亞得里亞海平臺(tái)上對(duì)一些最常用的科學(xué)光學(xué)傳感器（輻射計(jì)）進(jìn)行了為期 10 天的測(cè)試。圖片來(lái)源：普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室

由普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室牽頭的一組海洋光學(xué)專家，利用一個(gè)由社區(qū)開發(fā)的處理器，對(duì)水上光學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估，以生成最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，用于衛(wèi)星海洋顏色驗(yàn)證，并有助于監(jiān)測(cè)沿海海域和全球海洋的健康狀況。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》雜志上。

從海洋的顏色中，我們可以了解到很多關(guān)于海洋環(huán)境狀況的信息。陽(yáng)光與水中的不同物質(zhì)相互作用，比如浮游植物、沉積物和溶解的有機(jī)物，這些物質(zhì)會(huì)吸收或散射不同波長(zhǎng)的光子。

這種吸收和散射會(huì)導(dǎo)致 “顏色” 的光譜變化，科學(xué)家們可以通過(guò)研究這些變化來(lái)確定水中存在的物質(zhì)，而不必進(jìn)行直接的水中測(cè)量。

地球觀測(cè)科學(xué)家需要確保測(cè)量從海洋反射的光的儀器能給出一致的結(jié)果，特別是因?yàn)檫@些儀器被用于驗(yàn)證衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為了確保環(huán)境測(cè)量以及由此產(chǎn)生的處理數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量和高水準(zhǔn)，全球許多實(shí)驗(yàn)室都使用相同的公認(rèn)質(zhì)量管理體系（ISO）來(lái)收集數(shù)據(jù)。

光學(xué)和遙感科學(xué)家們通過(guò)收集 “基準(zhǔn)參考測(cè)量數(shù)據(jù)”，將數(shù)據(jù)質(zhì)量提升到了一個(gè)更高的水平�！盎鶞�(zhǔn)參考測(cè)量數(shù)據(jù)” 是一種由科學(xué)界和航天機(jī)構(gòu)（如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT））開發(fā)并采用的標(biāo)準(zhǔn)。

在過(guò)去的 25 年里，有許多研究對(duì)光學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較，雖然差異在合理范圍內(nèi)，但誤差往往比預(yù)期的要大。

這些研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，數(shù)據(jù)處理方式的不同會(huì)導(dǎo)致誤差，這些誤差會(huì)掩蓋傳感器的真實(shí)性能，同時(shí)也凸顯了對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的不確定性估計(jì)以及采用一致的數(shù)據(jù)處理方法的必要性。此外，還確定了開發(fā)一個(gè)社區(qū)范圍內(nèi)的開源社區(qū)處理器的需求。

方法與發(fā)現(xiàn)

來(lái)自歐盟和美國(guó)的國(guó)際海洋光學(xué)專家研究團(tuán)隊(duì)，在亞得里亞海對(duì)一些在美國(guó)和歐洲常用的最受歡迎的科學(xué)光學(xué)傳感器（輻射計(jì)）進(jìn)行了為期 10 天的測(cè)試，這些傳感器包括 Sea-Bird HyperSAS 和 TriOS-RAMSES。然后，使用開源社區(qū)處理器 HyperCP 對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

該團(tuán)隊(duì)使用了兩種不同的方法來(lái)處理數(shù)據(jù)并確定相關(guān)的不確定性：

1. 基于傳感器特性的處理：當(dāng)使用每個(gè)儀器的獨(dú)特特性時(shí)，各系統(tǒng)之間的差異很��；大多數(shù)光學(xué)測(cè)量的變化約為 2%，與離水輻射相關(guān)的特定測(cè)量的變化為 2.5%。這些測(cè)量的誤差或不確定性保持在較低水平，約為 1.5% 至 5%。

2. 基于類別特性的處理：當(dāng)對(duì)每個(gè)儀器類型（Sea-Bird 或 TriOS）使用通用的校準(zhǔn)特性時(shí)，儀器之間的差異明顯更大。

該研究表明，強(qiáng)烈建議使用具有傳感器特定特性的 HyperCP，以減少相關(guān)的不確定性，并為衛(wèi)星海洋顏色驗(yàn)證生成最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。以這種方式定制數(shù)據(jù)處理，使整體測(cè)量結(jié)果更加精確可靠，適用于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

該研究的第一作者、普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室的生物光學(xué)海洋學(xué)家加文・蒂爾斯通博士評(píng)論道：“我們很高興能分享這種用于衛(wèi)星海洋顏色驗(yàn)證的光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)處理的變革性方法。在這項(xiàng)研究之前，對(duì)于海洋顏色光學(xué)領(lǐng)域使用的一些最常用的輻射計(jì)，我們無(wú)法給出可靠的不確定性估計(jì)。這個(gè)社區(qū)處理器的開發(fā)將顯著提高人們對(duì)用于海洋顏色研究的數(shù)據(jù)的信心，這對(duì)氣候變化和水質(zhì)研究至關(guān)重要。”

“由于這個(gè)社區(qū)處理器是開源的，這意味著各個(gè)國(guó)家、小型組織和年輕科學(xué)家都可以廣泛使用它。在此之前，他們可能沒(méi)有相關(guān)知識(shí)、技術(shù)專長(zhǎng)和處理能力，無(wú)法將光學(xué)數(shù)據(jù)處理到如此高的標(biāo)準(zhǔn)�！�

該研究的共同作者、普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室的地球觀測(cè)科學(xué)家湯姆・喬丹博士評(píng)論道：“這項(xiàng)研究的一個(gè)重要方面是，它證明了 HyperCP 計(jì)算出的不確定性與不同傳感器在實(shí)地測(cè)量的變異性之間的一致性。展望未來(lái)，這讓我們更加有信心將多個(gè)傳感器和實(shí)地部署結(jié)合起來(lái)，為衛(wèi)星海洋顏色驗(yàn)證提供可靠的參考�！�

增強(qiáng)型社區(qū)處理器，許多國(guó)家的青年研究人員也通過(guò)特定的培訓(xùn)活動(dòng)學(xué)習(xí)如何使用它。大量的用戶群體和個(gè)人已經(jīng)在使用這個(gè)

全球數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了使數(shù)據(jù)被 NASA、ESA 和 EUMETSAT 等機(jī)構(gòu)接受使用，這些數(shù)據(jù)需要達(dá)到 “基準(zhǔn)參考測(cè)量” 的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這是用于驗(yàn)證和支持衛(wèi)星海洋顏色任務(wù)的主要輻射數(shù)據(jù)的最高質(zhì)量、公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。要達(dá)到這個(gè)質(zhì)量水平，需要滿足四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

1. 遵循公認(rèn)的衛(wèi)星驗(yàn)證協(xié)議。

2. 應(yīng)用可溯源的國(guó)際單位制（SI）標(biāo)準(zhǔn)。

3. 包含測(cè)量的不確定性估計(jì)。

4. 所有傳感器都要通過(guò)國(guó)際實(shí)地比對(duì)進(jìn)行評(píng)估。

該研究的共同作者、美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的高級(jí)研究科學(xué)家德克・奧林博士總結(jié)了衛(wèi)星海洋顏色處理標(biāo)準(zhǔn)化的歷史，以及這項(xiàng)研究如何推動(dòng)解決標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題：“美國(guó)國(guó)家航空航天局的衛(wèi)星海洋顏色處理標(biāo)準(zhǔn)化始于 20 世紀(jì) 90 年代的 SeaWiFS 項(xiàng)目，最終開發(fā)出了免費(fèi)分發(fā)的軟件 SeaDAS，如今該軟件適用于大多數(shù)美國(guó)和國(guó)際海洋顏色任務(wù)�！�

“然而，用于驗(yàn)證這些軌道任務(wù)的原位輻射測(cè)量數(shù)據(jù)處理，在社區(qū)處理器 HyperCP 發(fā)布之前并沒(méi)有類似的標(biāo)準(zhǔn)化。HyperCP 源于 2019 年美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)衛(wèi)星驗(yàn)證協(xié)議的最新修訂，如今已發(fā)展成為一項(xiàng)國(guó)際合作成果，涉及美國(guó)和歐洲的航天機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私營(yíng)部門�！�

“本文強(qiáng)調(diào)的實(shí)地活動(dòng)是 HyperCP 首次被用于將不同實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的不同制造商的多個(gè)并置原位輻射測(cè)量平臺(tái)的不確定性和差異降至最低，這證明了使用便攜式現(xiàn)成的商業(yè)儀器收集實(shí)地輻射測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量足以按照國(guó)際海洋顏色協(xié)調(diào)小組（IOCCG）的協(xié)議和基準(zhǔn)參考測(cè)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行海洋顏色衛(wèi)星驗(yàn)證。”

該研究的共同作者、塔爾圖大學(xué)副教授里霍・文特博士繼續(xù)說(shuō)道：“常規(guī)的比對(duì)測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證地球觀測(cè)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。這項(xiàng)最新的比對(duì)引入了使用開源 HyperCP 社區(qū)處理器的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理方法，使其與廣泛接受的處理標(biāo)準(zhǔn)保持一致，并進(jìn)行深入的不確定性分析。這是在驗(yàn)證基于衛(wèi)星的地球觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的最高質(zhì)量方面向前邁出的重要一步�！�

下一步是將新的傳感器以及包含不確定性估計(jì)的傳感器納入社區(qū)處理器，以繼續(xù)提高人們對(duì)海洋顏色衛(wèi)星數(shù)據(jù)的信心。

這項(xiàng)研究是衛(wèi)星海洋顏色基準(zhǔn)參考測(cè)量（FRM4SOC）第二階段項(xiàng)目的一部分。HyperCP 的開發(fā)由美國(guó)國(guó)家航空航天局的 HyperInSPACE 項(xiàng)目和維多利亞大學(xué)的 PySciDON 軟件處理包發(fā)起，目前由來(lái)自 NASA、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）、EUMETSAT、普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室（PML）等機(jī)構(gòu)的國(guó)際專家科學(xué)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行。

更多信息：加文蒂爾斯通等人，《使用開源社區(qū)處理器對(duì)基準(zhǔn)參考測(cè)量進(jìn)行輻射實(shí)地比對(duì)》，《光學(xué)快報(bào)》（2025 年）。DOI: 10.1364/OE.551042

期刊信息：《光學(xué)快報(bào)》

由普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室提供

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