Hydrolight-软件原理及应用介绍PPT课件.ppt

Hydrolight 软件原理及应用介绍软件原理及应用介绍南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室汇报人：陆超平汇报人：陆超平汇报时间：汇报时间：2011.08.242011.08.242021/6/71南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室汇汇 报报 内内 容容IntroductionIntroductionModels in HydrolightModels in HydrolightRoutines and data filesRoutines and data filesExamplesExamplesAdvicesAdvices2021/6/72南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室v Hydrolight是根据《light and water》利用Fortran语言编写的辐射传输模型它采用不变嵌入法(Invariant Imbedding)求解辐射传输方程以获得辐亮度随水 深 、 天 顶 角 、 方 位 角 、 波 长 的 分 布 变 化 情 况 v该模式可以计算出任意平面平行的水体内部和离开水体的与时间无关的辐射分布，计算水中的光谱强度分布时将其看作是深度、方向和波长的函数。

v模式的输入量包括：水体各组分的浓度、吸收和散射特性、风吹海表的状况（Monte Carlo模拟）和水体底边界的性质，入射在海表面的太阳直接辐射和天空光漫射辐射分布（使用LOWTRAN7计算）；v模式的输出量可以根据需要来确定，如各种辐射强度、反射系数、平均余弦、K函数，以及最低点和最高点上的辐射强度，甚至还能计算出整个辐射场的分布（分为两部分：太阳直接入射辐射和天空光漫射辐射）、辐射K函数、路径函数等 Introduction2021/6/73南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室v 注意：Hydrolight只是一个用于模拟辐射传输的模型软件，它并不是关于水体光学性质的模型，所以在运用该软件时，是需要用户自己提供待模拟水体的固有光学参数vHydrolight软件模拟的输出值比仪器实际测量值要准确，因为它没有仪器测量时的误差，而模拟的准确度与输入参数的精度有关，这就要求我们要对输入参数的误差进行控制 Introduction2021/6/74南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室Models in HydrolightModels in HydrolightvHydrolight在模拟时需要输入众多模型，包括：水特固有光学参数，天空辐射分布（sky radiance distributions），底部边界反射等。

用户在操作软件的时候可以选择软件自带的前人建立的模型，也可以导入自己建立的符合自己研究区域的模型ØIOP ModelsIOP ModelsØSpecific-Absorption ModelsSpecific-Absorption ModelsØSpecific-Scattering ModelsSpecific-Scattering ModelsØBottom-Reflectance ModelsBottom-Reflectance ModelsØSky ModelsSky ModelsØInelastic-Scattering ModelsInelastic-Scattering Models2021/6/75南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 IOP Models IOP ModelsvHydrolight中包含一些关于吸收和散射的模型，这些模型都是关于深度和波长的函数，不同的模型被封装在各自的文件中，文件列表如表1所示v在Hydrolight中总吸收和总散射是采用各组分线性加和得到2021/6/76南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 IOP Models IOP ModelsvABPURE. ABPURE. 该文件中包含的是纯水的吸收和散射，用户可以选择自带的Pope and Fry (1997), Smith and Baker(1981)模型读取一个外部的a和b。

vABCONST. ABCONST. 该模型给出的是均匀水体在单一波长的总吸收和散射模型不能用于实际水体，只是用于理想化的辐射传输研究vABCASE1. ABCASE1. 该模型是基于“Gordon-Morel” 模型改写的一类水体模型(Morel and Maritorena, 2000)2021/6/77南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 IOP Models IOP ModelsvABCASE1H. ABCASE1H. 该模型将水体总吸收和总散射分为四种成分的加和，包括纯水、（大）微生物粒子、CDOM（富里酸和腐殖酸）、（小）矿物颗粒模型假设腐殖酸和富里酸没有散射，矿物颗粒无吸收微生物和矿物粒子的散射相函数是基于Kopelevich (Light and Water, Table 3.13）vABCASE2. ABCASE2. 该模型是二类水体通用的四组份固有光学模型，包括纯水、藻类颗粒物、CDOM和非藻类颗粒物vABACBB. ABACBB. 该模型是以WETLabs ac-9 测量值作为吸收和散射输入的模型需要注意的是要想用Hydrolight获得较好的结果，需要对输入数据进行质量控制vABOTHER. ABOTHER. 该模型中的所有固有光学参数模型都由用户输入。

2021/6/78南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Specific-Absorption Specific-Absorption ModelsModelsv叶绿素的比吸收：叶绿素的比吸收：系统自带的Chl比吸收存放在文件..\data\defaults\astarchl.txt 中，曲线如下图：在运用软件时，用户可以自行输入待研究区域的Chl比吸收，文件格式和astarchl.txt 一致v无机悬浮物的比吸收：无机悬浮物的比吸收：系统自带了不同类型无机颗粒物的无机悬浮物比吸收系数，分别有brown earth, calcareous sand, yellow clay和 red clay，分别存放在..\data\defaults\目录下，曲线如下图：vCDOMCDOM的吸收常用指数衰减函数表示：的吸收常用指数衰减函数表示：其中，参考波长和斜率值可根据实际情况进行设定2021/6/79南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Specific- Scattering Specific- Scattering ModelsModelsHydrolightHydrolight提供了若干种方式表达散射：提供了若干种方式表达散射：vGordon-Morel (1983) Gordon-Morel (1983) ：：通用模式为：通用模式为：vGould, et al. (1999) Gould, et al. (1999) ：：v散射表示为比散射和浓度的乘积：散射表示为比散射和浓度的乘积：比散射可由用户输入，或者调用软件自带的几种模式，自带的比散射如下图： 2021/6/710南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Bottom Reflectance Models Bottom Reflectance ModelsHydrolightHydrolight可以模拟有限深度和无限深度的水体：可以模拟有限深度和无限深度的水体：v有限深度：有限深度：将模拟输出的最大深度作为模拟时的物理底部，假设底部是一个不透明的朗伯反射界面，软件通过Lambertian bi-directional reflectance distribution function (BRDF)将底部特征加入原始的反射率。

Hydrolight给出了几种不同底质的底部反射率，如下图：v无限深度：无限深度：当深度大于某个值时，其水柱可以认为是均质的，水体的固有光学特性也趋于一致，水层为非朗伯反射体；而在该深度之上，认为水体固有光学特性变化较大，所以在选取Zmax时要选择比研究区域光学深度大很多的值下图为不同Zmax模拟出的IPO值： 2021/6/711南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Sky Models Sky ModelsØHydrolight在模拟时必须知道各波长所有方向的海面入射天空辐亮度，为了提高灵活性，软件设置了两个独立的子程序，一个是返回天空下行辐射的方向和漫射，另一个是返回天空辐亮度分布的角度格局软件自带了4个模型，如下表：ØHydrolight默认的大气参数为天顶角为30°的无云天空 2021/6/712南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Inelastic Scattering Inelastic Scattering ModelsModelsHydrolightHydrolight包括三种非弹性散射：水的拉曼散射、叶绿素的荧光和包括三种非弹性散射：水的拉曼散射、叶绿素的荧光和CDOMCDOM的荧光。

的荧光v水的拉曼散射：水的拉曼散射：为了提高计算效率，Hydrolight采用平均方位角模式（ azimuthally-averaged formulation ）对Mobley在1993年提出的拉曼散射进行处理这种方法在方位角不对称分布的拉曼贡献率上带来了一定的不精确v叶绿素的荧光和叶绿素的荧光和CDOMCDOM的荧光：的荧光： HYDROLIGHT通过计算标辐射度、组分的吸收并基于荧光效应再分配函数来计算荧光的光量叶绿素荧光效率默认为0.02，用户也可根据实际需要进行改变；CDOM的荧光参见Light and Water Sections 5.11 2021/6/713南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Routines and data files Routines and data files如上所述，Hydrolight包含了很多模型，软件也提供了对应的程序，用户可以直接调用，但有些用户想要用自己的模型进行模拟，这就要求我们对软件的程序和数据文件组织格式进行剖析本节将介绍如何对自己的模型编写子程序，以及如何组织数据文件，使得Hydrolight可以正确的调用这些数据和模型。

pSubroutines for IOP ModelsSubroutines for IOP ModelspSubroutines for Chlorophyll ProfilesSubroutines for Chlorophyll ProfilespSubroutines for CDOM AbsorptionSubroutines for CDOM AbsorptionpSubroutines for Bottom BRDFsSubroutines for Bottom BRDFspSubroutines for Sky ModelsSubroutines for Sky ModelspSubroutines for BioluminescenceSubroutines for BioluminescencepHYDROLIGHT-Standard-Format Data FilesHYDROLIGHT-Standard-Format Data FilespInterpolation of Discrete DataInterpolation of Discrete Data 2021/6/714南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for IOP Subroutines for IOP ModelsModelsHydrolightHydrolight中最常见和最关键的任务是编写一个子程序提供模拟水体中最常见和最关键的任务是编写一个子程序提供模拟水体的的IOPsIOPs，即水体的吸收和散射。

即水体的吸收和散射vHydrolight提供了6个子程序（ abconst, abcase1, abcase1H, abcase2, abacbb和abcase2 ）分别对应前面介绍的6个固有光学参数模型，用于计算出a和bv如果用户需要调用自己的模型，要记住一个重要原则，就是总吸收和总散射为各组分吸收和散射的线性加和，软件中设置的组分数最多为10个 2021/6/715南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for IOP Subroutines for IOP ModelsModelsHydrolightHydrolight中编写用户自己的中编写用户自己的abab子程序的流程如下：子程序的流程如下：v1、首先决定模型中包含哪些组分及相应的排列顺序，顺序可由用户安排，但必须与后面指定的单位吸收和散射组件相对应v2、决定您将如何计算每种组分的吸收和散射系数，例如，用户可以调用Hydrolight中的pureH2o 文件来获取纯水的a和b值，也可以将自己的模型公式进行编程计算v3、修改现有的IOP程序，或通过填写ab.f模板来将自己的模型调入Hydrolight。

Ø在运用ab.f模板时，必须保持maincode目录下的.f文件名与IOP子程序的名一致 2021/6/716南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for IOP Subroutines for IOP ModelsModelsHydrolightHydrolight中编写中编写abab子程序时要注意的几点：子程序时要注意的几点：Øab子程序提供HYDROLIGHT有关的吸收和散射系数，但没有相应的相函数，因为用户在模拟时经常要更改相函数Ø由于用户界面要求提供各组分的a*, b* 和浓度信息，所以强烈建议用户在编写自己IOP模型时尽量与UI选项一致Ø在HYDROLIGHT运行时，ab子程序必须返回任何可能深度和波长的值，所以如果你的数据是离散深度或波长的，必须在ab子程序中使用一个内插和外推模块来得到所以深度和波长范围的a、b值 2021/6/717南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for Chlorophyll Subroutines for Chlorophyll ProfilesProfilesHydrolightHydrolight提供了两种选择提供了两种选择CHLCHL子程序的方式：子程序的方式：v选择选择HydrolightHydrolight提供的子程序提供的子程序：通过选择“USER-SUPPLIED DATA FILE”选项，软件将自动调用maincode\chlzdata.f 来获取chlorophyll 数据。

该程序首先读取测量深度与叶绿素数据，然后通过线性样条插值得到各深度的叶绿素浓度 chlzdata.f的标准格式参见examples\template\chlzdata.txt. v自己编写子程序自己编写子程序：通过选择“USER-SUPPLIED SUBROUTINE”选项选择自己编写的程序名程序的格式参照examples\template\chlzfunc.txt2021/6/718南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for CDOM Subroutines for CDOM AbsorptionAbsorptionvCDOM吸收的子程序和CHL的差不多，当不考虑CDOM荧光时调用abmodelabmodel 程序，当考虑荧光时调用acdomsubacdomsub 程序2021/6/719南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for Bottom BRDFs Subroutines for Bottom BRDFsv对于有限水深，底部被假设为一个不透明的朗伯反射面，通过 Lambertian BRDF调用maincode\BRDFLamb.f文件可以对底部辐射反射进行处理。

v如果想使用非朗伯的BRDF底部，步骤如下：l编写一个子程序定义BRDF，保存为新的文件名，程序格式参照例子.\examples\template\BRDFMinn.fl从maincode目录下删除文件BRDFLamb.f，并将上面自己定义的文件放入该目录下一次Hydrolight编译时，会自动将用户定义的BRDF加入底部计算2021/6/720南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for Sky Models Subroutines for Sky ModelsvHydrolight中提供的天空模型对于大多数用户来说已经够用v如果想使用自己的天空辐射模式，可以参照例子\template\skyirrad.txt and skyrad.txt.进行编写2021/6/721南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Subroutines for Subroutines for BioluminescenceBioluminescencev在运行Hydrolight时有一个“BIOLUMINESCENCE”选项，用户通过它可以调用计算生物发光源的函数，软件自带的maincode\s0biolum.f ，将函数进行了集成，如果用户有自己的函数或模型，可以通过更换函数来编写自己的程序。

l需要注意的是，Hydrolight模拟的生物发光是均质层水体的，而不是单一生物发光点源2021/6/722南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 HYDROLIGHT-Standard-Format Data HYDROLIGHT-Standard-Format Data FilesFilesØConcentration DataConcentration DataØWETLabs ac-9 Data.WETLabs ac-9 Data.ØHOBILabs HydroScat dataHOBILabs HydroScat dataØBottom Reflectance DataBottom Reflectance Data2021/6/723南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Concentration Data Format Concentration Data Formatv叶绿素浓度的文件组织如下：Chlzdatal其中，前十行为头文件，如果没有要写的内容，在前6行用“place holder”代替最后一行的-1表示记录结束v悬浮物和CDOM的组织格式一样。

2021/6/724南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 WETLabs ac-9 Data Format WETLabs ac-9 Data Formatv通过ABACBB IOP选项输入WETLabs ac-9 (or HiSTAR)数据，Hydrolight将由吸收和散射计算出光场分布l需要注意的是Hydrolight无法处理ac-s的原始数据，所以用户在使用Hydrolight前必须要对原始数据进行处理，包括去除噪声、平滑等，以保证数据的质量v将处理完的数据放入HYDROLIGHT标准格式中，例如：ac3datav当Hydrolight读取一个ac-9文件，将进行下列初始计算：Ø读取离散深度和波长的a和c的值.Ø检查微小错误比如深度的顺序不对，将会对深度进行重排列，但是对于数据的质量控制是需要在前期解决的问题Ø计算b，b=c-a.Ø对不同深度和波长进行样条插值2021/6/725南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 HOBILabs HydroScat data Format HOBILabs HydroScat data FormatvHOBILabs HydroScat data的数据格式与WETLabs ac-9 数据类似，只是包含了不同深度的后向散射系数值，具体格式参见： Hydroscat62021/6/726南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Bottom Reflectance Data Format Bottom Reflectance Data Formatv由于我们对底部的研究较少，在此就不做深入介绍了，底部的数据格式大家可以参照： ..\data\botmrefl\GreenAlgae.txt2021/6/727南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Interpolation of Discrete Data Interpolation of Discrete Datav实测数据只是关于离散的若干个深度和波长，而Hydrolight在运行时需要知道吸收和散射在所有相关深度和波长处的值，因此插值在此就非常重要。

v软件大多采用三次样条插值2021/6/728南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/729南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/730南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/731南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/732南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/733南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/734南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/735南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/736南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/737南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/738南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/739南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/740南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/741南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/742南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 Examples Examples2021/6/743欢迎提出宝贵意见！2021/6/744部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！。