渤海固有光学量高光谱遥感反演

水体固有光学量是重要的海洋光学参数,是辐射传输模型最基本的输入参数,对于海洋光学遥感和水色研究具有重要意义。基于2005年渤海高光谱实测遥感反射率和总吸收系数数据,首次利用非线性最小化优化模型,反演水体总吸收系数等固有光学量。经过实测数据的检验,412,440,510,555,650和676 nm波段总吸收系数的反演平均相对误差分别为33.8%,20.4%,27.7%,37.5%,9.5%和10.8%。模型误差源主要为模型参数的不确定性和测量误差,通过讨论发现,光谱斜率S对总吸收系数的反演影响相对较少,而光谱指数Y导致的反演误差是不可忽略的。模型适用于高光谱数据,填补渤海固有光学量的最优化反演研究的空白,并可用于高光谱遥感数据的固有光学量遥感反演研究。     

黄渤海悬浮颗粒物粒径的遥感反演研究

悬浮颗粒物粒径是重要的海洋光学参数,在以悬浮颗粒物为主的黄渤海海域,对水体生物、化学过程等起着重要的作用,该参数的卫星遥感反演也对海洋光学与水色遥感研究具有重要意义。利用2014年5月和11月的黄渤海47组实测数据,建立了基于静止海洋水色卫星(GOCI)波段设置的遥感反射率(Rrs)与悬浮颗粒物中值粒径(D50)反演模型,555 nm波段幂函数的反演效果最佳,决定系数R2为0.72,绝对误差SMAPE为6.35%,经实测数据检验,均方根误差SRMSE约为0.17,相对误差变化范围为-5%~5%。对反演模型引入5%误差进行敏感性检验,绝对误差、均方根误差分别控制在2%以及0.002以内,具有较好的稳定性。将此模型运用于2013年6月GOCI卫星数据,反演出悬浮颗粒物中值粒径D50的时空分布图,呈现从近岸向远海粒径逐渐变大的趋势。     

基于静止轨道水色卫星数据的渤海总吸收系数遥感反演和逐时变化研究

渤海是我国的半封闭内海,受陆源影响显著,水体光学性质复杂多变,静止轨道水色卫星(GOCI)的高时间分辨率数据为研究渤海水体总吸收系数的时空变化特征,特别是逐时变化提供了可能。针对GOCI波段设置,利用实测数据建立了基于遥感反射率波段比值的412、443、555 nm波段渤海总吸收系数遥感反演模型,经独立实测数据检验,模型反演值与实测值的相关系数大于0.8,平均相对误差(APD)小于13%,中值相对误差小于9%,优于已有典型算法(精度提高约10%);经独立现场-卫星时空匹配数据检验,基于该模型和GOCI卫星数据的总吸收系数遥感反演平均相对误差在35%以内。基于2015年5月4日1天8景的GOCI影像和所建立的模型,研究了渤海总吸收系数的逐时变化特征。结果表明,8:30—15:30期间总吸收系数变幅主要分布范围是0.2~0.3 m~(-1),最大变幅可达到0.8 m~(-1),变幅极大值主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域。结合潮汐数据的分析发现,辽东湾、渤海湾北部总吸收系数与潮高的逐时变化具有较好的一致性,总吸收系数极小值出现时刻滞后于低潮时刻0~1.5 h;莱州湾西部总吸收系数与潮高逐时变化呈明显负相关性;渤海湾南部、莱州湾东部总吸收系数与潮高变化未见显著相关性。     

鄱阳湖水体悬浮颗粒物散射光谱分解方法研究

内陆水体复杂性为水体悬浮颗粒物散射光谱分解带来难题,也制约着水色遥感理论算法的发展。以2009年鄱阳湖秋季观测数据为基础,提出一种二元简化主轴(ranged major axis,RMA)方法的水体悬浮颗粒物散射光谱分解模型,对鄱阳湖水体中悬浮无机颗粒物与有机颗粒物的散射光谱进行了提取研究。结果表明采用RMA方法建立的悬浮颗粒物散射光谱分解模型在鄱阳湖具有很好的分离效果,在高浑浊水体区域总悬浮颗粒物散射系数预测误差在15%以内,与现有方法相比具有明显优势。分解结果显示鄱阳湖悬浮颗粒物散射主要来自以伊利石/蒙脱石为主要成分的无机颗粒物,RMA方法能够反映占主导地位悬浮颗粒物的散射特性,可以为高浑浊水体散射模型与水色遥感反演算法的研究提供重要依据。     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

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。     

典型重金属污染水体光谱特征分析———以广东省大宝山尾矿水为例

目前水体重金属遥感反演相关研究仍比较薄弱。自然界中重金属污染水体的光谱特征研究是重要的基础性工作,是将来实现卫星遥感反演时波段选择的重要理论依据,也是遥感反演模型所必须的基础参数。首先利用Analytical Spectral Devices（ASD）光谱仪,测量获得以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体在两种水深和两种光照条件下的离水反射率光谱曲线,发现在600~700 nm（红波段）均有稳定的反射峰,然后进一步与自然界常见的两类水体（浑浊水体和富营养化水体）的反射峰位置进行对比,发现：以长湖水库石英砂厂附近为例的浑浊水体反射峰在550~700 nm（绿、红波段）,以北江韶关冶炼厂附近为例的富营养化水体反射峰在550~600 nm（绿波段）,3种水体的反射峰位置各异,说明该重金属污染水体反射率光谱与这两类水体具有很好的可分性。然后在测量水体反射率基础上,结合水质遥感模型和进行室内消光系数测量,反演得到大宝山尾矿水体的总散射系数和总吸收系数光谱,并进一步分离水分子吸收作用,最终得到水中成分的综合吸收系数光谱曲线,结果表明：在紫光波段吸收最强,在红光波段吸收最弱;具体表现为：从400 nm开始,吸收系数快速递减,在蓝绿光波段递减速度变缓,从黄光波段又开始快速递减,到676 nm达到极小值,然后又快速增强至750 nm,随后变化减缓。最后结合水样的水质化验结果,对该重金属污染水体的光谱成因进行分析,发现现场水色和水中成分的综合吸收系数光谱特征皆与作者前期研究测量获得的硫酸铁溶液颜色及其吸收系数光谱特征吻合,因此认为水中成分的光谱特征是由硫酸铁及其水解产物所引起。以上说明该重金属污染水体的光谱特征明显,反射峰和强吸收波长位置明确,这是将来利用卫星遥感手段反演水中重金属浓度的重要特征波段。该研究获得了以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体反射率、消光系数、散射系数和吸收系数的光谱结果,为日后推广至其他种类重金属矿的尾矿水体及水中成分光学参数反演提供方法依据,也为将来利用卫星遥感技术对水中重金属浓度进行定量提取打下良好的理论基础。     

基于光学浮标的赤潮生消过程半分析监测方法

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高,引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质(IOP)的变化,并导致水体表观光学性质(AOP)的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测,基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据,发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ),结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算,然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验,该方法估算a(675),aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%,34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析,本方法的优势在于反演精度较高,所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。     

结合GOCI数据反演近海浮游植物叶绿素和类胡萝卜素浓度

基于2016—2018年渤海、黄海和东海7个航次中采集的实测遥感反射率和浮游植物色素浓度数据,利用静止海洋水色成像仪(GOCI)遥感反射率产品建立中国近海水体中总叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素c、光保护类胡萝卜素和光合有效类胡萝卜素浓度的反演模型,并进一步得到2014—2018年渤海、黄海和东海各色素浓度分布图。研究结果显示:采用遥感反射率波段组合建立的反演模型可实现色素浓度的定量反演,建立的模型反演精度较高(R~2>0.72)。由卫星反演结果可以看出,浮游植物色素浓度整体呈由近岸向离岸水域递减的趋势,并存在显著的季节变化特征。本文建立的浮游植物色素浓度反演模型,可为深入认识我国近海水体浮游植物种群结构及时空变化规律提供方法支撑。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

基于Sentinel-3 OLCI影像的渤海透明度遥感反演研究

透明度是海洋生态环境监测的关键指标,在军事、航海、渔业等领域均发挥着重要作用。与传统的海洋监测技术相比,遥感技术具有长时序、大范围、近实时获取海洋信息的优势,利用水色卫星观测我国海域透明度的变化,对合理开发和利用我国海洋资源有着重要的意义。利用实测透明度数据与Sentinel-3 OLCI传感器中心波段的等效遥感反射率数据构建了渤海透明度反演模型,主要包括单波段法、波段比值法和混合波段法。利用与卫星时空同步的现场透明度数据进行了模型精度验证,最终确定以B6(560 nm)与B7(620 nm)为敏感因子的混合波段模型透明度反演效果最佳,该模型透明度的反演值与实测值间决定系数(R2)为0.68,平均相对误差(MRE)为15.93%,均方根误差(RMSE)为0.48 m。在此基础上结合Sentinel-3 OLCI时间序列影像,得到2020年渤海透明度月均遥感产品,发现渤海透明度分布状况有明显的区域性与季节性特征。透明度的整体变化区间为0~10 m,其中夏季7月和8月份透明度较高,局部海域透明度可高于9 m,而冬季相对较低1月和2月份全海域不足2 m;透明度整体呈现近岸海域低、离岸海域高的空间分布特征,渤海中部、秦皇岛近岸海域透明度相对较高,渤海湾、辽东湾、莱州湾透明度常年较低。渤海透明度的分布趋势与渤海沿岸地质属性、周边河流分布情况以及沿岸城市群与工业港口的发展情况密不可分。该研究为渤海透明度遥感估算提供了可靠的理论基础,对监测渤海海洋环境具有重要的意义。     

基于表观光谱反演黄东海水体固有光学量研究

水色遥感反演算法中半分析模型的建立需要已知水体同有光学量,文章基于现场实测数据建立了由遥感反射率反演同有光学量模型.对2003年春季黄东海航次所测数据进行了介绍,详细阐述了遥感反射率、颗粒物后向散射和吸收系数的测量方法.基于生物光学模型,利用单纯形优化算法由遥感反射率来反演水体同有光学量,并将反演结果与实测数据进行了比...     

一种激光雷达测量海洋光学参数的新方法

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段,借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制,提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面,描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面,给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。     

胶州湾海域Landsat8/OLI数据处理中多种大气校正方法的评价

海洋水色遥感研究中,精确的水体遥感反射比R_rs(λ)光谱数据是应用海洋光学卫星数据反演海洋生物地球物理参数的关键。实际工作中,遥感反射比是根据遥感仪器接收到的辐亮度经大气吸收和散射校正、太阳距离以及太阳高度角校正后计算出来的。因此对卫星传感器数据进行大气校正是我们得到精确的水体遥感反射比光谱数据的关键因素之一,也是海洋水色遥感研究中的一个重要问题。胶州湾是黄海西部的一个半封闭海湾,是北温带海湾生态系统的重要代表,该海域内规划了大范围的海洋牧场养殖区域,水体生物光学性质复杂。Landsat是美国NASA的陆地卫星计划,最初是为了观测陆地而研发,但是其高空间分辨率(30 m)的优势在海洋遥感监测中表现突出,使得其成为卫星遥感监测河流、湖泊、内陆环湾等水体不可忽略的数据源之一。基于QA(quality assurance) Score光谱质量评价体系对Landsat8/OLI数据处理中五种大气校正算法在胶州湾海域的大气校正结果进行了评价分析。五种大气校正算法分别是NASA(National Aeronautics and Space Administration)标准近红外大气校正算法(Seadas采用为默认大气校正算法,记为Seadas Default);Acolite 默认大气校正算法—暗光谱拟合算法（dark spectrum fitting,记为Acolite DSF）;以及Acolite指数外推算法（exponential extrapolation）,根据算法中所使用波段的不同,分别记为Acolite SWIR, Acolite Red/NIR, Acolite NIR/SWIR。分析结果表明在胶州湾海域Seadas Default的大气校正算法得到的R_rs(λ)数据QA得分为1的概率（83.95%）要远大于Acolite DSF（49.66%）,Acolite SWIR（4.13%）,Acolite Red/NIR（7.25%）,Acolite NIR/SWIR（1.38%）四种大气校正算法。Acolite DSF大气校正算法优于Acolite SWIR,Acolite Red/NIR,Acolite NIR/SWIR。应用MODIS/Aqua卫星数据对Seadas Default大气校正算法和Acolite DSF大气校正算法处理Landsat8/OLI卫星数据得到的R_rs(λ)在443,483,561和655 nm的数据进行了对比分析,结果表明在各个波段的Seadas Default算法所得的大气校正结果都要优于Acolite DSF算法。据此,建议在胶州湾及其附近海域应用Landsat8/OLI数据进行遥感应用研究时以NASA标准近红外大气校正算法为首选。     

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

Polarized Lidar Reflectance Measurements of Vegetation at Near-Infrared and Green Wavelengths

There is growing interest in the use of lidar for remote sensing of vegetation owing to the emergence of reliable and rugged lasers and highly sensitive detectors. Lidar remote sensing has a distinct advantage over conventional techniques in vegetation remote sensing due to its capability for three-dimensional characterization of vegetative targets. The Multiwavelength Airborne Polarimetric Lidar (MAPL) system was developed primarily for vegetation remote sensing applications from an airborne platform of up to 1,000 -m altitude. The lidar system has full waveform capture and polarimetric measurement capability at two wavelengths in the near-infrared (1064 nm) and the green (532 nm) spectral regions. This study presents preliminary ground-based lidar reflectance measurements on a variety of deciduous and coniferous trees under fully foliated conditions with a view towards tree species discrimination. Variations in the reflectance characteristics of selected deciduous trees under unfoliated and fully foliated conditions were also investigated. Our study reveals distinct differences in the reflectance characteristics of various trees.     

光谱测定黑河上游土壤有机质的预测模型

地面高光谱遥感光谱分辨率高,能详细地反映地物波谱特征;多光谱遥感时域宽,覆盖范围广,对较大时空区域的地物特征反演具有更大的优势。探求以不同反射率指标的土壤有机质含量预测模型,及其敏感波段,可以结合两种光谱数据的优点,为研究土壤有机质含量的时空变化规律提供新途径。本研究选取黑河上游223个土壤样品测定其有机质含量和高光谱曲线,应用原始光谱曲线反射率(λ)、倒数(REC)、倒数之对数(LR)、归一化(CR)和一阶微分(FRD)五种指标,采用逐步线性回归分析方法建立预测模型。通过统计检验,结果表明,以反射率指标为自变量的模型预测效果最佳,其相关系数(r)和均方根误差(RMSE)分别为：0.863和4.79。最优模型中得出的敏感波段有TM1内的474 nm、TM3内的636 nm和TM5内的1 632 nm。研究结果可为使用TM遥感数据反演黑河上游土壤有机质含量提供参考。