近日，厦门大学海洋与地球学院光学海洋学实验室（OOL）、海洋生物地球化学全国重点实验室（MEL）、鹭江创新实验室（Fujian-OI）的上官明佳教授团队以“Active Remote Sensing Reflectance Measurement Using White-Light Lidar: Monte Carlo Simulations”为题，在Journal of Remote Sensing期刊发表最新研究结果。本研究创新性地提出白光激光雷达主动测量遥感反射比（R_rs），通过蒙特卡洛辐射传输模拟验证了该方法的可行性，并系统揭示了影响其测量精度的关键因素，为主动海洋水色遥感新技术发展、激光雷达系统优化设计及主被动遥感协同观测提供了理论依据。

图1. （A）被动测量R_rs示意图和（B）本研究提出的白光激光雷达测量R_rs示意图 

研究背景

遥感反射比R_rs是反演叶绿素a浓度、悬浮颗粒物及有色溶解有机物等水体生物光学参数的关键输入。R_rs测量的准确性直接决定海洋水色反演产品的精度与可信度，是开展卫星水色遥感真实性检验和替代定标的重要基础。然而，目前R_rs主要依赖太阳辐射，传统的水面、水上或水下观测方法，受太阳光照、天空光反射、海面波动及观测时间等因素限制，在夜间、高纬度地区及复杂海况下难以实现稳定、高精度测量。

为突破传统被动测量方法的局限，白光激光雷达利用宽光谱激光作为可控主动光源，可在400-720 nm波段实现主动照明，为测量R_rs提供了新的技术途径。然而，主动激光雷达测量与传统被动R_rs测量在照明方式和观测几何上存在本质差异，两种方法的测量结果之间的对应关系，以及主动测量方法受平台高度、接收视场、水体光学特性等因素的影响机制尚不明确。

研究亮点

本研究基于蒙特卡洛辐射传输模型，提出了一种基于白光激光雷达的主动式R_rs测量方法，构建了由被动后向蒙特卡洛模型（PB-SMC）、主动前向标准蒙特卡洛模型（AF-SMC）和主动前向半解析蒙特卡洛模型（AF-SAMC）组成的完整辐射传输模拟框架，并通过与Hydrolight模拟结果进行对比，验证了模型的准确性。研究首次建立了主动激光雷达测量信号与传统海洋水色遥感反射比之间的理论联系，为主动式海洋水色遥感提供了新的技术路线和理论基础。

在此基础上，本研究系统分析了影响主动R_rs测量精度的关键因素。结果如图2所示，雷达回波信号中多次散射信号的占比越高，R_rs的测量误差越低。其中，FOV增大或平台高度提高均可提高雷达回波信号中多次散射信号的占比，从而显著降低测量误差。此外，如图3所示，水体固有光学特性（IOPs）、散射相函数（SPF）以及海面状态均通过影响光子的空间分布来影响回波信号中多次散射信号的占比，最终影响主被动R_rs测量结果的一致性。

图2. 不同平台高度（H）条件下的R_rs,L及误差分析（FOV = 80 mrad）。第一行子图（A–D）展示了在4种叶绿素a浓度（0.01、0.10、1.00和5.00 mg/m³）条件下，AF-SAMC重构的R_rs,L与参考光谱R_rs,H的对比，其中每一列对应一种Chl浓度。第二行子图（E–H）展示了R_rs,L和R_rs,H的相对偏差APE₄，第三行子图（I–L）展示了R_rs,L和R_rs,H中多次散射占比的对比。

图3. 主被动R_rs测量一致性的主要影响因素示意图

本研究进一步针对船载、机载（500 m和3000 m）和星载等不同观测平台开展了雷达系统参数优化分析。如图4所示，船载平台（10 m）由于望远镜的接收足印过小，即使采用较大的接收视场，仍难以充分采集多次散射信号，主被动R_rs在红光波段的相对偏差可达90%，400-720 nm波段平均相对偏差（MAPE）可达60%。500 m机载平台能够满足多数一类水体的测量需求，但对于极清洁水体仍需要更大的接收视场：在叶绿素a浓度为0.01 mg/m³时，主被动R_rs在红光波段的相对偏差可达60%，MAPE可达50%。而3000 m机载平台在多数水体条件下可实现高精度R_rs探测：在叶绿素a浓度0.01-5.00 mg/m³范围内，当接收视场大于20 mrad时，主被动R_rs的MAPE可控制在10%以内。如图5所示，星载平台（500 km）由于具备更大的接收足印，可实现高精度主动R_rs测量的能力。当接收视场大于0.5 mrad时，主被动R_rs的相对偏差可控制在15%以内。该研究成果为未来白光激光雷达系统设计、平台参数优化以及海洋水色主动遥感应用提供了理论指导和技术支撑。

图4. 当H = 3000 m 时，主被动R_rs的相对偏差APE₄与波长和接收视场角关系的三维图。子图展示了四种叶绿素a浓度条件下的结果：(A) Chl = 0.01 mg/m³；(B) Chl = 0.10 mg/m³；(C) Chl = 1.00 mg/m³；(D) Chl = 5.00 mg/m³

图5. 当H = 500 km时，AF-SAMC 模拟得到的R_rs,L与参考值R_rs,H在4种叶绿素a浓度下的对比：（A）Chl = 0.01 mg/m³；（C）Chl = 0.10 mg/m³；（E）Chl = 1.00 mg/m³；（G）Chl = 5.00 mg/m³。右列子图展示了相应Chl浓度下R_rs,L与参考值R_rs,H之间的相对偏差APE₄。

研究小结

本论文首次系统建立了白光激光雷达主动测量R_rs的理论框架，并通过蒙特卡洛模拟证明了该方法的可行性。研究表明，雷达回波信号中多次散射信号的占比决定了R_rs的测量精度；对于高空机载和星载平台，通过合理设计接收视场即可实现高精度主动R_rs测量。该研究为未来全天时、全天候海洋水色遥感以及水色卫星在轨定标技术的发展提供了重要理论依据。

研究团队及资助

本论文共同第一作者为厦门大学2024级硕士研究生廖卓阳、上官明佳教授和中国海洋大学商哲海讲师，通讯作者为上官明佳教授，合作作者还包括李忠平教授和胡永祥教授。本研究得到国家自然科学基金项目（42476184）和厦门市自然科学基金面上项目（3502Z202473033）的资助。

论文来源及链接

Liao Z, Shangguan M, Shang Z, Lee Z, Hu Y. Active Remote Sensing Reflectance Measurement Using White-Light Lidar: Monte Carlo Simulations. Journal of Remote Sensing. 2026;6:1066. https://doi.org/10.34133/remotesensing.1066

供稿：上官明佳团队

编辑：苏颖 房月

审核：余小龙 曹知勉 钟书库