2 QAA_V6模型改進(jìn)

      本文從77個(gè)站點(diǎn)中隨機(jī)選取23個(gè)站點(diǎn),對(duì)QAA_V6進(jìn)行改進(jìn),再用其余站點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

      QAA_V6模型是針對(duì)開(kāi)闊海域和沿海海域提出的,根據(jù)遙感反射率的不同,選取不同的參考波段。圖3中的a(555)明顯高估,特別是高吸收區(qū)域。Lee等[6]發(fā)現(xiàn)在高吸收的渾濁水域,使用大于555 nm的參考波段精確度更高,但是,高緯度地區(qū)不同于低緯度地區(qū),氣候嚴(yán)寒,極晝極夜現(xiàn)象使得人類與植物的活動(dòng)痕跡較少,Zheng等[31]基于QAA_V5反演的北冰洋的a(555)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,在670 nm處的相關(guān)性卻較差。根據(jù)張亭祿等水質(zhì)分類,77個(gè)站點(diǎn)中一類水體約占71%,而且實(shí)測(cè)a(555)>0.24 m-1的站點(diǎn)約占8%,水質(zhì)清澈,再加上Rrs(670)遠(yuǎn)小于Rrs(555),過(guò)小的數(shù)值使得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)較為困難,而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是優(yōu)化模型的關(guān)鍵。QAA_V6優(yōu)化模型根據(jù)Austin和Petzold的方法,選取對(duì)水質(zhì)敏感的a(443)i來(lái)估算a(555),參數(shù)根據(jù)吸收系數(shù)進(jìn)行調(diào)整[6]:

      (24)

      412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖如圖6所示。

      由圖6可以看出,改進(jìn)后的a(555)結(jié)果明顯改善,特別是在高值區(qū)域,R2由0.81提高為0.91,RMSE由0.20降為0.03,MRE由0.68降為0.13。延續(xù)QAA_V6模型的分類方法,將數(shù)據(jù)分為2簇,選取不同的參考波段。在ICESCAPE中,可以根據(jù)實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)直接擬合η值,共14個(gè)數(shù)據(jù)值,反演的bb(443)相關(guān)性由0.66到0.84;MALINA數(shù)據(jù)缺少實(shí)測(cè)后向散射系數(shù),將實(shí)測(cè)的總吸收系數(shù)代入到QAA_V6模型,讓?duì)窃?~3之間迭代,直到反演與實(shí)測(cè)的a在5個(gè)波段中的平均相對(duì)誤差小于0.20,迭代停止,得到參考η值。當(dāng)Rrs(670)<0.001 5 sr-1,η與rrs(443)/rrs(555)的R2由0.47提高為0.57;當(dāng)Rrs(670)≥0.001 5 sr-1,η與rrs(443)/rrs(555)的R2提也提高為0.57。根據(jù)a(555)反演的其他4個(gè)波段的總吸收系數(shù)也緊緊圍繞在1∶1擬合線附近。

      QAA_V6模型將a(λ)劃分為adg(λ)和aph(λ)依賴參數(shù)ζ和ξ。通過(guò)擬合光譜比率(rrs(443)/rrs(555))與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)aph(412)/aph(443)求得ζ,adg(412)/adg(443)求取S,進(jìn)而得到ξ:

      (25)

      ξ=exp[S(442.5-415.5)]。

      (26)

      412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖如圖7所示。優(yōu)化模型反演的adg(443)改善明顯,尤其是在高值區(qū)域,基于adg(443)反演的adg(λ)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性也取得較為滿意的結(jié)果,R2均大于0.85。

      圖6 412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)a的散點(diǎn)圖

      圖7 412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)adg的散點(diǎn)圖

      QAA_V6模型反演的aph出現(xiàn)了大量負(fù)值,約占總數(shù)據(jù)的20%~43%,在統(tǒng)計(jì)分析中會(huì)被刪除。本文對(duì)誤差源進(jìn)行敏感性分析,按照控制變量的原則,對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)參數(shù)η是QAA模型反演出現(xiàn)負(fù)值的主要原因,與Zheng等[31]的結(jié)果相一致,模型反演的bb(λ)一般會(huì)高估短于551 nm波長(zhǎng)的后向散射和吸收系數(shù),并可能在北冰洋的反演中產(chǎn)生負(fù)值。優(yōu)化后的aph負(fù)值個(gè)數(shù)約占總數(shù)據(jù)的18%~35%。412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖如圖8所示。由圖8可以看出,aph(555)整體下降,更接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),且在412~510 nm處,反演結(jié)果均有所改善,R2提高為0.60左右,但是在555 nm處,R2為0.29,仍不理想。優(yōu)化模型反演的a和adg與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合,但是aph和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生了較大的偏差,很大原因是受氣候影響,在北冰洋中,有色溶解和碎屑顆粒物對(duì)總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)更大。

      圖8 412,443,490,510和555 nm處QAA_V6和改進(jìn)模型反演和實(shí)測(cè)aph的散點(diǎn)圖

      QAA_V6模型優(yōu)化前后3個(gè)吸收系數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖9所示。由圖9可以看出,adg(λ)的R2有所下降,但整體保持在0.85以上,aph(λ)的R2明顯提高;除了adg(555)的MRE稍增大,RMSE和MRE均取得了令人滿意的結(jié)果。其中,adg(412),adg(443),aph(555)和a(555)的誤差大幅下降。

      3個(gè)模型反演的3個(gè)吸收系數(shù)中,浮游植物吸收系數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異最大,很大可能是由于模型的性能。早先的研究表明,局部生物光學(xué)模型應(yīng)優(yōu)先于全局模型[36],但是優(yōu)化參數(shù),提高模型的整體性能并不簡(jiǎn)單,因?yàn)槟P褪歉叨确蔷€性的,有大量的潛在的聯(lián)系。此外,400~520 nm是浮游植物中多種輔助色素的吸收譜段,導(dǎo)致浮游植物吸收系數(shù)與葉綠素a的相關(guān)性降低[35]。輸入數(shù)據(jù)Rrs(λ)的準(zhǔn)確性對(duì)模型反演的結(jié)果至關(guān)重要,但是,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常包含由各種實(shí)驗(yàn)和環(huán)境因素引起的大量不確定性,這也是模型反演產(chǎn)生誤差的一個(gè)不可避免的來(lái)源。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      基于北冰洋的數(shù)據(jù),測(cè)試LMI,GSM和QAA_V6三個(gè)反演模型在北冰洋的適用性。研究發(fā)現(xiàn):① QAA_V6模型反演結(jié)果最好,GSM次之,LMI模型的反演結(jié)果出現(xiàn)多個(gè)負(fù)值,可能不適合北冰洋的反演;② 3個(gè)模型均在555 nm處得到較差的反演結(jié)果;③ 根據(jù)北冰洋特有的光學(xué)特性優(yōu)化的GSM模型,其反演結(jié)果仍不如QAA_V6模型;④ 用555 nm代替670 nm作為參考波段,QAA_V6優(yōu)化模型反演的a與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性更高。

      精確的參數(shù)是模型優(yōu)化成功的關(guān)鍵。本文建立了適用于北冰洋的QAA_V6優(yōu)化模型,為水域反演提供了更全面的參考,但水域的光學(xué)性質(zhì)變化很大,受到實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)和采樣環(huán)境的限制,未來(lái)還需要更多的北冰洋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提高模型的性能。

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