以海洋一号C/D卫星中国水色水温扫描仪［COCTS （HY-1C/D）］的光学薄膜研制为例，介绍了海洋水色定量化遥感中应用的光学薄膜技术。在单片基片的不同通道区域依次镀制多块滤光膜以抑制杂散光的产生，充分研究了光束空间角频率分布带来的光谱及偏振影响，实现了5%带宽的定位精度，将通道滤光膜对偏振灵敏度的影响降到0.3%以下，采用双离子束溅射工艺来保证膜层的可靠性和光谱性能。此外，通过光学薄膜元件的偏振调控设计以及元件间的偏振补偿，实现了系统偏振灵敏度达到国际先进水平，0°扫描角时的平均偏振灵敏度小于1%。光学薄膜技术的应用有效提升了海洋水色的定量化遥感质量，结合大气校正，COCTS （HY-1C/D）获得的水色产品数据量化精度与美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见光红外成像辐射仪（VIIRS）相当。

精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。 传统的剖面法、 水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw), 后处理过程比较复杂, 不确定性较大。 天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单, 能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。 但目前为止, 国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统, 因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。 作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上, 介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况, 详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。 通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。 该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能, 其变异系数均小于5%, 将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比, 表现出良好的一致性, 证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。 连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。 论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、 数据质量控制、 数据高频获取、 浮标姿态记录、 多要素联合观测、 长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。 综上所述, 基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测, 以及水体光学特性的快速变化动态跟踪, 有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率; 基于该系统, 在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集, 有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。

星上定标光谱仪(SCS)是HY-1C搭载的标准定标载荷,用于实现对同平台上其他多光谱载荷的辐射定标。基于星上定标光谱仪获得的星上定标结果,与MODIS的影像数据进行交叉定标,比较星上定标光谱仪与MODIS对相同地面区域的辐亮度数据和反射率数据,实现了对星上定标精度的评估与验证。通过对4次定标数据的处理和分析,结果表明,两者的最大相对偏差小于3%,满足同平台其他载荷的定标要求。

针对我国海洋遥感定标检验技术, 提出海洋水体皮温-体温模型, 将海洋皮温测量精度提高至0.3℃.模型皮温数据来源于自主研制架设在南海北部PY-301石油平台上的无人值守自动多波段红外辐射系统, 通过标准黑体标定、光阑校正、天空光校正, 使海水皮温测量精度优于±0.5℃.基于模型分析了风速对海洋皮温和体温差值的影响, 并用所提模型与Donlon模型对海洋皮温测量值进行风速修正, 修正后两者偏差分别为－0.007 6±0.297 1℃和0.044 6±0.324 8℃.结果证明该模型有效且能够提高海洋皮温的测量精度.

在石油类污染水体中, 油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构, 影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。 将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、 美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测, 构成后向散射系数光谱测量系统, 分别测量不同水样的散射强度电压值、 粒径分布及粒径浓度、 后向散射系数等参数, 提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。 选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比, 获取不同特性水样, 测定相关数据。 首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ); 其次, 建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式; 再次, 根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo; 最后, 利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ), 分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。 分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性, 另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。

石油类物质对水体吸收系数的影响主要通过黄色物质(CDOM)体现出来, CDOM和石油类物质皆具有荧光基团, 如果两者的荧光图谱各自特征明显的话, 那么有望利用荧光技术分离出水中石油物质和CDOM各自对水体总吸收系数的贡献, 从而提高水体石油类物质含量的遥感反演精度。 以大连周边海水和山区水库水为自然水体本底, 分别与取自采油污水厂和炼油污水厂的污水进行混合配比, 利用试验数据分析了仅含CDOM、 含油与CDOM混合、 仅含石油三种水样的荧光图谱特征, 旨在为利用荧光技术分离出水中石油物质和CDOM各自对水体总吸收系数的贡献提供依据。 分析结果表明: (1)自然水体中, 海水的CDOM具有三个典型荧光峰, 分别位于Ex:225-230 nm/Em:320～330 nm, Ex:280 nm/Em:340 nm和Ex:225-240 nm/Em:430～470 nm, 为海水叶绿素碎屑物所致; 淡水具有两典型荧光峰, 分别位于: Ex: 240～260 nm/Em: 420～450 nm和Ex: 310～350 nm/Em: 420～440 nm, 为陆源物质所致; (2)用正己烷萃取后的仅含油水样, 具有1～3个荧光峰, 分别位于Ex: 220～240 nm/Em: 320-340 nm, Ex:270～290 nm/Em: 310～340 nm和Ex: 220～235 nm/Em: 280～310 nm, 为各自烃类成分所致; (3)在自然水体中混入油污水后, 含油和CDOM的水样荧光图谱呈现出一个非常强的荧光峰, 位于Ex: 230～250 nm/Em: 320～370 nm, 为CDOM和石油类物质荧光成分共同作用所致。

水色遥感反演算法中半分析模型的建立需要已知水体固有光学量, 文章基于现场实测数据建立了由遥感反射率反演固有光学量模型。 对2003年春季黄东海航次所测数据进行了介绍, 详细阐述了遥感反射率、 颗粒物后向散射和吸收系数的测量方法。 基于生物光学模型, 利用单纯形优化算法由遥感反射率来反演水体固有光学量, 并将反演结果与实测数据进行了比较, 除水之外物质吸收系数的均方根相对误差小于33％, 颗粒物后向散射系数则小于30％, 对引起误差的原因进行分析表明, 本研究方法能够为黄东海水体固有光学量的反演提供一条有效途径, 为遥感数据应用于黄东海水体生物光学特性的研究提供一个参考模型。

根据2008年5月和2009年8月在辽宁省盘锦市石油类污染水体配比试验和现场试验获取的光学特性数据及生物化学特性数据, 分析了石油类含量和后向散射系数数据的关系。 结果表明: 河口区的后向散射系数幂律指数遵循随着悬浮物浓度增加而减小的对数变化规律； 440～856 nm波长范围内单位后向散射系数在0.006～0.035 m2g-1之间, 并且随波长增加而减小； 石油类含量对后向散射系数的影响集中反映在石油类单位后向散射系数(单位石油类含量的后向散射系数)上, 石油类单位后向散射系数与石油类含量呈乘幂变化规律, 且随波长的增加而减小； 石油类含量对后向散射系数幂律指数影响小。