海岸帶遙感教材

第四章二類水體水色遙感監(jiān)測(cè)

一、二類水體水色遙感機(jī)理

二、懸浮泥沙遙感監(jiān)測(cè)

三、葉綠素遙感監(jiān)測(cè)

一、二類水體水色遙感機(jī)理

（一）、二類水體水色遙感機(jī)理

海色要素遙感探測(cè)器是被動(dòng)式可見光輻射計(jì)，即水色輻射計(jì)，它的輸出電壓與其所接收到的輻射有如下關(guān)系：

式中：為輻射計(jì)光譜響應(yīng)，它與波長有關(guān)，若輻射特性近似矩形，則等于矩形頂高；為輻射計(jì)接收到某波長、某觀測(cè)角時(shí)的輻射率；為儀器的觀測(cè)立體角；為瞬時(shí)視場(chǎng)面積。

儀器接收到的輻射為三部分組成，即

式中：為經(jīng)大氣衰減的離水輻射，（為大氣透射比）；為海面的耀光輻射，（包括太陽耀光和天空耀光）；為大氣路程輻射，它主要是經(jīng)大氣散射輻射而進(jìn)入儀器視野內(nèi)的；太陽耀光應(yīng)設(shè)法避免，可通過合理安排衛(wèi)星軌道、太陽仰角和儀器觀測(cè)角達(dá)到。

一、二類水體水色遙感機(jī)理

（二）、海洋水色遙感的主要特征參量

1、水體表觀光學(xué)量與固有光學(xué)量

所謂表觀光學(xué)量（ApparentOpticalProperties,AOPs）是隨著光照條件而變化的量，如向下輻照度、向上輻照度、離水輻射率、遙感反射率、輻照度比等，以及這些量的漫衰減系數(shù)。

固有光學(xué)量（InherentOpticalProperties,IOPs）是指只與水體成分有關(guān)而不隨光照條件變化而變化的量。

固有光學(xué)量包括：

（1）水分子的吸收系數(shù)散射系數(shù)、散射相函數(shù)；（2）葉綠素a的吸收系數(shù)、單位吸收系數(shù)、散射系數(shù)、單位散射系數(shù)、后向散射系數(shù)、前向散射系數(shù)、散射相函數(shù)；（3）黃色物質(zhì)的單位吸收系數(shù)；（4）其他成分，包括無機(jī)物、碎屑等的的吸收散射特性。固有光學(xué)量中最重要的是單位吸收系數(shù)和體散射相函數(shù)。（二）、海洋水色遙感的主要特征參量

2、二類水體的成分

一般水體可能含有以下七種成分:（1）活的藻類細(xì)胞，其濃度可能有很大變化。（2）連帶的碎屑，即由浮游生物的自然死亡降解和浮游動(dòng)物的消化排泄產(chǎn)生的碎屑。（3）溶解有機(jī)質(zhì)，由藻類和它們的碎屑釋放出來的物質(zhì)（黃色物質(zhì)）。（4）再次懸浮的泥沙，沿岸海底和淺海區(qū)因海流等作用而掀起的泥沙。（5）陸源顆粒，河流冰川帶入的礦物顆粒等。（6）陸源溶解有機(jī)質(zhì)（黃色物質(zhì)）。（7）人類活動(dòng)產(chǎn)生并進(jìn)入海洋的顆粒和溶解物（二）、海洋水色遙感的主要特征參量

二、懸浮泥沙遙感監(jiān)測(cè)

1、懸浮泥沙遙感反演模型

（1）、線性關(guān)系式

惲才興等利用長江口幅MSS遙感圖像的灰度值，直接與地面同步水文測(cè)驗(yàn)的表層水體含沙量建立相關(guān)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：為渾水區(qū)清水區(qū)灰度差值；x為所求的水體實(shí)際含沙量；a，b為實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)，下標(biāo)λ表示所選用的波段MSS5和MSS6。

（2）、對(duì)數(shù)關(guān)系式

韓震、惲才興等利用長江口和浙江象山港泥沙為樣本，進(jìn)行了懸浮泥沙水槽實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了懸浮泥沙含量和泥沙遙感參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析，得到了統(tǒng)計(jì)相關(guān)模式，其公式為：式中：a，b為實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)；為泥沙遙感參數(shù)。為各波段的遙感反射率；下標(biāo)4、5、6分別對(duì)應(yīng)490、550、670nm波段。1、懸浮泥沙遙感反演模型

（3）、負(fù)指數(shù)關(guān)系式

李京利用杭州灣NOAA衛(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)和準(zhǔn)同步采樣數(shù)據(jù)，建立了懸浮泥沙遙感定量模式，其模式表達(dá)為：式中：為衛(wèi)星數(shù)據(jù)輻射亮度值；為水體含沙量。1、懸浮泥沙遙感反演模型

（4）、Gordon關(guān)系式

H.R.Gordon等利用MonteCarlo方法解輻射傳輸方程，得到的公式為：

式中：為光譜反射率；為吸收系數(shù)；為后向散射系數(shù)；為常數(shù)。

1、懸浮泥沙遙感反演模型

低高

多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)大氣校正投影變換和幾何校正建立圖像輻射率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的相關(guān)關(guān)系

泥沙濃度圖像

計(jì)算含沙量和實(shí)測(cè)含沙量對(duì)比分析

圖像亮度值轉(zhuǎn)換成反射率精度檢驗(yàn)2、技術(shù)流程

泥沙遙感定量反演流程

3、成果例圖

長江口春季泥沙分布圖（1998年4月）

長江口夏季泥沙分布圖（1998年7月）

長江口秋季泥沙分布圖（1998年10月）

長江口冬季泥沙分布圖（1998年1月）

渤海春季泥沙分布圖（1998年4月）

渤海夏季泥沙分布圖（1998年7月）

渤海秋季泥沙分布圖（1998年10月）渤海冬季泥沙分布圖（1998年1月）

三、葉綠素遙感監(jiān)測(cè)

1、葉綠素信息反演模型

（1）、經(jīng)驗(yàn)算法

經(jīng)驗(yàn)算法是基于兩個(gè)波段的反射率與葉綠素濃度之間的回歸分析為基礎(chǔ)的。變換后模型的一般形式為：冪函數(shù)，雙曲函數(shù)，三次方函數(shù)或多元函數(shù)。

1）波段比值法

式中的系數(shù)和參量直接由遙感數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析得到。波段比值法的優(yōu)點(diǎn)：一是有可能部分消除因太陽高度角、觀測(cè)角不同而造成的誤差；二是部分地消去大氣效應(yīng)。

Morel和Prieur提出以下模式：

Gordon和Clark提出以下模式：

Muller-karger等提出以下模式：

費(fèi)尊樂利用CZCS資料計(jì)算出次表層向上輻射率后，提出了估算近岸水域二類水體的色素濃度算法為：當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)其中，C為色素濃度，為λ波長的向上輻射率。

1）波段比值法

Wilson和Austin提出比較精確的一般的關(guān)系式為：式中：常數(shù)用實(shí)驗(yàn)方法來確定。

1）波段比值法

2）熒光線高度法

依據(jù)熒光峰高度(FLH)與葉綠素濃度的相關(guān)特性，建立的統(tǒng)計(jì)算法即為熒光線高度法(FLH)。該方法是以波長為650nm和730nm為基線，測(cè)量波長為685nm的熒光峰高度。在太陽光的激勵(lì)下，海面熒光輻射量與葉綠素濃度呈正相關(guān)，可以應(yīng)用下式遙感測(cè)量海面葉綠素濃度。式中：Chla為海面葉綠素濃度C(mg/m3)；FLH為熒光線高度值(W/(cm2·sr·nm))；a，b為回歸系數(shù)。其中式中:△λi為波帶Bi的帶寬(nm)；F(Bi)為光譜輻射率函數(shù)；f(Bi)是Bi波段在帶寬△λi范圍內(nèi)的平均輻射率[W/(cm2·sr·nm)]；λq,λr,λs分別為波段Bq、Br和Bs的中心波長(nm)。（2）、分析模型方法

基于模型分析的算法主要特點(diǎn)是利用生物光學(xué)模式描述水體組分與離水輻射之間的關(guān)系，利用輻射傳遞模型模擬光在大氣和海洋中傳播的光譜特征。這些模式在海水的不同組分、大氣的不同狀態(tài)下計(jì)算水面或大氣層頂(TOA,TopoftheAtmosphere)的模擬光譜，然后建立反演算法，求解海水組分。1）代數(shù)方法2）非線性優(yōu)化方法3）主成分方法4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（3）、現(xiàn)有業(yè)務(wù)化應(yīng)用的葉綠素濃度提取模型

1)Calcofi模型該模型由美國GregMitchell等學(xué)者依據(jù)在南加利福尼亞灣(西經(jīng)-125°-117°,北緯29°-35°)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計(jì)模型，葉綠素濃度測(cè)量范圍在0.05～22.3mg/m3。

(a)線性模型：Chla=100.444-2.431X(X=log[R490/R555])

(b)立方模型：(X=log[R490/R555])(c)三波段模型：Chla=exp[1.025-1.622ln(R490/R555)-1.238ln(R510/R555)](d)四波段模型：Chla=exp[0.753-2.583ln(R443/R555)+1.39ln(R412/R510)]2）Morel模型Morel模型1：Chla=100.2492-1.768X(X=log(R443/R555))Morel模型2：Chla=exp[(1.07783-2.5426X)](X=log(R490/R555))Morel模型3：(X=log(R443/R555))Morel模型4：(X=log(R490/R555))（3）、現(xiàn)有業(yè)務(wù)化應(yīng)用的葉綠素濃度提取模型

3）Carder模型

(X=log(R490/R555))4）Aiken模型

Chla=exp(0.464-1.989lnX)如果Chla<2.0μg/l，則Chla=(X-5.29)/(0.719-4.23X)其中：X=Lwn490/Lwn5555）CZCS模型當(dāng)0<Chla<1.5mg/m3時(shí)

Chla=100.053-1.71X(X=Lw443/Lw550)當(dāng)1.5mg/m3<Chla時(shí)

Chla=100.522-2.441X(X=Lw520/Lw550)對(duì)于一類海水該模型反演精度大約在35%～40%，二類海水誤差較大。

（3）、現(xiàn)有業(yè)務(wù)化應(yīng)用的葉綠素濃度提取模型

6）SeaWIFS模型OC1-a模型：Chla=100.3734-2.4529X

OC1-b模型：Chla=-0.010+100.3636-2.350X

OC1-c模型：OC1-d模型：OC2模型：OC2-v2模型：OC2-v4模型：其中：X=log(R490/R555)OC4最大波段比值模型：其中：Xmax=Max[log(Rrs443,490,510/Rrs555)]7）OCTS-C模型Chla=10-0.55+3.497XX=log[(Lwn520+Lwn565)/Lwn490]8）Polder模型(X=log[R443/R555])9）Clark三波段模型：Chla=100.745-2.252XX=log((Lwn443+Lwn520)/Lwn550)

接收獲取原始影像大氣校正幾何校正模型建立海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量模型評(píng)估(精度、適用