内陆水体固有光学特性及偏振特性的测量与应用

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固有光学量(InherentOpticalParameters,简称IOPs),是指与入射光场无关,仅与水体固有成分有关的光学量。通过固有光学量来搭建表观光学量(ApparentOpticalParameters,简称AOPs)与水质参数(包括叶绿素a浓度、悬浮物浓度等等)之间的半解析模型,具有更好地理论基础和发展潜力。为了更好地对内陆水体实现业务化的遥感监测,需要建立规范的针对内陆水体的固有光学特性测量方法,对不同的水体的固有光学特性进行测量和分析,分别建立不同的水质参数反演的半解析模型。在建立反演模型的时候,表观光学量的测量同样重要。表观光学量是指随入射光场变化而变化的水体光学参数。通过测量得到的离水辐亮度和入射光辐照度,可以得到遥感反射率。然而由于水体镜面反射现象的存在,导致遥感器接收到的信息不仅仅是带有水体内部信息的离水辐亮度,还有几乎不包含水体内部信息的水面反射光。因此如何剥离这一部分反射光将决定遥感反射率的测量精度。水体偏振光学遥感给这一问题的解决提出了新的思路。  结合以上提出的问题,本文主要集中于IOPs和偏振光学量(PolarizedOpticalProperties,简称POPs)的测量以及在内陆水环境遥感中的应用研究。  首先,本文结合多次的北京城市水体实验经验,总结了个针对内陆水体固有光学量测量与数据处理的流程与方法。进一步,针对测量过程中的五个关键技术(滤膜水合程度、过滤体积确定方法、吸光度测量方法、零值归一化方法和光程放大校正因子)进行深入对比研究,对目前的测量方法提出改进。原理和数据分析结果显示:(1)滤膜在使用前应浸泡60分钟,以减少滤膜间差异性造成的吸收系数测量误差;(2)使用透射方法测量吸收系数时,过滤体积应该不超过927.7/CTSM(ml),以保证测量的吸光度不超过0.4,以满足光程放大校正的前提;(3)针对总颗粒物吸光度测量:当水体是以藻类颗粒物为吸光度主导类型的水体时,首选T-R方法,如果为了提高效率,可以改用T支架法测量;当水体是以非藻类颗粒物为吸光度主导类型的水体时,首选T-R方法,如果为了提高效率,可以改用T积分球法测量;(4)针对非藻类颗粒物吸光度测量时,当水体是藻类颗粒物主导时,首选T支架法进行测量,其次是T-R方法;当水体时非藻类颗粒物主导时,首选T积分球法,其次是T支架法;(5)对于零值归一化方法,均值最小值法效果最好;(6)当使用积分球进行透射方法测量时,光程放大校正系数应该有所不同。  然后,我们利用三脚架、三维云台、ASD光谱仪和偏振镜实现了岸边水体偏振光学测量,总结归纳了开展偏振测量的实验流程,并介绍了测量得到的偏振数据的处理方法。  最后,利用沙厂水库测量得到的固有光学特性,我们分析了其CDOM、颗粒物吸收特性,对水体类型进行判断,建立了固有光学量和水质参数之间的回归关系。结果表明:(1)沙厂水库CDOM为陆源;(2)夏季的沙厂水库为藻类颗粒物主导型,而冬季则为CDOM和非藻类颗粒物共同主导型。同时,研究偏振光学测量剥离水表天空光反射的方法,并利用奥海两个站点的测量数据对其效果进行检验,结果表明:偏振测量去除天空光反射的最佳观测几何是观测天顶角53°,方位角135°,在该角度下进行偏振测量可以去除大部分天空光反射,在525nm-700nm间天空光去除效率达到80%以上。
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