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亞得里亞海平臺上對一些最常用的科學光學傳感器（輻射計）進行了為期 10 天的測試。圖片來源：普利茅斯海洋實驗室

由普利茅斯海洋實驗室牽頭的一組海洋光學專家，利用一個由社區開發的處理器，對水上光學傳感器的準確性進行了評估，以生成最高質量的數據，用于衛星海洋顏色驗證，并有助于監測沿海海域和全球海洋的健康狀況。

這項研究發表在《光學快報》雜志上。

從海洋的顏色中，我們可以了解到很多關于海洋環境狀況的信息。陽光與水中的不同物質相互作用，比如浮游植物、沉積物和溶解的有機物，這些物質會吸收或散射不同波長的光子。

這種吸收和散射會導致 “顏色” 的光譜變化，科學家們可以通過研究這些變化來確定水中存在的物質，而不必進行直接的水中測量。

地球觀測科學家需要確保測量從海洋反射的光的儀器能給出一致的結果，特別是因為這些儀器被用于驗證衛星數據的準確性。

為了確保環境測量以及由此產生的處理數據具有高質量和高水準，全球許多實驗室都使用相同的公認質量管理體系（ISO）來收集數據。

光學和遙感科學家們通過收集 “基準參考測量數據”，將數據質量提升到了一個更高的水平�！盎鶞蕝⒖紲y量數據” 是一種由科學界和航天機構（如美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT））開發并采用的標準。

在過去的 25 年里，有許多研究對光學傳感器的準確性進行了比較，雖然差異在合理范圍內，但誤差往往比預期的要大。

這些研究的一個重要發現是，數據處理方式的不同會導致誤差，這些誤差會掩蓋傳感器的真實性能，同時也凸顯了對測量結果進行詳細的不確定性估計以及采用一致的數據處理方法的必要性。此外，還確定了開發一個社區范圍內的開源社區處理器的需求。

方法與發現

來自歐盟和美國的國際海洋光學專家研究團隊，在亞得里亞海對一些在美國和歐洲常用的最受歡迎的科學光學傳感器（輻射計）進行了為期 10 天的測試，這些傳感器包括 Sea-Bird HyperSAS 和 TriOS-RAMSES。然后，使用開源社區處理器 HyperCP 對收集的數據進行處理。

該團隊使用了兩種不同的方法來處理數據并確定相關的不確定性：

1. 基于傳感器特性的處理：當使用每個儀器的獨特特性時，各系統之間的差異很小；大多數光學測量的變化約為 2%，與離水輻射相關的特定測量的變化為 2.5%。這些測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：當對每個儀器類型（Sea-Bird 或 TriOS）使用通用的校準特性時，儀器之間的差異明顯更大。

該研究表明，強烈建議使用具有傳感器特定特性的 HyperCP，以減少相關的不確定性，并為衛星海洋顏色驗證生成最高質量的數據。以這種方式定制數據處理，使整體測量結果更加精確可靠，適用于環境科學領域的進一步研究和應用。

該研究的第一作者、普利茅斯海洋實驗室的生物光學海洋學家加文・蒂爾斯通博士評論道：“我們很高興能分享這種用于衛星海洋顏色驗證的光學傳感器數據處理的變革性方法。在這項研究之前，對于海洋顏色光學領域使用的一些最常用的輻射計，我們無法給出可靠的不確定性估計。這個社區處理器的開發將顯著提高人們對用于海洋顏色研究的數據的信心，這對氣候變化和水質研究至關重要�！�

“由于這個社區處理器是開源的，這意味著各個國家、小型組織和年輕科學家都可以廣泛使用它。在此之前，他們可能沒有相關知識、技術專長和處理能力，無法將光學數據處理到如此高的標準�！�

該研究的共同作者、普利茅斯海洋實驗室的地球觀測科學家湯姆・喬丹博士評論道：“這項研究的一個重要方面是，它證明了 HyperCP 計算出的不確定性與不同傳感器在實地測量的變異性之間的一致性。展望未來，這讓我們更加有信心將多個傳感器和實地部署結合起來，為衛星海洋顏色驗證提供可靠的參考�！�

增強型社區處理器，許多國家的青年研究人員也通過特定的培訓活動學習如何使用它。大量的用戶群體和個人已經在使用這個

全球數據標準化

為了使數據被 NASA、ESA 和 EUMETSAT 等機構接受使用，這些數據需要達到 “基準參考測量” 的質量標準，這是用于驗證和支持衛星海洋顏色任務的主要輻射數據的最高質量、公認標準。要達到這個質量水平，需要滿足四個標準：

1. 遵循公認的衛星驗證協議。

2. 應用可溯源的國際單位制（SI）標準。

3. 包含測量的不確定性估計。

4. 所有傳感器都要通過國際實地比對進行評估。

該研究的共同作者、美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的高級研究科學家德克・奧林博士總結了衛星海洋顏色處理標準化的歷史，以及這項研究如何推動解決標準化問題：“美國國家航空航天局的衛星海洋顏色處理標準化始于 20 世紀 90 年代的 SeaWiFS 項目，最終開發出了免費分發的軟件 SeaDAS，如今該軟件適用于大多數美國和國際海洋顏色任務�！�

“然而，用于驗證這些軌道任務的原位輻射測量數據處理，在社區處理器 HyperCP 發布之前并沒有類似的標準化。HyperCP 源于 2019 年美國國家航空航天局對衛星驗證協議的最新修訂，如今已發展成為一項國際合作成果，涉及美國和歐洲的航天機構、學術機構和私營部門�！�

“本文強調的實地活動是 HyperCP 首次被用于將不同實驗室運行的不同制造商的多個并置原位輻射測量平臺的不確定性和差異降至最低，這證明了使用便攜式現成的商業儀器收集實地輻射測量數據的能力，這些數據的質量足以按照國際海洋顏色協調小組（IOCCG）的協議和基準參考測量計量標準進行海洋顏色衛星驗證�！�

該研究的共同作者、塔爾圖大學副教授里霍・文特博士繼續說道：“常規的比對測量對于驗證地球觀測數據至關重要。這項最新的比對引入了使用開源 HyperCP 社區處理器的協調數據處理方法，使其與廣泛接受的處理標準保持一致，并進行深入的不確定性分析。這是在驗證基于衛星的地球觀測數據產品的最高質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的傳感器納入社區處理器，以繼續提高人們對海洋顏色衛星數據的信心。

這項研究是衛星海洋顏色基準參考測量（FRM4SOC）第二階段項目的一部分。HyperCP 的開發由美國國家航空航天局的 HyperInSPACE 項目和維多利亞大學的 PySciDON 軟件處理包發起，目前由來自 NASA、英國國家物理實驗室（NPL）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、EUMETSAT、普利茅斯海洋實驗室（PML）等機構的國際專家科學家團隊進行。

更多信息：加文蒂爾斯通等人，《使用開源社區處理器對基準參考測量進行輻射實地比對》，《光學快報》（2025 年）。DOI: 10.1364/OE.551042

期刊信息：《光學快報》

由普利茅斯海洋實驗室提供

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