CMODIS资料提取叶绿素a浓度的反演算法研究

中分辨率成像光谱仪(CMODIS)是我国“神舟3号”飞船上对地观测主载荷,是我国第一台上天的具有测量海面叶绿素a浓度能力的成像光谱仪.利用宽视场海洋水色扫描仪(SeaWiFS)反演叶绿素a浓度作为参考值建立CMODIS资料处理模型,得到三个基于蓝绿波段比值法的叶绿素a浓度反演算法,平均相对误差分别为26.6%,24%和33.5%,均方根误差分别为1.16,1.15和1.23 mg/m3.在叶绿素a浓度反演误差允许范围小于35%的条件下,比值算法的适用范围为悬浮泥沙浓度小于5 g/m3的海区.悬浮泥沙的强散射作用导致比值算法在高悬浮泥沙浓度条件下产生高估叶绿素a浓度反演值的现象;在中低悬浮泥沙浓度的海区,悬浮泥沙和浮游植物对离水辐亮度的综合作用使比值算法存在低估叶绿素a浓度的趋势.     

基于半分析方法的黄河口悬浮物浓度遥感反演

河口区的悬浮物浓度受陆源输入和水动力等其他因素的影响严重,具有重要研究意义。本文利用黄河口及其邻近区域采集的145个站位光谱数据和悬浮物(Suspended Particulate Matter,SPM)浓度数据,检验了Nechad模型、多波段准分析算法(Quasi-Analytical Algorithm,QAA)、最优化模型和半经验辐射传输模型(Semi-Empirical Radiative Transfer,SERT)在黄河口水域的适用性。结果表明,QAA561模型和Nechad561模型在低浓度水域反演结果较好,QAA655模型反演结果较差,Nechad665模型适合于低浓度水域,但反演精度低。QAA865模型和Nechad865模型在中高浓度水域的反演结果较好。SERT655模型反演精度较低。最优化模型和SERT滑动模型的反演精度较高。由于黄河口水域悬浮物浓度变化范围较大,因此,本文建立了分段QAA模型和Nechad模型。分段模型的反演结果均优于单一模型。根据误差敏感性分析可知,Nechad分段模型和QAA分段模型对于遥感反射率的50%以内的误差不敏感,稳定可靠。将分段模型应用于Landsat-8 OLI数据,获取了悬浮物浓度时空分布图。结果表明,反演结果与已有研究具有相似的分布特征。两种模型得到的悬浮物浓度在数值上存在差异,然而分布趋势在中高浓度季节有非常好的一致性。     

南海北部海域叶绿素a浓度时空特征遥感分析

利用2007-2010年MODIS的L2级叶绿素a浓度产品作为数据基础, 对叶绿素a浓度年平均和月平均数据进行分级分区处理, 研究南海北部海域叶绿素a浓度时空分布特征及其与海洋环境因素的关系。初步研究结果表明:2007-2010年在南海北部海域叶绿素a浓度的高值区(>5.0 mg/m3)主要分布在广东省沿岸河流的入海口, 分布范围在夏季最大, 在春秋次之, 在冬季最小;叶绿素a浓度的次高值区(1.0～5.0 mg/m3)主要分布在海岸线到50 m等深线之间的海域, 分布范围夏冬较大, 能扩展到50 m等深线附近, 而春秋较小, 会退缩到50 m等深线以内;叶绿素a浓度的中值区(0.3～1.0 mg/m3)主要分布在50 m到100 m等深线之间的海域, 时空变化复杂;叶绿素a浓度的低值区(<0.3 mg/m3)主要分布在100 m等深线以外的海域, 其区域平均值夏季最低, 春秋次之, 冬季最高, 同时该区域叶绿素a浓度在春夏秋三季空间分布较均匀, 而冬季受季风和黑潮入侵影响空间分布较为复杂。南海北部海域海表叶绿素a浓度的时空变化特征与季风、沿岸河流、海流、海表温度等海洋环境因素的变化有关。     

珠江口海域叶绿素a质量浓度SAR反演模型

以珠江口海域的Radarsatt-2全极化SAR数据和海域表层水面叶绿素a质量浓度实测数据为基础,利用微波散射原理及Cloude Pottier理论对SAR图像进行分解,得到平均散射角a、散射熵H及VH、VV、HH、HV等6个参数;采用BP人工神经网络模型建立上述6个参数与叶绿素a质量浓度的数学关系模型,并结合实测数据对叶绿素a质量浓度进行分类。结果表明:当隐含层节点数为9,输入层和隐含层传递函数分别为tansig和logsig,学习速率和动量系数均为0.2时的网络结构对叶绿素质量浓度反演取得了较好的效果,叶绿素a质量浓度实测值与预测值之间的决定系数(R~2)为0.826。将模型应用于不同时期的2幅图像进行验证,效果良好,与实际情况基本相符。     

基于空间插值的长江口邻近海域春季悬浮物和叶绿素a空间分布分析

针对目前利用实测数据对长江口邻近海域水质状况进行分析研究相对偏少的情况,基于“淞航”号2018年春季航次对该海域的综合观测,利用实验室水样分析数据对船载温盐深仪（CTD）的测量数据进行校正,并对该区域2018年春季时节悬浮物（TSM）和叶绿素a(Chl-a)浓度的空间插值结果进行分析。研究结果表明：CTD观测数据与水样分析数据呈较强线性相关关系。反距离权重插值对TSM和Chl-a浓度空间分布具有整体最优的效果。TSM浓度在近岸和近海底较高,在观测区域内出现两个高值中心;Chl-a浓度在近岸海域较高,有较明显的片状高值结构,垂向上表层较高。TSM与Chl-a浓度分布在长江口南北表现出不同的特征,且两者具有一定的负相关性。长江径流、外海洋流、潮汐混合等水动力过程是影响该区域TSM和Chl-a浓度分布的主要因素。     

基于Landsat 8影像的黄河口悬浮物质量浓度遥感反演

悬浮物质量浓度是黄河口海域重要的水质和水环境监测参数之一,直接影响着水面以下光场的分布,进而影响水体的初级生产力和水域生态环境。本文基于2011年6—7月和11—12月共计89组现场实测悬浮物质量浓度和光谱数据,分析了黄河口及其附近海域不同悬浮物质量浓度的水体光谱特征,尝试利用多种波段组合建立悬浮物质量浓度遥感反演算法。结果表明865 nm波段与波段比655 nm/560 nm组合形式算法反演结果最优,算法相关系数R²为0.95,平均相对误差为25.65%。将算法应用于2014—2016年共7景Landsat 8 OLI遥感影像,分析了不同年份黄河口悬浮物质量浓度的时空分布特征,黄河口海域悬浮物质量浓度分布总体呈现近岸高,离岸低的特点,不同时期悬浮物质量浓度量值上有显著变化。     

柘林湾近岸水产养殖区水域叶绿素a浓度反演

海水养殖已成为近海水体环境的重要污染源, 叶绿素a作为水体浮游植物生物量的一个重要参数, 是水质评价的重要指标。本文以广东省柘林湾为研究区域, 采用2018年9月4日的哨兵2号(Sentinel-2)影像与海水养殖区水体中实测的叶绿素a浓度数据构建了叶绿素a浓度的单波段模型、比值模型、三波段模型与归一化叶绿素a指数模型(Normalized Difference Chlorophyll Index, NDCI)等估算模型; 通过对比评价, 以反演精度高的模型估算了2018年多个月份的叶绿素a浓度, 并分析其分布特征。结果显示: 1) NDCI模型的反演精度明显高于其他模型, 其可决系数R²为0.8, 均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)为9.7, 平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error, MAPE)为0.99; 利用实测数据对NDCI模型的时间适用性进行检验, 表明NDCI模型能有效地估算出叶绿素a浓度的空间分布特征。2) 叶绿素a浓度呈现出从近岸向湾外逐步降低的趋势, 养殖区中叶绿素a浓度的总体趋势为池塘养殖区>滩涂插养区>网箱养殖区>浮筏养殖区; 受到水体交换、降雨及养殖活动的影响, 池塘养殖区中的叶绿素a浓度在投放幼苗期的2月最低, 其变化趋势为2月<4月<6月<12月。本文的研究结果可为相关部门对柘林湾养殖水体的环境监测提供参考。     

基于MODIS数据反演的渤海叶绿素浓度时空变化

采用离散时间功率谱、距平、滑动平均等统计学方法分析了MODIS反演得到的渤海海域2002-2009年叶绿素浓度的时空变化特征.结果表明,叶绿素浓度多年月平均值的波峰出现在2-3月份,波谷在7月份.叶绿素多年平均值近海明显高于外海,由近海往外递降,最低值出现在渤海海峡和北黄海口附近.通过对叶绿索浓度多年月距平值进行离散时...     

基于HJ卫星的近岸Ⅱ类水体叶绿素a浓度定量遥感反演研究——以滦河口北部海域为例

为验证环境卫星影像在近岸Ⅱ类水体中叶绿素a浓度反演的适宜性,获得适合滦河口北部近岸海域的叶绿素a浓度的高精度反演算法,基于HJ-1A CCD2影像数据和现场同步实测数据,构建、验证并确立适合研究区叶绿素a浓度反演模型。结果表明:HJ-1A CCD2卫星可用于水文情况较复杂的近岸Ⅱ类水体叶绿素a浓度的反演研究;最佳波段组合（B3/B1）构建的倒数模型,可反演叶绿素a浓度。结果显示叶绿素a浓度整体由近岸向内海方向逐渐减小,自北向南逐渐降低,并在河口处形成向外海突出的高值区;叶绿素a浓度最大值出现在金山嘴南侧,为25.0 μg/L。离岸叶绿素a浓度最小值出现在滦河口以东约13.2 km处,仅4.6 μg/L;近岸叶绿素a浓度最小值出现在滦河口附近,约为11.0 μg/L。该研究可为相关研究提供技术参考,研究成果可为当地政府科学管理海洋环境、制定海洋政策提供决策依据,为该海域可持续发展提供数据支持。     

黄骅虾池中叶绿素a浓度及其与赤潮的关系

本文通过１９９０－１９９２年对黄骅沿海虾池中叶绿素ａ含量的监测及其变化的研究，反映了３ａ来虾池中叶绿素ａ含量的变化及其特下，揭示了叶绿素ａ含量与赤潮的关系。     

长江口区基于BP算法的表层悬沙浓度计算模型

传统的悬浮泥沙浓度测量方法存在着各种不足,而ADCP(声学多普勒流速剖面仪)具有观测悬浮泥沙浓度的潜能.文章目的在于利用BP神经网络强大的非线形处理能力和黑箱模型的优势探讨长江口区快速测量悬浮泥沙浓度的可能性.根据2006年7月在长江口区的20个站位使用RD300K型宽幅ADCP测量得到的实测资料,提取其回声强度信息,把回声强度、温度、盐度、流速作为输入层变量,利用BP算法反演悬浮泥沙浓度,结果表明此方法精度较高(平均相对误差为18.64%),说明利用4-4-1模式的BP人工神经网络算法拟合长江口区表层悬浮泥沙浓度是可行的,但拟合效果与流向无关,而是与采样现场的海况有很大关系.海况越好,拟合效果也越好.在拟合除表层以外其他水层时需要考虑声波传输过程中各水层物理性质的变化.     

悬沙浓度分布对鸭绿江河口流速结构的影响

对鸭绿江河口1994和1996两年两个站位共4个潮周期的数据进行了分析,通过流速对数剖面公式计算了边界层参数,并对各个潮周期内的边界层参数的变化规律进行了分析,同时也对悬沙输送可能对垂向流速结构以及边界层参数造成的影响进行了探讨,分析结果表明,正是由于悬沙分布的影响,打破了原有的温度、盐度、水体密度在水层间的分布格局,改变了原有水体的纵向密度梯度,除少数时刻对应的水体Rf值减小之外,水体的Rf值被普遍提高,并且分层稳定。应用改造后的Von karmen-Prandtl流速对数分布剖面公式,重新对原先公式计算的边界层参数进行了修正,修正后结果表明,u*、C100和τ分别比通过原公式的计算值平均减少了21%、56%和36%,而由于水体悬沙则使τ比在没有悬沙存在的情况下的τ值平均减少了22%。     

Quantification of the Total Suspended Matter Concentration around the Sea Breaking Zone from In Situ Measurements and Terra/Aster Data

Remote sensing techniques can be used to quantify the total suspended matter concentration (TSM). The main objective of this study is the quantification of the TSM concentration around the sea breaking zone for a particular area of the Portuguese coast, near Aveiro city. The methodology used was based on in situ measurements and on multispectral satellite image from TERRA/ASTER. In situ experimental techniques were used to determine a relationship between the TSM concentration and the seawater reflectance. Empirical relationships were established between TSM concentration and the equivalent reflectance values for TERRA/ASTER at visible and near infrared bands computed from the experimental data. The reflectance values had a very high correlation with the TSM concentration in the wavelength between 500 and 900 nm. The ASTER image was calibrated, atmospherically and geometric corrected. Equations of linear, polynomial, logarithmic, power and exponential models were applied. The best results were found with the linear and polynomial models, with a determination factor higher than 0.95. However, the differences in the TSM concentration calculated for the three bands indicate that we should not use the information of a single band to obtain the TSM concentration.     

Quantification of the Total Suspended Matter Concentration around the Sea Breaking Zone from In Situ Measurements and Terra/Aster Data

Remote sensing techniques can be used to quantify the total suspended matter concentration (TSM). The main objective of this study is the quantification of the TSM concentration around the sea breaking zone for a particular area of the Portuguese coast, near Aveiro city. The methodology used was based on in situ measurements and on multispectral satellite image from TERRA/ASTER. In situ experimental techniques were used to determine a relationship between the TSM concentration and the seawater reflectance. Empirical relationships were established between TSM concentration and the equivalent reflectance values for TERRA/ASTER at visible and near infrared bands computed from the experimental data. The reflectance values had a very high correlation with the TSM concentration in the wavelength between 500 and 900 nm. The ASTER image was calibrated, atmospherically and geometric corrected. Equations of linear, polynomial, logarithmic, power and exponential models were applied. The best results were found with the linear and polynomial models, with a determination factor higher than 0.95. However, the differences in the TSM concentration calculated for the three bands indicate that we should not use the information of a single band to obtain the TSM concentration.     

黄东海海区总悬浮物散射特性研究

我国黄东海水体散射特性非常复杂,这是造成该海域水色区划特点显著的原因之一。文中利用2003年4月黄东海试验数据(HD200304)对总悬浮物(TSM,Total Suspended Matter)的后向散射概率~bbs和单位散射系数bs*进行研究。基于对现场数据的统计分析,我们开发了总悬浮物后向散射概率模型,通过相对偏差分析表明,有近90%的样品反演相对偏差控制在±30%之内。对总悬浮物单位散射系数研究时,选择555 nm为参考波段,开发了不同波段间总悬浮物单位散射系数关系模型,通过相对偏差分析表明,有近94%的样品反演相对偏差在±10%之内,反演效果非常好。     

黄、东海区总悬浮泥沙对HY-1 CCD数据叶绿素浓度反演的影响

悬浮泥沙含量对叶绿素浓度遥感反演具有一定的抑制作用,我国近岸水体受其影响更为严重.利用国家卫星海洋应用中心组织的2003年春季大规模黄、东海区海上试验获得的较高精度实测数据,详细分析了该海区各站点总悬浮泥沙含量、叶绿素浓度与遥感反射率之间的关系,确立了悬浮泥沙含量对叶绿素浓度反演的影响方式,从而获得了不同悬浮泥沙含量条件下,HY-1卫星CCD等效波段的叶绿素浓度反演模式.分析结果表明,将总悬浮泥沙含量小于6 mg/L定义为中低混浊度水体,把大于6 mg/L定义为中高混浊度水体,然后通过选择不同的悬浮泥沙修正指数分别建模,相关性能够达到实用反演的要求.建模的精度分别为中低混浊度水体,相关性R2= 0.919,平均相对误差= 0.277;中高混浊度水体,相关性R2= 0.877,平均相对误差=0.564.中高混浊度水体叶绿素浓度的反演误差较大,主要体现在低叶绿素浓度区(Cchl<1 mg/m3),表明利用CCD数据反演中高混浊度水体低值叶绿素浓度模式还有待于进一步完善.     

基于遥感技术对黄河口水色与岸线季相变化特征研究

使用Landsat-5 TM 2004年11月24日与2005年5月13日黄河口遥感影像,配合准同期外业实测资料,进行黄河口水体水色物质叶绿素a与悬浮泥沙的动态反演与河口岸线解译.研究表明由于秋末与春初黄河上游来水物质含量的差异,上述悬浮指标值存在显著的季相差异.根据样值与光谱特征建立的反演模型得出的反演值与实测值有平均在0.85以上的相关关系,具有很好的反演效果.岸线解译成果表明,黄河口岸线演变迅速,在河流平枯水量时期仍然具有较强的变化,岸线推进尤以新河口附近显著.这表明,使用遥感手段是进行河口生态环境质量监测的有效手段,是进行岸线动态变化研究的一种基本技术支撑手段.     

黄河口水域渔业生态水环境调查与研究

2008年5月8、月对黄河口及邻近水域进行了渔业水环境调查,结果表明:调查水域水深为5.0~16.5 m,S为26.3~31.0,溶氧饱和度为89.6%~110.9%,化学耗氧量为0.99~3.02 mg/L,总氮含量为0.141~1.74 mg/L,DIN为DTN的61%,NO3-是DIN的主要形态,总磷含量为0.010~0.059 mg/L。该海域主要污染物为铜、石油类、氮。共检出浮游藻类8门42种,浮游动物7类31种。     

基于GOCI静止水色卫星数据的长江口及邻近海域Kd(490)遥感反演及其在机载激光测深预评估中的应用

长江口水下三角洲地形地貌对于长江口航道安全、生态环境、海岸带工程等均具有重要意义,本次研究拟采用世界上第一颗静止水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)开展长江口Kd(490)的季节和潮汐变化规律研究,以期为采用机载激光测深提供预评估信息。研究得到结论如下:长江口及邻近海域水体为典型的二类水体,悬浮泥沙含量最高可由杭州湾内几千mg/L迅速降低至10 mg/L以下,因此,分段式的漫衰减系数反演算法适用于研究区域;Kd(490)反演结果表明长江口及邻近海域的Kd(490)值的季节变化特征表现为冬高夏低,春秋居中,长江冲淡水流量和季风是影响其季节变化的主要因素,而在一个潮周期内,Kd(490)值总体表现为低潮期低于高潮期,悬浮泥沙浓度和潮水的潮位是长江口及邻近海域的Kd(490)值的重要影响因素;研究指出,长江口及杭州湾内激光可探测深度约在5~22 m范围内,夏季退潮低潮位最适合激光雷达观测。由此可见,GOCI 8景/d,1景/h的分辨率可以实现Kd(490)的动态变化监控,而且可以实现在相同潮位下更为合理地描述Kd(490)值的季节变化,为机载激光雷达探测的进一步开展提供了技术支持。