水体总悬浮物(TSS)会影响光在水体中的传播过程及水体的生态功能,在水生生态系统中起着重要作用。基于2009~2014年在太湖、巢湖、鄱阳湖、珠江口和大亚湾采集的生物-光学数据,分析了TSS浓度变化的遥感响应波段,构建了海岸带和内陆水体TSS浓度遥感定量估算模型,并结合VIIRS(Visible infrared imaging radiometer suite)卫星遥感数据揭示了水体TSS浓度的时空分布特征。结果表明,由不同水体组分贡献的比值模型[R_rs(865)/k_d(555)]可以解释81%的TSS浓度变化,其中,R_rs(865)为865 nm处的遥感反射比,k_d(555)为555 nm处的水体衰减系数。相比已报道的其他经验模型,本模型的估算精度有明显提高。验证结果表明,该模型可适用于海岸带和内陆水体,将其应用于预处理后的VIIRS卫星遥感数据,揭示了太湖和珠江口水域水体TSS浓度的空间和季节变化规律。

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。

针对现有计算蓝绿激光在水下的衰减时, 同类海水采用固定衰减系数估算, 而实际不同海域的衰减系数存在差异, 导致某些理论可行的区域无法正常通信的问题, 提出结合透明度遥感观测数据计算蓝绿激光在水下透过率的新方法。根据中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据反演黄海部分海域蓝绿激光衰减系数, 分析黄海衰减系数的时空分布特点, 并估算水下50 m的透过率, 评估蓝绿激光通信的可行性。分析结果表明: 透明度越高, 衰减系数越小, 传输距离一定时透过率越高；透明度大于5.295 m时, 激光在水下50 m的衰减小于40 dB, 可以进行蓝绿激光通信。

总悬浮物(TSM)是海洋水质和水环境评价的主要参数之一。 舟山海域位于杭州湾边缘, 泥沙含量多, 总悬浮物长期处于高浓度状态, 其分布与动态变化对近岸水质、 水循环以及该区域的渔业、 旅游业都有较大影响。 Landsat-8卫星影像作为一种应用广泛、 空间分辨率高、 便于获取的光学信息, 可以为舟山海域的TSM观测提供有力的技术手段。 利用舟山近岸海域实测TSM吸收系数ap(440)和水面光谱, 开发了基于Landsat-8反演TSM的最优模型, 发现基于近红外和蓝色波段比B5/B2的S-函数和线性函数模型反演精度较好, 相对于线性模型, S-函数具有更强的鲁棒性, 该模型形式为ap=3.72/(0.009+e-5.249B5/B2), 克服了常用函数模型(如线性、 对数、 指数函数)应用于实际卫星影像时出现光谱幅度范围受限的困难。 海岸带内陆复杂水体水色遥感的另一难点是大气校正, 以往的研究往往只采用某种大气校正模型, 但该模型不一定适合研究水域, 从而使得校正结果并不一定是最优的。 在本研究中, 验证比较了FLAASH, 6S和ACOLITE三种大气校正方法面向Landsat-8水色反演的校正结果, 发现ACOLITE方法获取的光谱形状最准确, 误差最小, 特别在蓝色波段, 明显好于FLAASH和6S方法。 将最优模型应用于舟山近岸海域2013到2018年的10幅Landsat-8图像。 实测数据和反演结果显示: 舟山近岸海域的TSM吸收系数ap(440)的变化范围在1.64～417.04 m-1, 均值118.47 m-1, TSM吸收占水体总吸收的90%以上, 该海域实测的水面光谱形状呈现典型的河口海岸带复杂浑浊水体的光谱特征, 很多光谱曲线具有双峰特征, 遥感反射率幅值较大, 特别是红色、 近红外波段, 由于受河口高浓度TSM的影响, 遥感反射率高于远海较清洁的海水; 衢山、 洋山、 宁波等近岸区域的TSM浓度明显高于东极、 嵊泗等远海区域, 随河口羽化区呈现由高到低的梯度变化, 在近岸区域分布复杂, 外海区域分布较为均匀。 在时间分布上具有冬季浓度远高于夏季的特点, 其中12月最高, 最大值为413.32 m-1, 8月最低, 最小值为3.69 m-1, 5月、 10月期间也有TSM的局部峰值。 这些TSM时空变异特征表明舟山海域悬浮物的分布和变化一方面受地形、 海流、 潮汐、 季风、 台风等自然环境因素的影响, 另一方面也受如海运、 港口建设、 海岛旅游等人类活动的较大影响。

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。 偏振信息是遥感数据空间、 辐射、 光谱信息之外的又一重要信息。 对于光学遥感数据来说, 偏振信息是对光谱信息的又一种补充。 偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力, 其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射, 从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。 太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用, 使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。 目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体, 要么面向室内人造光源条件下的模拟水体, 鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。 本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜, 实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。 利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱, 定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性, 以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。 当观测方位角为135°、 观测天顶角为53°时, 采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好, 推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。 相比于传统的非偏振水面光谱测量方法, 水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小, 能够更精确的提取离水辐射。

静止轨道海洋水色成像仪(GOCI)拥有高时间分辨率(1 h)和高空间分辨率(500 m×500 m)的观测优势。为了保证GOCI应用的可靠性，对其遥感产品进行检验极为重要。利用辽东湾春季航次观测数据，对4 种二类水体大气校正算法[Korea Ocean Satellite Center(KOSC)校正算法、management unit mathematics models(MUMM)校正算法、紫外(UV)校正算法和近红外(NIR)校正算法]获得的GOCI 遥感反射率产品及GOCI 标准叶绿素浓度、悬浮物浓度遥感产品进行了真实性检验，并探讨了不同观测时相的稳定性。结果表明：KOSC 算法在辽东湾具有最高的校正精度，各波段遥感反射率平均绝对百分比误差(APD)为27.16%(412 nm)、16.03%(443 nm)、13.73%(490 nm)、15.99%(555 nm)、12.83%(660 nm)、12.35%(680 nm)、27.68%(745 nm)、42.81%(865 nm)；叶绿素浓度、悬浮物浓度产品的平均绝对百分比误差分别为29.75%和26.40%。相比于临近中午观测时的结果，GOCI早上和下午观测时反演的结果(包括遥感反射率、叶绿素浓度、悬浮物浓度)与实测值偏差显著增大。

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性, 也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。 当前, 利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。 由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射, 其出射光源可能存在一定的偏振, 进而会影响水体后向散射系数测量的精度。 目前, 关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。 针对该问题, 以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例, 对其出射光源的偏振特性进行了系统测量, 并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。 结果表明, HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%), 其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。 因此, HS-6出射光源具有显著的偏振特性。 光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响, 且影响程度随着波段, 线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。 不同悬浮泥沙浓度下, 光源偏振引起的420, 442, 470, 510, 590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%, 11.27%, 12.79%, 14.43%, 13.76%, 12.46%。 因此, 利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响, 并需尽可能降低出射光源的偏振度。