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文檔簡介

1、第五章第五章 海洋水色遙感海洋水色遙感u 概述概述u 海洋水色遙感機(jī)理海洋水色遙感機(jī)理u 生物生物- -光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)u 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演u 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演5.1 概述概述1.海洋水色遙感傳感器 1970年,年,Clarke等成功的驗證了利用航空光譜遙等成功的驗證了利用航空光譜遙感水體表層葉綠素濃度的可行性。感水體表層葉綠素濃度的可行性。 CZCS(Nimbus-7) SeaWifs(SeaStar) MODIS(Terra-Aqua) COCTS(HY-1A、HY-1B)5.1 概述概述1.海洋水色遙感傳感器5.

2、1 概述概述1.海洋水色遙感傳感器波段設(shè)置5.1 概述概述2.與海洋水色遙感有關(guān)的應(yīng)用和研究 全球氣候變化(包括海洋碳通量研究)全球氣候變化(包括海洋碳通量研究) 海岸帶管理與(工程)環(huán)境評價海岸帶管理與(工程)環(huán)境評價 海洋初級生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)資源的開發(fā)、保護(hù)海洋初級生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)資源的開發(fā)、保護(hù) 海洋污染環(huán)境的監(jiān)測海洋污染環(huán)境的監(jiān)測 海洋動力環(huán)境研究海洋動力環(huán)境研究 海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究5.1 概述概述2.與海洋水色遙感有關(guān)的應(yīng)用和研究5.1 概述概述3.海洋水色遙感中的關(guān)鍵技術(shù) 大氣校正大氣校正 - 從傳感器接收到的信號中消除大氣

3、的影響,獲從傳感器接收到的信號中消除大氣的影響,獲得包含海水組分信息的海面離水輻射度。得包含海水組分信息的海面離水輻射度。 生物光學(xué)算法生物光學(xué)算法 - 根據(jù)不同海水的光學(xué)特性與離水輻射度之間的根據(jù)不同海水的光學(xué)特性與離水輻射度之間的關(guān)系,估算有關(guān)的海洋水色要素。關(guān)系,估算有關(guān)的海洋水色要素。 5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 海洋水體分類海洋水體分類 根據(jù)根據(jù)Morel等提出的雙向分類法,可分為:等提出的雙向分類法,可分為: - 類水體類水體:光學(xué)特性主要由浮游植物及其分解物決定;光學(xué)特性主要由浮游植物及其分解物決定; - 類水體類水體:光學(xué)特性除了與浮游植物及其分解物有關(guān)外,

4、光學(xué)特性除了與浮游植物及其分解物有關(guān)外,還由懸浮物、黃色物質(zhì)決定,其水色由水體的各成分以非還由懸浮物、黃色物質(zhì)決定,其水色由水體的各成分以非線性方式來影響。線性方式來影響。5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 海水的光學(xué)特性海水的光學(xué)特性 海水的光學(xué)特性有:表觀光學(xué)量和固有光學(xué)量。海水的光學(xué)特性有:表觀光學(xué)量和固有光學(xué)量。 表觀光學(xué)量表觀光學(xué)量由光場和水中的成分而定,包括向下輻照由光場和水中的成分而定,包括向下輻照度、向上輻照度、離水輻亮度、遙感反射率、輻照度比等,度、向上輻照度、離水輻亮度、遙感反射率、輻照度比等,以及這些量的衰減系數(shù)。以及這些量的衰減系數(shù)。 固有光學(xué)量固有光學(xué)量與

5、光場無關(guān),只與水中成分分布及其光學(xué)與光場無關(guān),只與水中成分分布及其光學(xué)特性有關(guān),直接反映媒介的散射和吸收特征,如:吸收系特性有關(guān),直接反映媒介的散射和吸收特征,如:吸收系數(shù);散射系數(shù);體積散射函數(shù)等。數(shù);散射系數(shù);體積散射函數(shù)等。5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 海水的色素海水的色素 葉綠素:反映海洋生產(chǎn)力的變化,最主要的為葉綠素葉綠素:反映海洋生產(chǎn)力的變化,最主要的為葉綠素a,在藍(lán)光(在藍(lán)光(420-500nm)和紅光()和紅光(600-700nm)波段具有兩)波段具有兩個強(qiáng)吸收谷。個強(qiáng)吸收谷。 熒光:浮游植物吸收的太陽能在某波段上的輻射光,熒光:浮游植物吸收的太陽能在某波段上

6、的輻射光,該值可作為植物健康狀況的標(biāo)志。該值可作為植物健康狀況的標(biāo)志。 色素濃度:葉綠素色素濃度:葉綠素a和褐色素濃度之和,常用和褐色素濃度之和,常用C表示。表示。 5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 黃色物質(zhì)黃色物質(zhì) - 在全球碳循環(huán)研究中比較重要在全球碳循環(huán)研究中比較重要 海水中的融解有機(jī)物海水中的融解有機(jī)物DOM包括顆粒狀有機(jī)碳包括顆粒狀有機(jī)碳POC和融和融解的有機(jī)碳解的有機(jī)碳DOC。 海水中的有色融解有機(jī)物(海水中的有色融解有機(jī)物(CDOM)被稱為黃色物質(zhì)。黃色物質(zhì)在藍(lán)色波段具有強(qiáng)烈的吸收。被稱為黃色物質(zhì)。黃色物質(zhì)在藍(lán)色波段具有強(qiáng)烈的吸收。一般定義黃色物質(zhì)濃度為:一般定義黃

7、色物質(zhì)濃度為:5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 黃色物質(zhì)黃色物質(zhì)融解有機(jī)物DOM的光譜吸收曲線5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 海洋初級生產(chǎn)力海洋初級生產(chǎn)力 初級生產(chǎn)力表示在單位海洋面積內(nèi),浮游植物通過光初級生產(chǎn)力表示在單位海洋面積內(nèi),浮游植物通過光合作用固定碳的速率或能力,與平均葉綠素相關(guān),單位為合作用固定碳的速率或能力,與平均葉綠素相關(guān),單位為mgm-2d-1。 反演算法有:經(jīng)驗算法、解析算法。反演算法有:經(jīng)驗算法、解析算法。5.1 概述概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念 赤潮赤潮 海水中的浮游生物過度繁殖或聚焦致使海水變色(海水中的浮游生物過度繁殖或聚焦致使海

8、水變色(多多為紅色為紅色)的一種生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。)的一種生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。5.2 海洋水色遙感機(jī)理海洋水色遙感機(jī)理1.海洋水色遙感機(jī)理的簡單描述 海洋水色遙感是基于傳感器接收的離水輻射(透射海洋水色遙感是基于傳感器接收的離水輻射(透射入水的輻射經(jīng)過水體反射離開水面的輻射)所進(jìn)行的。入水的輻射經(jīng)過水體反射離開水面的輻射)所進(jìn)行的。 水中各重要成分濃度變化水中各重要成分濃度變化水體吸收和散射光學(xué)性水體吸收和散射光學(xué)性質(zhì)變化質(zhì)變化離水輻射度變化離水輻射度變化傳感器接收信號發(fā)生變化。傳感器接收信號發(fā)生變化。 水色遙感過程:水色遙感過程:通過通過大氣校正大氣校正,得到離水輻射,再,得到離水輻射,再

9、根據(jù)各成分濃度與離水輻射之間的根據(jù)各成分濃度與離水輻射之間的相關(guān)關(guān)系相關(guān)關(guān)系,反演得到,反演得到各水色要素濃度。各水色要素濃度。5.2 海洋水色遙感機(jī)理海洋水色遙感機(jī)理.海洋水色遙感的正演與反演5.2 海洋水色遙感機(jī)理海洋水色遙感機(jī)理.大氣校正前后的輻射度對水色要素的指示不同TOABOA5.2 海洋水色遙感機(jī)理海洋水色遙感機(jī)理2.具體的模型描述 - - 水氣輻射傳輸模型水氣輻射傳輸模型uLuwiwLntL)/(2winrt,pathLtLpathawastLtLtrLLsLsdattt,a. 簡化模型簡化模型ardsswtLLtrLtLLb. a模型細(xì)化模型細(xì)化rLaLardsswtLLtrL

10、tLLc. 考慮多次散射和白浪引起的散射考慮多次散射和白浪引起的散射ruswcLtL水中物質(zhì)太陽傳感器海表srsLrL wcL.利用水氣輻射傳輸模型反演的主要過程(1 1)輻射定標(biāo))輻射定標(biāo)(2 2)大氣校正)大氣校正ruswcardsswtLtLLLtrLtLL 采用近似法(如對模型進(jìn)行合理的簡化)和數(shù)值法(如采用近似法(如對模型進(jìn)行合理的簡化)和數(shù)值法(如采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計算);采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計算); 利用近紅外兩個波段的離水輻射度近似為利用近紅外兩個波段的離水輻射度近似為0來進(jìn)行校正。來進(jìn)行校正。第8波段氣溶膠散射計算n值其它波段氣溶膠散射(3 3)水色要素反演)水

11、色要素反演-(-(生物光學(xué)算法、經(jīng)驗公式法)生物光學(xué)算法、經(jīng)驗公式法).利用水氣輻射傳輸模型反演的主要過程 以以SeaWIFS(SeaStar)對一類水體探測為例,)對一類水體探測為例, 設(shè)置了大氣校正通道設(shè)置了大氣校正通道7(765nm) 和和8(865nm)。這二)。這二個波段的離水輻射度近似為個波段的離水輻射度近似為0。生物-光學(xué)算法已經(jīng)擴(kuò)展到了水中其它組分及海水光學(xué)性質(zhì)的研究。5.3 生物生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(1)(1)水面上的下行輻照度水面上的下行輻照度)0 ,(dE(2 2)水面向下的輻照度)水面向下的輻照度)0 ,(dE)0 ,()0 ,()1

12、 ()0 ,(uddrEEE)0 ,()0 ,()1 (ddrREE)0 ,(1)1 ()0 ,(ddErRE)0 ,(dEwL)0 ,(uL)0 ,(dE)0 ,(uERr)0 ,(/ )0 ,(duEER)/()(ababRscsc或5.3 生物生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(3)(3)水次表面向上輻照度與輻射度水次表面向上輻照度與輻射度的關(guān)系的關(guān)系)0 ,()0 ,(uuLQE)0 ,(dEwL)0 ,(uL)0 ,(dE)0 ,(uERr 體積散射相函數(shù)Q為散射光方向的輻射度與輻照度之比,它與介質(zhì)對光子散射的空間分布有關(guān)。對于光學(xué)上各向同性的介質(zhì),Q等于。在可

13、見光和近紅外光波段,海水的Q約等于4.55;當(dāng)接近中午太陽天頂角較小時,Q約等于5.0。5.3 生物生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度)0 ,(dEwL)0 ,(uL)0 ,(dE)0 ,(uERr(4)(4)離水輻射度離水輻射度LwLw的計算的計算2)()0 ,() 0 ,(),(wuiwvwnLtLL綜合以上諸式可得:綜合以上諸式可得:),(cos)()1 ()1 ()0 ,(),(022sswiwdivwtErRQnRtQnREtL)()()()1 ()1 ()0 ,()()(02WNWNwidwrsELrRQnRtELR單位:單位:Sr-1遙感反射率:遙感反射率:

14、)0 ,(/ )0 ,(duEER)0 ,(1)1 ()0 ,(ddErRE)0 ,()0 ,(uuLQE5.3 生物生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)2.歸一化離水輻射度(1 1)物理意義:當(dāng)太陽位于天頂處,且消除大氣的影響時,)物理意義:當(dāng)太陽位于天頂處,且消除大氣的影響時,海表離水輻射度的近似表達(dá)。海表離水輻射度的近似表達(dá)。(2 2)計算()計算(GordonGordon):):)cos/)(2)(exp(cos)()(sozrsWNwLL5.3 生物生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)3.離水反射率)()()()1 ()1 ()0 ,()()(02WNWNwidwrsEL

15、rRQnRtELR離水反射率:離水反射率: 歸一化離水反射率和歸一化離水輻射度與入射光達(dá)歸一化離水反射率和歸一化離水輻射度與入射光達(dá)到海面的輻照度無關(guān),只與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐暮Q髢?nèi)部各種粒到海面的輻照度無關(guān),只與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐暮Q髢?nèi)部各種粒子的成分和濃度有關(guān)。子的成分和濃度有關(guān)。單位:單位:Sr-1歸一化離水反射率:歸一化離水反射率:)()()(0ELWNWN)cos/)(2)(exp()(cos)()(0sozrWNswwEL遙感反射率:遙感反射率:5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演1.反演海洋水色要素需考慮的因素(1)水色遙感圖像的大氣校正;)水色遙感圖像的大氣校正;(2)多種水色要素對

16、離水輻射度的共同貢獻(xiàn);)多種水色要素對離水輻射度的共同貢獻(xiàn);(3)運(yùn)動的海水對水色要素反演的影響。)運(yùn)動的海水對水色要素反演的影響。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演2.海洋水色要素的反演方法 經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法 通過測量水體表面的光譜輻射特征和水中各水通過測量水體表面的光譜輻射特征和水中各水色要素的濃度,建立二者之間的定量關(guān)系。色要素的濃度,建立二者之間的定量關(guān)系。 基于模型的解析算法基于模型的解析算法 利用生物利用生物-光學(xué)模型描述水體要素與水體光譜輻光學(xué)模型描述水體要素與水體光譜輻射特征之間的相關(guān)性,建立二者之間的關(guān)系。射特征之間的相關(guān)性,建立二者之間的關(guān)系。5.4 海洋

17、水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演a.代數(shù)法(基于模型的解析算法)代數(shù)法(基于模型的解析算法) 也稱為半分析型生物光學(xué)算法。也稱為半分析型生物光學(xué)算法。21)()0 ,()()(ibbidwrsbabgELRigig0794. 0,0949. 021bpbwbphdgwbbbaaaaa,輻射因子i為海氣透射比與海水折射率之比;總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù):以上這些吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)對應(yīng)著各物質(zhì)的濃度。以上這些吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)對應(yīng)著各物質(zhì)的濃度。Carder,1996;固有光學(xué)量與遙感反射率的關(guān)系5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演a.

18、代數(shù)法(基于模型的解析算法)代數(shù)法(基于模型的解析算法) 浮游植物色素濃度C的反演:Cffaaw)(exp()()()(2162. 03 . 0)500(Cnmb利用吸收系數(shù):利用吸收系數(shù):利用衰減系數(shù):利用衰減系數(shù):)400(4 . 332. 0)(YbwrsXbaiRLeeLee等進(jìn)行了改進(jìn):等進(jìn)行了改進(jìn):5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演b.經(jīng)驗算法()經(jīng)驗算法() 對于I類水體:Cbbbaaabpbwbpw)()()(,)()()()(log(loglogjwiwLLBAC常用的經(jīng)驗關(guān)系:藍(lán)綠比值經(jīng)驗算法BjwiwLLAC)()( 利用水體隨著葉綠素濃

19、度的增大,離水輻射度光譜峰利用水體隨著葉綠素濃度的增大,離水輻射度光譜峰從藍(lán)波段向綠波段偏移的機(jī)理而提出藍(lán)綠比值經(jīng)驗算法。從藍(lán)波段向綠波段偏移的機(jī)理而提出藍(lán)綠比值經(jīng)驗算法。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演b. 經(jīng)驗算法()經(jīng)驗算法()- 最早針對最早針對CZCS設(shè)計的設(shè)計的 Gordon雙通道算法 Clack三通道算法252. 2321)(56. 5wwwLLLC71. 1)550()443(13. 1wwLLC44. 2)550()520(33. 3wwLLCC1.5mg/m3:其它情況:. NASA的另一種方法:BuuLLAC)0 ,550()0 ,44

20、3(或BRRAC)0 ,550()0 ,443(5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演b.經(jīng)驗算法()經(jīng)驗算法() 基于藍(lán)綠比值的MODIS算法(Esaias,1998)反演模型:5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演c.經(jīng)驗算法(經(jīng)驗算法(Tassan模型)模型) 預(yù)先定義:針對HY-1 COCTS和SeaWiFS:反演公式: 其中i,j 分別為接近葉綠素吸收最大值和最小值的波段;m,n 分別位于葉綠素吸收峰的兩邊,是次級波段。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(1)葉綠素濃度反演c.經(jīng)驗算法(經(jīng)驗算法(NSOAS模型

21、)模型) 預(yù)先定義:反演公式: 該模型與該模型與TassanTassan模型類似,但采用的波段模型類似,但采用的波段510nm510nm和后者的和后者的490nm490nm略有差異。略有差異。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(2)懸浮泥沙濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究懸浮泥沙定量遙感的試驗研究 采用水槽光譜實驗研究方法,確定不同濃度泥沙采用水槽光譜實驗研究方法,確定不同濃度泥沙含量水體的反射率與水體含沙量之間的相關(guān)關(guān)系。含量水體的反射率與水體含沙量之間的相關(guān)關(guān)系。 包括槽體、循環(huán)系統(tǒng)和測量平臺。試驗中測試水體的固有光學(xué)量和表觀光學(xué)量(歸一化)、水體成分。5.4 海洋水色

22、要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(2)懸浮泥沙濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究懸浮泥沙定量遙感的試驗研究 5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究懸浮泥沙定量遙感的試驗研究 450450900nm900nm波段反射率與懸浮泥沙含量存在固定的關(guān)系;波段反射率與懸浮泥沙含量存在固定的關(guān)系;隨著泥沙含量的增加,光譜反射率增大,但其增幅隨著含沙隨著泥沙含量的增加,光譜反射率增大,但其增幅隨著含沙量的增加而減小,峰值向紅光波段移動,即量的增加而減小,峰值向紅光波段移動,即“紅移現(xiàn)象紅移現(xiàn)象”;當(dāng)含沙量較大時,光譜反射率隨含沙量增加趨于某一常數(shù);當(dāng)含沙量較大時,

23、光譜反射率隨含沙量增加趨于某一常數(shù);含沙海水的反射率光譜存在兩個峰值(黃光波段和近紅外波含沙海水的反射率光譜存在兩個峰值(黃光波段和近紅外波段),含沙量較低時,第一個峰值大于第二個峰值,隨著含段),含沙量較低時,第一個峰值大于第二個峰值,隨著含沙量的增加,第二個峰值逐漸升高。沙量的增加,第二個峰值逐漸升高。試驗結(jié)果分析:試驗結(jié)果分析:5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演.懸浮泥沙遙感的定量模式懸浮泥沙遙感的定量模式 有關(guān)懸浮泥沙定量遙感反演的模式很多,但尚無有關(guān)懸浮泥沙定量遙感反演的模式很多,但尚無統(tǒng)一的定量模式或可靠的模型參數(shù)。主要原因在于統(tǒng)一的定量模式或可靠的模型參數(shù)。主要原因

24、在于: : 缺乏足夠、可靠的同步實測定標(biāo)資料;缺乏足夠、可靠的同步實測定標(biāo)資料; 利用某個時相遙感資料得到的定量模式,其參數(shù)很難利用某個時相遙感資料得到的定量模式,其參數(shù)很難具有普遍適用性;具有普遍適用性;5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演.懸浮泥沙遙感的定量模式經(jīng)驗?zāi)J綉腋∧嗌尺b感的定量模式經(jīng)驗?zāi)J?線性關(guān)系式線性關(guān)系式wsBA, 對數(shù)關(guān)系式對數(shù)關(guān)系式wsBA,ln適于低含沙量的水域5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演.懸浮泥沙遙感的定量模式經(jīng)驗?zāi)J綉腋∧嗌尺b感的定量模式經(jīng)驗?zāi)J?利用地面同步或準(zhǔn)同步的測量數(shù)據(jù)建立關(guān)系,求解模型系數(shù)。利用地面同步或準(zhǔn)同步的測量數(shù)據(jù)建

25、立關(guān)系,求解模型系數(shù)。3-490nm,5-550nm,6-670nmswsXBA,10log泥沙遙感參數(shù)實驗結(jié)果R20.90 TassanTassan模型模型 NSOASNSOAS線性模型線性模型5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演.懸浮泥沙遙感的定量模式理論模式懸浮泥沙遙感的定量模式理論模式 GordonGordon公式公式wswsBAC, 以大氣物理和海洋光學(xué)的基本特性為依據(jù),從理論以大氣物理和海洋光學(xué)的基本特性為依據(jù),從理論上導(dǎo)出反射率隨懸浮泥沙含量變化的基本關(guān)系。上導(dǎo)出反射率隨懸浮泥沙含量變化的基本關(guān)系。 負(fù)指數(shù)關(guān)系公式負(fù)指數(shù)關(guān)系公式1 /,dkhwseBA該式不如對數(shù)公式

26、的精度高。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演.懸浮泥沙遙感的定量模式理論模式懸浮泥沙遙感的定量模式理論模式 GordonGordon公式與負(fù)指數(shù)關(guān)系公式聯(lián)合公式與負(fù)指數(shù)關(guān)系公式聯(lián)合wsDwswswswseGCGBAL,)/()/(, A,B,C,G,D A,B,C,G,D為待定系數(shù)(參數(shù)),可通過為待定系數(shù)(參數(shù)),可通過回歸計算得出?;貧w計算得出。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(3)黃色物質(zhì)的遙感反演目前海洋水色遙感對黃色物質(zhì)的研究主要有兩類:目前海洋水色遙感對黃色物質(zhì)的研究主要有兩類: 水色遙感時如何消除黃色物質(zhì)的干擾水色遙感時如何消除黃色物質(zhì)的干擾 研究遙

27、感反演黃色物質(zhì)濃度的方法研究遙感反演黃色物質(zhì)濃度的方法5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(3)黃色物質(zhì)的遙感反演 TassanTassan模式模式1-412nm,2-443nm,3-490nm NSOASNSOAS線性模型線性模型5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演a.大氣校正大氣校正 在近紅外波段建立耦合的水文在近紅外波段建立耦合的水文- -大氣光學(xué)模式,根據(jù)大氣光學(xué)模式,根據(jù)水體后向散射在近紅外波段之間的關(guān)系,迭代計算水體后向散射在近紅外波段之間的關(guān)系,迭代計算近紅外波段的氣溶膠特性。近紅外波段的氣溶膠特性。 假設(shè)氣溶膠類型在小范圍內(nèi)基本不變

28、,借用鄰近較假設(shè)氣溶膠類型在小范圍內(nèi)基本不變,借用鄰近較潔凈水體的大氣條件來計算渾濁海水的氣溶膠輻射潔凈水體的大氣條件來計算渾濁海水的氣溶膠輻射率,實現(xiàn)對率,實現(xiàn)對類水體的大氣校正。類水體的大氣校正。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演b.反演方法反演方法 經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法 代數(shù)法(前面已介紹)代數(shù)法(前面已介紹) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 非線性最優(yōu)化法非線性最優(yōu)化法 主成分分析法主成分分析法5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演b.反演方法非線性最優(yōu)化法反演方法非線性最優(yōu)化法 首先確定一個海洋水色模式,通過調(diào)整作為輸入首

29、先確定一個海洋水色模式,通過調(diào)整作為輸入?yún)?shù)的反演濃度(即葉綠素、懸浮無機(jī)物、黃色物參數(shù)的反演濃度(即葉綠素、懸浮無機(jī)物、黃色物質(zhì)等),重復(fù)計算與之對應(yīng)的輻亮度值,使得模式質(zhì)等),重復(fù)計算與之對應(yīng)的輻亮度值,使得模式計算所得的輻亮度值與實際測得的輻亮度值之間的計算所得的輻亮度值與實際測得的輻亮度值之間的誤差在某個閾值內(nèi)。誤差在某個閾值內(nèi)。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演b.反演方法非線性最優(yōu)化法(反演方法非線性最優(yōu)化法(應(yīng)用時注意應(yīng)用時注意) 設(shè)置預(yù)測模型的參數(shù)時要保證將要反演的未知參量設(shè)置預(yù)測模型的參數(shù)時要保證將要反演的未知參量之間的之間的相關(guān)性相關(guān)性盡

30、可能小。盡可能小。 盡量為每一個需要反演的未知量設(shè)定限值,從而保盡量為每一個需要反演的未知量設(shè)定限值,從而保證得到唯一確定的誤差最小值,而且還可提高運(yùn)算證得到唯一確定的誤差最小值,而且還可提高運(yùn)算速度。速度。5.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演b.反演方法非線性最優(yōu)化法(反演方法非線性最優(yōu)化法(應(yīng)用時注意應(yīng)用時注意) 懸浮物 生物耗氧量 濁度 總磷 溶解氧 高錳酸鹽指數(shù) 總氮 0.625 0.627 0.851 -0.603 0.737 -0.852 0.816 0.692 -0.641 0.636 -0.732 內(nèi)陸水體實測結(jié)果用于說明水色要素之間的相關(guān)性5

31、.4 海洋水色要素濃度反演海洋水色要素濃度反演(4)類水體的水色反演b.反演方法主成分分析法反演方法主成分分析法 對光譜數(shù)據(jù)的主成分分析可以決定所需光譜通道數(shù)對光譜數(shù)據(jù)的主成分分析可以決定所需光譜通道數(shù)及每一個光譜通道在反演水體組分濃度時所占的權(quán)重。及每一個光譜通道在反演水體組分濃度時所占的權(quán)重。 相對于使用所有波段而言,主成分分析法增強(qiáng)了各波段之間的相對于使用所有波段而言,主成分分析法增強(qiáng)了各波段之間的差別,提高了反演水體組分的準(zhǔn)確性。算法簡單、穩(wěn)定、運(yùn)算快捷,差別,提高了反演水體組分的準(zhǔn)確性。算法簡單、穩(wěn)定、運(yùn)算快捷,大氣影響自動體現(xiàn)在加權(quán)因子中,不必進(jìn)行大氣校正。大氣影響自動體現(xiàn)在加權(quán)因

32、子中,不必進(jìn)行大氣校正。5.5 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(1)赤潮水體的光譜特性 赤潮水體具有兩個反射赤潮水體具有兩個反射峰,而正常海水則表現(xiàn)為單峰,而正常海水則表現(xiàn)為單峰,同時,赤潮水體的反射峰,同時,赤潮水體的反射率都在率都在2%2%以下,而正常海水以下,而正常海水的反射率最高達(dá)的反射率最高達(dá)6.40%6.40%。690-710nm的反射峰是赤潮水體的特征光譜。不同濃度的藍(lán)綠藻的影響不同濃度的綠藻的影響 不同優(yōu)勢種類、不同濃度藻類引起的赤潮水體光譜曲線,反射峰位置都有所差別。5.5 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(1)赤潮水體的光譜特性5.5 赤潮

33、現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(2)赤潮水體的遙感監(jiān)測 赤潮水體與正常水體所表現(xiàn)出的不同光譜特征,是赤潮水體與正常水體所表現(xiàn)出的不同光譜特征,是赤潮水體遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)。赤潮水體遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)。 隨赤潮生物密度的加大,海水后向散射藍(lán)光和綠光隨赤潮生物密度的加大,海水后向散射藍(lán)光和綠光波段的輻射量明顯減小,而紅光波段的輻射量則相應(yīng)增波段的輻射量明顯減小,而紅光波段的輻射量則相應(yīng)增大。這也是赤潮水體呈現(xiàn)紅色的主要原因。大。這也是赤潮水體呈現(xiàn)紅色的主要原因。a.原理基礎(chǔ)原理基礎(chǔ) 5.5 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(2)赤潮水體的遙感監(jiān)測 能夠最有效地將赤潮與懸浮泥沙

34、和葉綠素等區(qū)分開能夠最有效地將赤潮與懸浮泥沙和葉綠素等區(qū)分開的光譜波段是最佳波段。的光譜波段是最佳波段。 赤潮水體光譜的吸收谷和反射峰(尤其是赤潮水體光譜的吸收谷和反射峰(尤其是690-710nm690-710nm波段范圍)可視為赤潮遙感探測的最佳波段。波段范圍)可視為赤潮遙感探測的最佳波段。b.遙感探測的最佳波段遙感探測的最佳波段 但目前,海洋水色衛(wèi)星傳感器大都未設(shè)置赤潮監(jiān)測波段,很多研究采用航空高光譜遙感技術(shù)。c.不同平臺遙感數(shù)據(jù)在赤潮監(jiān)測中的可用性不同平臺遙感數(shù)據(jù)在赤潮監(jiān)測中的可用性 5.5 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(2)赤潮水體的遙感監(jiān)測 目前采用衛(wèi)星、飛機(jī)和現(xiàn)

35、場船舶等多種手段,對赤目前采用衛(wèi)星、飛機(jī)和現(xiàn)場船舶等多種手段,對赤潮的分布形態(tài)、發(fā)生范圍、生物種類、貝毒和海洋水文、潮的分布形態(tài)、發(fā)生范圍、生物種類、貝毒和海洋水文、海洋化學(xué)等多種要素進(jìn)行監(jiān)測。海洋化學(xué)等多種要素進(jìn)行監(jiān)測。 赤潮遙感探測方法大致可歸納為單波段遙感技術(shù)、赤潮遙感探測方法大致可歸納為單波段遙感技術(shù)、多波段遙感技術(shù)和數(shù)值模擬遙感技術(shù)。多波段遙感技術(shù)和數(shù)值模擬遙感技術(shù)。d.赤潮遙感探測的方法赤潮遙感探測的方法 5.5 赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演(2)赤潮水體的遙感監(jiān)測 考慮到資料的時效性和實用性,海面溫度考慮到資料的時效性和實用性,海面溫度SSTSST的異常變的異常變化是赤潮監(jiān)測中非常有效的方法?;浅喑北O(jiān)測中非常有效的方法。 溫度是赤潮發(fā)生的一個重要環(huán)境因素,直接或間接控溫度是赤潮發(fā)生的一個重要環(huán)境因素,直接或間接控制著赤潮生物的生長和增殖,同時也影響著赤潮生物的水制著赤潮生物的生長和增殖,同時也影響著赤潮生物的水平分布。反之,赤潮

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