基于HY-1C卫星CZI影像的多类型内陆水体大气校正及水质参数反演

海洋一号C星(HY-1C)上搭载的海岸带成像仪(CZI)在内陆水体水色遥感应用方面具有较大潜力。目前,HY-1C CZI影像在内陆水体的大气校正和水质反演研究较少,仍然需要解决适用于不同类型内陆水体的大气校正和水质参数建模等问题。因此,本研究在华北平原的小浪底水库、官厅水库、丹江口水库、白龟山水库、白洋淀5个不同浑浊程度的湖泊和水库开展了星地同步实验,获取了85个采样点的水面遥感反射率光谱和水质参数实测数据。发展了基于Sentinel-2 MSI影像均匀不变地物的HY-1C CZI影像相对大气校正算法和系统定标模型。HY-1C CZI的蓝、绿、红、近红外波段遥感反射率反演平均无偏相对误差(AURE)分别为14.7%、11.2%、28.9%、41.7%,蓝、绿、红波段的大气校正精度相对较高;此外,大气校正与实测光谱的相关系数r的平均值为0.978,光谱角度距离(SAD)的平均值为0.109,说明大气校正遥感反射率光谱形状与实测光谱一致性较高。基于实测数据构建了叶绿素a浓度和透明度反演模型,经独立数据验证,HY-1C CZI影像叶绿素a浓度反演的AURE为33.8%,均方根误差(RMSE)...     

面向水体的HY-1B/COCTS图像条带噪声去除

HY-1B/COCTS是我国自主研发的第2颗海洋卫星HY-1B星搭载的水色水温扫描仪(Chinese ocean color and temperature scanner,COCTS)。由于COCTS的不同探测器对地物光谱响应有差异,其图像的行间存在明暗的条带噪声。针对COCTS图像在水色遥感中的应用特点,在分析可见光-近红外波段地物光谱特征的基础上,使用其第4和第8波段数据构建的归一化差分水体指数(normalized difference water index,NDWI)提取图像的水体信息;采用矩匹配法对COCTS图像水体区域的条带噪声进行去除,并以均值、标准差、信噪比、偏度、峰度、信息熵和平均梯度7个指标对条带噪声去除后的COCTS图像进行质量评价。结果表明,该方法能有效消除图像的条带噪声,使图像质量得到改善。     

杭州湾HJ CCD影像悬浮泥沙遥感定量反演

利用环境小卫星CCD(HJ CCD)影像对杭州湾悬浮泥沙浓度(SSC)进行了反演研究。通过对杭州湾水体遥感反射率(Rrs)与SSC进行相关性分析发现,在690nm和830nm左右出现显著的反射峰,分别位于HJ CCD影像的第3和第4波段范围内;大于700nm波长处的Rrs与SSC相关性较好。基于实测Rrs和SSC之间的相关关系,利用第4和第3波段比值作为遥感因子建立SSC反演模型,模型决定系数达到0.90。借鉴近红外-短波红外(NIR-SWIR)结合的大气校正方法反演出的准同步MODIS气溶胶数据,实现了HJ CCD影像的大气校正,第3、第4波段的大气校正结果相对误差分别为5.54%和6.97%。结果显示,HJ CCD影像反演的SSC相对误差为7.12%;杭州湾悬浮泥沙浓度要显著高于长江口,且内部差异明显。研究表明,通过适当的大气校正方法和反演算法,HJ CCD影像可用于杭州湾悬浮泥沙浓度的估计。     

HY-1D COCTS海表温度反演与印证

海洋一号D (Haiyang-1D,HY-1D)卫星于2020年6月成功发射,与海洋一号C (Haiyang-1C,HY-1C)卫星形成上、下午卫星组网,是中国HY-1系列卫星在轨业务化运行的海洋遥感卫星。HY-1D卫星上搭载的海洋水色扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)有两个热红外通道,波段范围分别为10.30—11.40μm和11.40—12.50μm,可用于海表温度SST (Sea Surface Temperature)观测。本文采用HY-1D COCTS热红外通道的观测亮温,基于大气辐射传输模拟计算,开展云检测和SST反演算法研究,对2021年1月西北太平洋海域的COCTS观测数据进行SST反演,并采用现场实测和同步卫星数据对反演得到的COCTS SST进行印证。COCTS与现场实测SST的比较结果表明,二者的平均偏差为-0.04℃,标准偏差为0.45℃。且COCTS与iQuam的SST偏差与SST以及大气水汽总量之间没有明显的依赖关系。COCTS与搭载在Suomi NPP卫星上的可见光红外成像辐射计VI...     

中国海洋水色卫星传感器COCTS HY-1D产品初步评价

卫星遥感产品的真实性评价对利用遥感产品开展应用研究具有重要的意义。本文利用全球典型的长期固定平台现场测量数据对中国自主海洋水色卫星HY-1D所搭载的水色水温扫描仪COCTS (COCTS HY-1D)遥感反射率(R_rs)和叶绿素a (Chl-a)产品进行了评价,并在全球尺度上通过与国际主流海洋水色卫星传感器的产品进行了进一步的对比分析。结果表明,COCTS HY-1D R_rs产品与现场测量R_rs数据吻合较好,可见光波段相关系数在0.91—0.98,各波段平均绝对百分比误差平均值约为22.9%。相较于国际主流海洋水色卫星传感器MODIS Aqua与现场数据各波段平均绝对百分比误差平均值约为20.5%的比较结果,产品精度相当;在全球尺度上,与MODIS Aqua相比,R_rs产品分布趋势一致,数值大小一致,相关系数在蓝光波段较高,可达0.94,各波段相关系数平均值为0.84。Chl-a产品相关系数为0.85,高于MODIS Aqua与VIIRS-SNPP的Chl-a产品的相关系数0.76。整体上,COCT...     

渤海近岸水体漫衰减系数Kd(490)遥感反演模型

利用2005年渤海近岸水体生物光学数据集, 建立了基于水体遥感反射率光谱Rrs(λ)数据的490nm波段水体漫衰减系数Kd(490)经验反演模型, 经实测数据检验, 模型反演结果的平均相对误差为18.4%, 均方根误差(对数坐标下)为0.094m-1, 相关系数R2 (对数坐标下)为0.902。分析了模型的噪声敏感性, 在输入端引入±5%误差的情况下, 模型反演结果的平均相对误差波动在9%以内, 均方根误差的变化在0.035m-1以内, 模型是稳定可靠的。以ENVISAT MERIS数据为例, 进行了模型的示范应用, 给出了渤海Kd(490)的空间分布。     

星载激光雷达气溶胶数据辅助的近岸浑浊水体大气校正研究

提出了一种星载激光雷达CALIOP气溶胶数据辅助的MODIS/Aqua水色数据大气校正方法,并在长江口及其邻近浑浊水体区域进行了实验。通过与实测光谱数据的对比分析说明,本文方法能在一定程度上避免如近红外波段离水辐亮度为零的假设的不合理性,摆脱对实测数据的依赖,有效地反演离水辐亮度,修复SeaDAS软件中短波红外-近红外联合大气校正算法中短波红外波段引起的产品的条带问题。     

HJ-1A/B卫星CCD影像辅助的MODIS水色大气校正产品质量改进

针对我国近岸高浑浊水体区域MODIS短波红外波段大气校正产品中存在的信号饱和及条带问题,利用神经网络模型,采用准同步的HJ-1A/B卫星CCD影像及实测遥感反射率数据对MODIS/Terra水色遥感大气校正产品进行了质量改进。改进后结果与MODIS/Terra遥感反射率产品相比,平均相对误差为13.3%,信号饱和区域修复结果与实测数据各波段平均相对误差为28.2%。结果表明,该方法在保证结果精度的情况下,能有效地修复MODIS/Terra水色波段因为信号饱和而产生的数据空白区域,同时也能较好地解决MODIS/Terra大气校正产品中的条带问题。     

用人工神经网络方法反演水体吸收系数

吸收系数是水体的固有光学参数,是进行水体光学遥感研究的基础。讨论了一种基于人工神经网络(artifi-cial neural networks,ANN)、利用遥感反射比数据反演水体吸收系数的方法。该方法用实测的水体遥感反射比(Rrs)数据集建立BP神经网络,用以反演水体在波长440 nm处的吸收系数(α(440))。实测遥感反射比数据集的80%数据用于训练样本,20%数据用于预测样本。研究结果表明:正确选择神经网络的传递函数、训练函数和隐含层节点个数是至关重要的;用最优的传递函数、训练函数和隐含层节点个数得到的预测结果与实际测量结果的相关系数高达0.978,证明了该方法的可行性。     

基于HICO模拟数据的杭州湾水体悬浮物浓度遥感反演

以杭州湾及其邻近海域为研究区,利用现场实测光谱模拟了近海高光谱成像仪(hyperspectral imager for the coastal ocean,HICO)波段,并在光谱特征分析的基础上确定特征波段,通过比较单波段、波段比值和反射峰面积等算法,建立了该海域悬浮物的遥感反演模型,并采用均方根误差和相对误差进行精度评价。研究结果表明,利用724. 84 nm与461. 36 nm波段光谱反射率比值建立的模型精度较高;模型的决定系数为0. 925 2,反演得到的悬浮物浓度与实测悬浮物浓度之间的均方根误差为14. 09 mg/L,平均相对误差为5. 2%。本研究对利用HICO模拟数据反演近海岸水体悬浮物具有一定的参考意义。     

基于分析方法的太湖叶绿素a反演研究——以MODIS数据为例

目前, 针对太湖水体的叶绿素波段敏感性的分析, 大多集中在实测的高光谱反射率数据或者图像提取反射率与叶绿素浓度的统计分析结果上, 缺乏基于水体光学特性的研究, 并且两者之间的一致性也一直缺少论证。研究中采用2004 年4 月和2007 年8 月的两期数据, 首先从水质参数的生物光学特性入手, 基于生物光学模型, 利用叶绿素和其他水质参数的吸收和后向散射系数, 模拟计算其他水质参数不变, 叶绿素浓度处于不同水平时的水面反射率, 分析实测反射率对叶绿素浓度变化的响应; 利用MODIS 的波段响应函数把实测光谱模拟成宽波段的MODIS 反射率, 以此作为桥梁进而对实测的高光谱反射率和MODIS 图像提取反射率与叶绿素浓度的相关程度的一致性进行分析, 为利用MODIS 图像进行水质参数反演时的反演因子选择提供了依据。     

基于开源代码构建水色遥感数据处理系统——以HY-1C/D为例

中国在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,通过从单一的试验星到星座的组网,建立起较为完善的海洋环境立体监测体系。由于大气层的影响以及海洋参数在大气层顶的贡献通常很低,卫星观测对海洋卫星地面数据处理系统定量化程度提出了很高的要求。美国自20世纪70年代发射CZCS水色卫星以来,在水色卫星数据处理系统上积累了多年经验。本文通过借鉴NASA成熟开源的SeaDAS科学处理框架,针对HY-1C/D海洋水色水温仪传感器(COCTS),集成前人算法,开发出HY-1C/D离线数据处理系统(OffLine-COCPS),实现了从L1B数据(几何定位和辐射定标后)开始到水体遥感反射比和各类水色产品制作的全链条数据流程。结果表明,自主建立的HY-1C/1D卫星COCTS传感器大气校正相关查找表基本满足了在全球范围内的定量化应用。根据统计投影得到HY-1C/1D双星COCTS反演的叶绿素全球产品,表明系统可实现对HY-1C/1D双星反演叶绿素产品提供支撑,进而与NASA官方发布的同期MODIS叶绿素产品散点图比较,整体分布趋势也与MODIS保持一致。通...     

HY-1C/D海洋水色卫星产品体系及其典型应用

海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)是中国首次对地观测组网的海洋水色业务化应用卫星,其上搭载了海洋水色水温扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)、海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)、紫外成像仪UVI (Ultra-Violet Imager)、星上定标光谱仪SCS (Satellite-based Calibration Spectrometer)和船舶自动识别系统AIS (Automatic Identification System),实现了全球海洋水色要素每天2次、海表温度每天4次的全球覆盖观测,中国近海及海岸带区域每3天2次的50 m高分辨率观测。本文介绍了HY-1C/D卫星及其载荷性能、产品处理流程、产品分级与分发等相关信息,HY-1C/D卫星产品体系完整且数据产品处理与分发高效。同时阐述了HY-1C/D卫星的叶绿素a浓度估算和海表温度反演产品,以及HY-1C/D卫星数据在浒苔绿潮、海冰/极冰、近海养殖、内陆水体和台风云图等方面的典型监测应用且具有较好的产品质量、...     

近海Ⅱ类水体的MODIS影像大气校正方法

利用光谱辐射传输理论对Gordon大气校正算法进行了修正，提出用解析的方法分离红外波段748nm和869nm的离水辐射量与气溶胶的贡献，实现对近海Ⅱ类水体的大气校正，使之更适用于我国高悬浮泥沙和高气溶胶浓度海区。海上准同步实测数据表明，本文算法的校正精度比传统方法高，且能适用于影像中找不到理想Ⅰ类水体的情况，解决了近海水色数据大气校正问题。     

三峡坝区水体吸收系数的特征研究

利用2007年11月在三峡坝区现场实测的水色要素吸收系数数据,对总颗粒物、浮游植物、CDOM的吸收系数特征进行了分析和研究。结果表明,对于三峡坝区区域的水体:(1)总颗粒物吸收光谱分布与非藻类的吸收光谱相似;(2)非藻类颗粒物的吸收系数随波长的变化分布接近指数衰减规律,且不同波段的吸收系数之间存在一定的关系;(3)多项式关系能较好的表达浮游植物吸收系数与叶绿素a浓度之间的关系;(4)分段函数能很好的表达CDOM的吸收系数特性,对500nm以下光谱的吸收呈现负指数衰减的规律,不同采样点拟合精度R2接近1;501—700nm波段范围的光谱曲线采用多项式能进行很好的拟和,且拟合精度R2达到95%以上。     

基于光谱夹角的水体信息提取方法研究

以南京幅Landsat ETM+数据(波段1～5、7)为信息源,通过分析不同地物的光谱特征,利用地物光谱夹角及反射率差异对水体信息进行提取.首先,求出ETM+6个波段形成的4个光谱夹角(波段2～5); 然后,利用各地物在波段4的光谱夹角值差异,区分水体、植被及阴影信息; 最后,利用波段4和波段5的反射率差异提取居民区信息 .     

基于高光谱遥感反射比的太湖水体叶绿素a含量估算模型

旨在寻找叶绿素a的高光谱遥感敏感波段并建立其定量估算模型。通过对太湖水体的连续监测，获得了从2004年6月到8月3个月的太湖水体高光谱数据和水质化学分析数据。利用实测的高光谱数据分析计算太湖水体的离水辐亮度和遥感反射比；然后，通过相关分析寻找反演叶绿素a浓度的高光谱敏感波段，进而建立反演太湖水体叶绿素a浓度的高光谱遥感定量估算模型，并用相关数据对模型进行精度分析。研究发现，水体的遥感反射比光谱在719nm和725nm存在两个峰，其中719nm处的峰更明显且稳定。通过模型的对比分析，发现用这两个峰值处的遥感反射比参与建模可以提高叶绿素a的估算精度；并且认为由反射比比值变量R719／R670所建立的线性模型对叶绿素a浓度的估算精度最理想。     

基于GF-5高光谱特征分析的水体提取方法研究

针对山区水体、山体阴影与裸地等地类光谱混淆性,基于高分五号(GF-5)影像数据,结合高光谱特征分析构建了山区水体决策树提取模型. 先对水体和相关干扰地类进行高光谱特征分析实现特征波段选取,应用单波段阈值法、多波段谱间关系法、归一化水指数(NDWI)法进行提取实验. 通过比较以上实验不足之处,提出了单波段阈值法与构建的阴影水体指数(SWI)相结合的决策树水体提取模型,以Google Earth高清影像为参考结合实地采样得到的混淆矩阵进行精度评价. 实验结果表明:单波段阈值法与NDWI法易将山体阴影识别为水体,受裸地影响较小;多波段谱间关系法对山体阴影有一定抑制作用,受小面积裸地影响;决策树提取模型能有效抑制山体阴影和裸地影响提取完整水体. 其总体精度为89.39%,Kappa系数为0.82,显著提升了山区水体提取精度.      

海洋一号C星光学载荷对海面溢油的识别能力分析

中国首颗海洋水色业务卫星(HY-1C)搭载有水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪(UVI)等多套光学载荷，已于2019-06开展业务化运行。溢油是海洋环境监测的重要目标之一。近年来，光学遥感对海面溢油不同污染类型的识别、分类与估算原理得以阐明，其技术优势获得认可，能有效促进海面溢油的精细化定量探测。本研究以中国近海，主要以2019-02-20中国南海东沙岛附近海域一次溢油事件为例，收集了HY-1C星COCTS和CZI数据，并获取了同一天的VIIRS、MODIS Terra & Aqua遥感数据，开展了海面溢油的识别分类及其对比分析，重点评估COCTS与CZI光学载荷对海面溢油识别的效能。结果表明：在弱耀光对比条件下，COCTS、CZI、VIIRS均能有效识别此次东沙岛溢油，且COCTS对溢油的识别能力不弱于VIIRS数据；CZI不仅能识别此次溢油，还能区分此次溢油形成的海面油膜与溢油乳化物，从而提供更多的判定信息；CZI数据中，不同溢油污染类型的光谱信号离散度大于清洁海水平均噪声，展现了溢油量估算的潜力。HY-1C星光学载荷展现了优良的辐射分辨率、高信噪比等性能，随着HY-1D星的发射，双星组网观测还能提供更佳的时相分辨率数据，未来会在海洋溢油的实时、定量、精细化观测中提供丰富的数据支撑。     

水浇地与旱地春小麦冠层高光谱反射特征比较

用野外实测的水浇地与不同坡向旱地春小麦各发育期的冠层光谱数据,对比分析各发育期春小麦冠层光谱反射特征;依据TM图像的波段设置将实测光谱划分为4个波段,对比分析水浇地与旱地春小麦光谱在各波段的差异,并选择出识别水浇地与旱地春小麦的最佳波段。研究结果表明:不同地类水浇地与旱地春小麦冠层光谱反射率在可见光波段呈现的总特点是阳坡地双面坡地阴坡地水浇地,在近红外波段则相反;不同发育期的水浇地与旱地春小麦在可见光波段均呈现起身期乳熟期拔节期抽穗期扬花期的特点,在近红外波段则呈现扬花期抽穗期拔节期起身期乳熟期的特点;因各地类春小麦叶绿素含量的相对值和覆盖度不同,在可见光波段的光谱曲线也存在差异——水浇地与旱地春小麦在起身期和乳熟期的光谱曲线各成1条线,而在其他3个发育期则形成2条曲线(水浇地和阴坡地的光谱曲线基本重合,阳坡地和双面坡地的光谱曲线完全重合)。760~900 nm谱段是识别水浇地与旱地春小麦的最佳波段。