用多层感知器模型由吸收光谱反演浮游植物色素

浮游植物吸收光谱已逐渐成为高光谱水色遥感的可获取参量。文章采用了多层感知器模型, 由珠江口担杆群岛附近水体的浮游植物吸收光谱进行了色素浓度的反演, 感知器的输入量是浮游植物吸收光谱, 输出量分别对应叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、光保护类胡萝卜素和非光保护类胡萝卜素五大类主要色素的浓度。分析结果表明, 叶绿素a和叶绿素c估算结果的平均相对偏差比较低, 在测试数据集中两者的偏差分别为19.06%和15.90%; 光保护类胡萝卜素和非光保护类胡萝卜素的估算浓度的相对偏差比较高, 对于测试数据而言, 分别为37.62%和36.96%; 叶绿素b浓度在测试数据集中的估算相对偏差约为27.47%。五大类色素在测试数据集和训练数据集的估算偏差比较接近, 已训练好的多层感知器可用于担杆岛水体中色素信息的反演。同时, 此色素反演方法也为遥感监测水体浮游植物种群动态提供了重要的手段。     

基于浮游植物吸收光谱提取粒径参数

在南海北部、大亚湾及珠江口3个不同水体生物-光学数据的基础上, 研究了浮游植物粒径结构的变化特征, 建立了基于浮游植物吸收光谱提取的浮游植物粒径参数(S<f>)的混合光谱模型。南海海区不同的水体环境下浮游植物的粒级结构有着很大的差异: 在河口和沿岸水体小型浮游植物占优势, 在外海水体微微型浮游植物占优势。浮游植物粒径参数随小型浮游植物增多而减少, 随微微型浮游植物增多而增大。叶绿素a浓度从外海到沿岸逐渐增大, 浮游植物粒径参数随叶绿素a浓度的增大而减小, 它们之间呈幂函数关系。结果表明, 利用混合光谱模型得到的浮游植物粒径参数与南海海区不同水体的生物-光学特征(粒级结构Rpico和Rmicro、粒级指数SI、叶绿素a浓度)有一定的相关性。具体的相关性表示为: S<f>与粒级结构(Rpico和Rmicro)存在一定的关系, 与小型浮游植物和微微型浮游植物之间的线性相关系数分别是0.55和0.65; S<f>与浮游植物粒级指数(SI)有较好的线性关系, 相关系数是0.57; S<f>与叶绿素a浓度呈幂函数关系, 相关系数是0.64。这个混合光谱模型为从光学参数反演浮游植物种群的生态学信息提供了有效的手段, 同时又可用于分析浮游植物优势粒径结构对光学特性的影响。     

秦皇岛外海低氧区颗粒物吸收光谱特征

近年来, 渤海夏季低氧现象频发, 引起了人们的广泛关注。然而对该海域低氧形成的机制还未得到充分认识。研究基于在秦皇岛外海的现场观测, 分析了海水中颗粒物吸收光谱特征及其与不同粒径浮游植物叶绿素a (chl a)组成、环境因子的关系, 评估了夏季底层水体脱氧过程中有机物来源与特征。结果显示,夏季秦皇岛外海微型浮游植物chl a占总量的80%。表层水体中, 总颗粒物吸收光谱[a_p(l)]特征由浮游植物色素吸收光谱[a_ph(l)]主导, 在中、底层水体中则由碎屑颗粒物吸收光谱[a_d(l)]主导。垂向上, a_p(440)和a_d(440)均表现为表层<中层<底层。结果还表明, 浮游植物粒径主导秦皇岛外海chl a的光吸收效率, 即a^*_ph(440)。基于三粒级chl a含量, 可利用多元回归预测a_ph(440)。碎屑颗粒物的吸收光谱同样受浮游植物群落、有机质相对含量等的影响。研究结果表明初级生产产生的微型颗粒有机物是底层水体脱氧的主要底物。     

人工神经网络方法反演东中国海悬移质浓度

海中悬移质是决定海洋光学性质、海洋水质,河口海岸带演变动力过程的重要环境参数。本文利用模拟遥感反射比数据集建立人工神经网络反演悬移质浓度,并利用东中国海现场同步数据对该算法进行验证。     

基于南海北部海区浮游植物吸收光谱斜率变化的粒级结构反演

浮游植物的粒级结构是一个重要的生物参数。基于南海北部海区不同水体环境下测量的生物光学数据, 作者深入研究了粒级结构对浮游植物吸收光谱的影响。结果表明, 选择443和510nm波段计算得到的浮游植物光谱斜率S对粒级结构的变化具有较高的敏感性, 其随着小型浮游植物比例的增大呈不断增加的趋势。S与水体叶绿素a浓度、浮游植物吸收系数(aph(443))之间表现出明显的正相关特征。以40%为界对不同粒级浮游植物的优势进行定义, 发现在S与叶绿素a浓度、aph(443)的关系分布中小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物占据优势的水体表现出较为明显的分界, 叶绿素a浓度和aph(443)分别在0.70mg•m-3和0.05m-1附近, 相应的S在0.0004(m•nm)-1左右。基于实测数据建立的遥感反射率蓝绿波段比值与S之间的统计关系, 决定系数高达0.91, 为从水色遥感数据反演浮游植物粒级结构提供了重要手段。     

几种典型藻种吸收光谱特性的比较

以小球藻、扁藻、裸甲藻和它们的混合物为研究对象,通过实验室培养连续观测其吸收光谱,对不同生长期藻类的吸收光谱进行了比较,分析了不同藻类675 nm处吸收系数与Chla浓度的关系,并分析了不同藻类的比吸收光谱。由于色素组成及其比例的不同、色素的包囊效应以及附属色素对吸收的贡献,不同藻种的比吸收光谱有所差异。研究表明,在Chla浓度范围为(27.69～2 856.47)mg.m-3时,比吸收系数在特征波段下的吸收值在440nm为(0.016 9～0.087 9)m2·mg-1,在675 nm为(0.011 2～0.054 9)m2·mg-1。     

可调谐半导体激光吸收光谱技术对CO2浓度的测量研究

CO_2作为地球大气中第三大含量的痕量气体,也是含量最大的温室气体,会导致气候变暖和生态系统的破坏等一系列环境问题,因此CO_2浓度的准确测量具有重要意义。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用气体的特征吸收光谱,可以对气体进行无需预处理的高灵敏度测量。基于TDLAS技术,搭建了采用直接吸收光谱的实验系统,根据与水分子的对比分析,选择CO_2在2 004 nm附近的强吸收线,在27 m的光程下达到的检测限为2.97×10~(-6)。采用LGR气体分析仪作为对比,测量了室内空气的CO_2浓度,无人和有人时二者的相关系数分别为0.996 5和0.987 5,在CO_2浓度变化趋势上表现出了良好的一致性。     

基于人工神经网络的海水漫射衰减系数的遥感反演方法

利用NOMAD数据集建立了基于人工神经网络的漫射衰减系数Kd490的反演算法。该人工神经网络是3层的反向传输神经网络。其结构为输入层有4个节点,它们分别对应4个波段443,490,555,665 nm的遥感反射比,隐含层有10个节点,输出层1个节点对应于漫衰减系数Kd490。利用另一独立的现场测量数据集(COASTLOOC)印证该反演算法的性能。结果表明,该研究建立的反演算法的性能明显好于业务化SeaWiFS算法,略好于Lee等人的半分析算法。     

基于人工神经网络的混凝土疲劳寿命估算

把决定混凝土疲劳寿命的应力水平，应力比，加载频率和描述随机性的破坏概率作为神经网络的输入，以疲劳寿命作为网络的输出，用网络结构描述它们之间的非线性关系，利用实验数据样本完成了网络的训练，并对模拟样本进行了估算，实例计算了结果表明，利用已有疲劳试验数据训练好的人工神经网络进行混凝土疲劳寿命估算，可部分代替冗长，昂贵的疲劳实验。     

不同光程放大校正因子对中国近海典型水体吸收光谱的影响

在总结各种文献对光程放大校正因子研究的基础上,通过颗粒物吸收系数量值和吸收光谱谱形两个方面,对不同光程放大校正因子对中国近海典型水体颗粒物吸收光谱的影响进行了比较。当ODf-ODf(750 nm)的吸光度在0.005～0.5的范围时,不同光程放大校正因子得到的悬浮颗粒物吸光度值差异较大。     

Latitudinal and Vertical Distributions of Phytoplankton Absorption Spectra in the Central North Pacific during Spring 1994

Vertical changes of phytoplankton absorption spectra along 175°E from 48°N to 15°S were examined during spring 1994. The absorption spectra were analyzed using three different approaches; averaging the spectra within same oceanic areas, EOF analysis, and multiple regression analysis. Average spectra showed differences in five oceanic areas; subarctic, Kuroshio, subtropical surface, equatorial surface, and subtropical and equatorial subsurface areas. The distributions of the EOF mode of the variance of absorption spectra and of the pigments estimated by the multiple regression analysis indicated consistent differences of the spectra between those areas. Kuroshio water contains highest chlorophyll a concentrations and low chlorophyll-a-specific absorption spectra, and this may be caused by the package effect with large phytoplankton cell and by low concentrations of photo-protected carotenoids. Subtropical and equatorial subsurface water showed high absorption at 480 nm and indicated the effects of chlorophyll b. Absorption of the subsurface phytoplankton also showed a shift of the blue peak, possibly caused by the presence of divinyl-chlorophyll a. The consistency of the three different analytical methods indicates that the phytoplankton absorption includes significant information on pigment composition along a north-south vertical section of the central North Pacific.     

基于船载走航观测高光谱颗粒物吸收系数反演浮游植物粒级结构*

利用高光谱监测数据反演浮游植物种群组成是当前海洋光学和水色遥感的研究热点。文章采用大西洋经向断面航次中走航式观测系统测量的海水总颗粒物吸收光谱数据, 尝试建立了两种模型对浮游植物粒级结构(Phytoplankton size class, 简称PSC)进行反演和比较讨论。一类模型是基于总颗粒物吸收光谱高斯分解获得的典型波段高斯带强度与色素浓度之间的关系, 建立了偏最小二乘回归模型(Partial Least Squares regression model, 简称PLS回归模型); 另一类模型是采用长波波段吸收基线高度推算海水总叶绿素a浓度, 进而根据Brewin等(2010)生物量算法推算PSC的三组分模型(简称三组分模型)。模型比较验证结果显示, 两类模型对海水总叶绿素浓度的反演都有较高的精度, 相对偏差ME在15%左右; 对于三个粒级浮游植物对应的叶绿素浓度(Pico级C_p, Nano级C_n, Micro级C_m)的反演效果也相当, PLS回归模型反演的ME分别为28.4%、31.9%和41%, 三组分模型反演的ME分别为31%、35.9%、37.7%。研究结果初步表明了采用高光谱吸收系数反演浮游植物种群结构的潜在优势, 可为不同海域走航式高光谱观测系统的推广应用提供思路。     

Partitioning particulate absorption coefficient into contributions of phytoplankton and nonalgal particles: A case study in the northern South China Sea

We measured the absorption coefficients of suspended particles (a_p(λ)) during three cruises from coastal waters to open ocean in the northern South China Sea (NSCS). The absorption contributions of phytoplankton (a_ph(λ)) and nonalgal particles (a_NAP(λ)) were determined using the methanol extraction method. Based on the dataset of about 360 samples, we examined the spectral relationships of the particle absorption coefficients. The results show that a_p(λ) spectra are well linearly correlated with a_p(443) over the wavebands between 420–650 nm; a_ph(λ) could be well expressed as the second-order quadratic equations of a_ph(443) among the blue-green wavebands, and a_NAP(λ) follows the general exponential function. Based on these spectral relationships, a model was proposed for partitioning the total particulate absorption coefficients into the contributions of phytoplankton and nonalgal particles using the nonlinear optimization method. The model was validated by comparing the computed results with in situ absorption coefficients. In some wavebands, such as 412 nm, 443 nm, 490 nm and 683 nm, we obtained good correlations with the percentage root mean square error (RMSE) values being controlled within 25% and the slopes being closer to 1.0. For samples from coastal waters, the discrepancy was a little large, which might be due to the higher absorption contributions from certain pheopigments. Overall, this model provides us much insight into phytoplankton absorption retrieval from in situ measurements and remote sensing ocean color data.     

海洋浮游植物三维荧光光谱的逐层分类方法研究

提出活体海洋浮游植物三维荧光光谱逐层分类法,将浮游植物区分为不同的"光谱类别"。选取中国近海常见的26种分属于甲藻、硅藻、黄藻、金藻、隐藻、绿藻、蓝藻的浮游植物,在室温20℃和3个光照条件下培养,在第3,6,9,12,15天测其三维荧光光谱。采用主成份分析结合非负最小二乘回归法(NNLSR),以浮游植物叶绿素a的发射峰680nm所对应的激发光谱作为第一特征谱以区分门类,以EX730谱作为硅藻的逐层分类的第二特征谱,SY350谱作为甲藻的第二特征谱,将实验所用9种硅藻和8种甲藻各划分为3个光谱类别;分析405个浮游植物混合物,门类识别正确率大于94%,光谱类别的识别正确率为75%,该方法可用于海洋浮游植物种群结构变化的快速宏观监测。     

赤潮水体红光波段反射光谱的模拟及形成机理

赤潮水体红光波段反射光谱中"荧光峰"的红移现象一直备受研究者的广泛关注。本文基于前向辐射传输模型,通过2011年7月9日在大连湾海域实测的赤潮水体吸收系数和后向散射系数模拟了弹性散射作用下的反射光谱,发现在未考虑叶绿素荧光的情况下,红光波段仍存在显著的反射峰,且随叶绿素浓度的增加,反射峰出现红移现象;加入叶绿素荧光后,模拟光谱红光波段反射峰的位置与高度出现不同程度的改变,与实测光谱的更接近;对比模拟光谱与实测光谱可确定,红光波段的反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制,而文献中通常提到的"荧光峰"红移实由浮游藻类红光波段的强吸收作用导致,与叶绿素荧光无关,因此反射峰红移的说法更为合理。     

用于海洋-大气辐射传递计算的光学参数数据库

开发和建立了用于海洋-大气辐射传递计算的光学参数数据库.它包括海中主要成分(纯海水、浮游植物、悬移质、可溶有机物)的固有光学参数(光谱吸收系数、光谱散射系数等)及大气中主要气溶胶的有关光学参数.在这些光学参数中,大多数是来自现场的直接测量,一些是间接测量获取,还有一些是通过理论计算得到.     

辽东湾水体吸收系数区域性半分析反演算法

水体吸收系数是影响水体光场分布的重要参数,在水色遥感探测中受到广泛关注。本文利用2012年9月辽东湾区域航次调查数据分析该区域水体各组分吸收系数的分布情况,结果表明,辽东湾水体中浮游植物含量相对较高。并利用该航次数据,建立了区域性半分析算法,该算法基于相邻波段间固有光学量的线性关系,首先通过遥感反射率反演得到550 nm波段的水体总吸收系数,再通过后向散射波段相关关系外推得到其他波段的总吸收系数。经独立测试数据检验,3个波段(412、443、550 nm)总吸收系数反演的平均相对误差分别为19.71%,17.99%,9.35%,说明区域性半分析算法能较好地估算研究区域的水体总吸收系数。本文还通过引入随机误差对算法稳定性进行了检验,结果表明算法具有较好的稳定性。     

中国东部海域浮游植物类群遥感反演研究

浮游植物类群遥感反演能够为全面认识浮游植物在海洋生态系统中的作用提供重要的数据资料.但由于复杂的水体光学特性,近海浮游植物类群遥感反演存在着巨大挑战.本研究以复杂光学二类水体—中国东部海域为研究区,通过使用3种建模方法,即波段组合法、基于奇异值分解的多元线性回归法、基于奇异值分解的XGBoost回归法,利用遥感反射率数...