二类水体表观光学特性的测量与分析--水面之上法方法研究

水体光谱特性的测量与分析是海洋水色遥感的基础工作之一。水体光谱特性包括两个方面：表观光学特性和固有光学特性。现场直接获取表观光学特性有剖面法和水面之上法。在多次现场试验的基础上,主要针对二类水体从误差来源的角度来对水面之上法进行方法研究。同时,借鉴一类水体水面之上法的多种数据处理方法,对二类水体水面之上法的数据处理方法进行探讨。     

水面之上法测量水体光谱的关键技术

对水体光谱特征的研究是海洋水色遥感的基础工作之一。水体的光谱特征包括:表观光学特性和固有光学特性。在水体的表观光学特性研究方面,目前国际水色界推行的有:剖面法和水面之上法(也称表面法)。由于我国近岸水体混浊度较高,浅水区域较多,研究这类水体的表观光学特性应以水面之上法为主、剖面法为辅。介绍了水面之上法水体光谱的测量技术,就其中关键技术问题进行了讨论。     

基于GF-WFV的厦门海域水体悬浮物浓度反演

为利用遥感技术快速、及时的掌握厦门近岸海域水体中悬浮颗粒物的总体分布情况,现场测量了厦门海域水体的下行入射辐射、天空光以及经过水气界面后反射回的辐射,计算了该海域水体表面的离水辐射获得了水体表面以上遥感反射率;同时采集了与光谱信息同步的水体样品,并分析了水体中的悬浮颗粒物质量浓度,获取了对应站位的水体反射波谱曲线和采集样品的浓度数据.通过研究不同站位水体的反射光谱数据,依据GF-WFV波段设置,对现场实测的光谱数据进行了拟合,并创建了基于GF-WFV拟合波段的悬浮颗粒物浓度经验反演算法.通过研究发现拟合(Rrs3+Rrs4)/Rrs2(其中Rrs1、Rrs2、Rrs3、Rrs4分别是GF-WFV第1、2、3、4波段的遥感反射率)同实测水体悬浮颗粒物质量浓度之间的决定系数为0.655,依据研究得出的反演算法反演该海域水体悬浮颗粒物质量浓度,其均方根误差为11.03 mg/dm3,相对误差为8.40 mg/dm3.利用同步的GF-WFV遥感数据对厦门近岸水体中总悬浮颗粒物质量浓度进行了研究,获取了研究区水体悬浮颗粒物的空间分布情况,结果表明GF-WFV遥感数据能很好的反映厦门近岸水体悬浮颗粒物浓度分布状况.     

青岛近海浒苔光谱特征研究

针对从2008年以来,每年夏季我国黄海南部暴发大面积的浒苔(Enteromorpha)灾害,对海洋环境及经济造成不利影响的状况,为了进一步研究浒苔特性,为利用遥感手段监测浒苔提供一定的理论依据,通过实地测量不同条件下浒苔的光谱反射率曲线,定性分析了浒苔的光谱特征。结果表明,浒苔的基本光谱特征表现为在蓝光波段和红光波段形成反射谷,在绿光波段形成反射峰,而在近红外波段反射率明显增大,形成高反射峰。因此将红光波段和近红外波段作为敏感波段,利用NDVI(归一化植被指数)提取遥感图像上的浒苔信息,可取得较好效果,有利于浒苔监测。     

光谱仪测量离水辐射率的处理方法

本文概述了利用光谱仪在水面之上进行水表光学特性测量的主要方法（水面之上测量法）,以及处理和计算离水辐射率、归一化离水辐射率及遥感反射率等水表光学特性参数的主要方法。对１９９８年在东海３个站点的测量数据进行了处理和分析,并与剖面法计算结果进行了比较。     

剖面法测量近岸水体遥感反射率的新方法

光学剖面法是测量遥感反射率的首选方法。根据我国近岸水体的特点,提出采用下行辐照度剖面补偿剖面测量时环境影响的方法,估算水面之下遥感反射率[rrs(λ)]。从对实际测量数据的应用效果可见,同站位多次测量的rrs(λ),其相对偏差可控制在10％之内。     

基于Landsat8数据的舟山群岛海域悬浮泥沙浓度遥感研究

文章利用舟山近岸海域实测水体光谱及泥沙浓度数据，分析光谱反射率与悬浮泥沙浓度的相关性，并结合Landsat8遥感数据进行该海域的悬浮泥沙浓度遥感反演。研究表明：随着水体悬浮泥沙浓度的增加，各波段的反射率相应增加，且不同波段的增幅有明显不同，水体光谱曲线存在“双峰”现象；Landsat8遥感数据的波段4与波段3的比值与悬浮泥沙浓度的相关性较好；舟山群岛海域总体处于高泥沙浓度的状态，岛屿近岸悬浮泥沙浓度明显高于开阔水域，岛屿周围的悬浮泥沙浓度呈现“西高东低”的格局；一元二次方程模型（二次模型）对舟山海域水体的悬浮泥沙浓度反演精度较其他模型（线性模型，对数模型，指数模型，幂指数模型）高；Landsat8遥感数据可用于舟山海域悬浮泥沙浓度的监测。本研究成果能为近岸海域港口建设、航道安全、环境监测等研究提供数据支持。     

江苏近岸海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演

基于2012~2014年期间江苏近岸海域实测遥感反射率、悬浮泥沙浓度及HJ CCD数据,建立该海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演模型。通过研究水体实测反射光谱特征,确定对悬浮泥沙浓度变化的敏感波段,并与悬浮泥沙浓度进行函数拟合分析。结果表明:将HJ CCD Band3的等效遥感反射率、HJ CCD Band3与Band2等效遥感反射率的比值分别作为敏感因子,并采用对数函数模拟低值区、指数函数模拟高值区获得的叠加模型表现最为突出。通过卫星应用发现,第2、3波段比值模型的遥感反演结果与实际情况相符,可有效削弱大气校正、表观反射率到遥感反射率的转换方法以及HJ CCD辐射分辨率较低等一系列问题的干扰,为江苏近岸海域HJ CCD悬浮泥沙遥感反演的最优模型。     

蒙特卡洛方法模拟黄东海区水体光学特性的技术研究

基于海洋光学辐射传输原理,采用蒙特卡洛方法,建立水体光学特性的正演模型,该模型可以利用水体的固有光学特性作为输入,模拟水体的表观光学特性。文中将其应用在我国近岸海域,利用本模型与2003年春季黄东海区的实测数据进行模拟,并对模拟所得遥感反射率光谱的谱型和数值与实测数据进行对比分析,结果表明:模型给出的遥感反射率的模拟结果与实测数据谱型一致,符合我国近岸二类水体的典型光谱,并且数值偏差能够控制在20%以内,为今后进一步研究我国近岸水体光学特性打下基础。     

基于航空高光谱数据的近岸水体信息提取

近岸水体与人类生产、生活密切相关,航空高光谱遥感以其高分辨率、灵活等优点在环境监测中颇具潜力,尤其是在近岸水色、海岸带环境的实时监测中更具优势。基于与中国海监南海航空支队合作开展的航空高光谱遥感飞行实验资料,以湛江东海岛陆海区域为例,开展该海域水体遥感信息提取及分类研究。以不同地物遥感反射率信息为特征,通过光谱信息直方图进行了该海域水体信息提取方法探索。研究结果表明,湛江港及近海水体与陆地在近红外区域有较大区分度,直方图统计获得的最佳分离阈值可以很好地提取水体信息,但在水陆交界区域提取精度较低。在近红909.7 nm处,遥感反射率分割阈值为10.27%,水体提取精度为84%,kappa系数为0.686 2。     

水面浮油膜光谱测量及光谱特征分析

为深入解析水面浮油膜光谱特征,采用水面以上光谱测量方法,去除太阳直射和天空光两部分反射的影响,获取了珠江口水域不同厚度水面柴油膜光谱信息,对其光谱响应特征和机理进行了分析。结果表明:水面柴油膜光谱对背景水体光谱具有依赖性,但水面柴油膜光谱在可见光波段高于背景水体,且随着油膜厚度增加呈现不断增加的趋势;油膜反射光谱在蓝、紫光区域出现明显反射峰;360~500 nm区域油膜反射率与厚度相关系数大于0.8,有利于油膜厚度的遥感估算。最后指出,水面浮油膜类似于光学薄膜的单层增反膜,导致光谱反射率的增加,在360~420 nm区域的反射峰和石油类物质的荧光性有关。研究结果可为水域溢油污染遥感监测研究提供理论依据。     

渤海和北黄海水色光谱的特征分析

我国的主要海域包括渤海、黄海、东海的大部分和南海的近岸部分都属于二类水体,这些海域的光学特征极为复杂。针对不同海域的海洋光学特征进行研究,对于反演二类水体叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质的浓度具有非常重要的意义。本文利用渤海和北黄海海域2002年11月至2003年8月的水色调查数据,对调查海区的水色光谱的特征进行了研究和分析。结果显示调查海区的水色光谱类型主要分为4个类型：类型的主要特点是光谱峰值位于570nm,谱峰比较窄,随波长远离谱峰波段,遥感反射率迅速减小,主要分布海域为渤海湾、莱州湾及辽东湾。类型2的光谱峰值位于550nm左右,谱峰比较宽,随波长增大,遥感反射率迅速减小,主要分布在渤海中部海区。类型3光谱峰值位于500—550nm范围内,440nm存在极小值,主要分布在渤海海峡和渤海中北部的一块海域。类型4类似于大洋一类水体的水色光谱,其特点是在可见光波段内,随波长增大,遥感反射率逐渐减小,主要分布在渤海海峡以外、远离海岸的北黄海海域。     

黄东海海水体类型综合识别技术研究

本文利用黄、东海和南海宝贵的生物一光学实测数据，进行了水体综合识别技术研究。探询了水体光谱离水辐射率、遥感反射率和漫衰减系数等物理量与以悬浮泥沙为主体的水体(CASEII．s)的响应关系。借用主成分分析思想，探询了经过大气校正的近红外波段卫星遥感反射率(Lrc)数据与CASEII．s水体的响应关系。发现这些物理量与水体类型有明显的响应点。     

珠江口藻华水体总吸收系数的变化特性及高光谱反演模式

基于2007年8月海洋光学浮标在珠江口投放期间获得的近16天的实测生物光学数据, 对一次藻华过程中水体总吸收系数和水色光谱的变化特性及其相互关系进行了研究。结果表明, 藻华前后水体中非藻类物质尤其是有色溶解有机物在蓝光波段具有较强的吸收贡献, 而当藻华爆发时, 随着叶绿素a浓度的急剧增大, 浮游植物的吸收贡献明显增强; 各波段之间总吸收系数呈现出较好的线性相关关系, 吸收光谱蓝绿波段比值的变化对遥感反射率的光谱分布有重要的贡献; 据此建立了对水体总吸收系数反演的经验关系模型, 表现出较高的反演精度, 计算值与实测值之间相对偏差的均方根在可见光波段可控制在24%以内。     

气体吸收对“HY-1A”CCD数据处理的影响分析模拟与瑞利散射的吸收修正

卫星传感器接收到的辐射能量不仅受到大气中分子和气溶胶散射的影响,还受到气体分子吸收的影响.对于可见光和近红外波段的水色遥感,吸收气体主要是臭氧、水汽和氧气,因此若传感器的光谱范围包含了这些气体的吸收波段,则应该在数据处理——计算瑞利、气溶胶反射率和透过率时予以考虑.波段光谱宽度为20 nm(两个近红外波段为40nm)的SeaWiFS在数据处理时主要考虑了臭氧和水汽的影响,并在计算气溶胶反射率时对受氧气吸收影响的波段进行了单独修正[1].由于“HY-1A”CCD的四个波段的光谱宽度均超过100 nm,覆盖了三种主要吸收气体的部分吸收线,因此它受到的气体影响会更大.     

河北海域叶绿素a浓度遥感反演业务化算法

构建了一种适用于河北海域二类水体的叶绿素a浓度遥感反演业务化模型。将MODIS 1B数据第一波段反射率与河北海域叶绿素a浓度实测数据进行相关分析,通过回归拟合建立遥感反演模型,并选择不同时间、不同区域的实测数据对模型精度与稳定性进行了检验。结果表明:模型相关系数为0.73,平均相对误差31.4%~35.9%之间,模型适用于河北海域叶绿素a浓度业务化遥感监测,这对于监测河北海域赤潮和富营养化状况具有重要的现实意义。     

船舶含气泡尾迹的光学特性研究

基于充分挖掘卫星遥感应用于海洋监测能力的需求,通过海上试验测量船舶含气泡尾迹海水的物理、光学特征,研究气泡群对不同水体光学特征的影响,例如离水辐亮度、遥感反射率.这些工作可为通过星载光学传感器遥感获取船舶尾迹信息提供理论依据.试验证明在可见光和近红外波段船舶含气泡尾迹相对于背景海水的离水辐亮度、遥感反射率都不同程度地得到了增强,并且在一类水体中含气泡尾迹的光谱后向散射无论是相对增幅还是绝对增幅都要远大于二类水体中的.     

黄东海春季水体后向散射系数的经验模型研究

水体后向散射系数的反演模型研究是 II类水体生物 -光学算法开发的重要组成部分。通过对 2 0 0 3年 4月黄东海试验获得的水面之下遥感反射率 rrs (λ)和后向散射系数 bb (λ)的分析 ,以 bb (4 1 2 )为中间变量 ,根据水体后向散射系数的光谱特点 ,统计获得了 rrs (λ)反演的统计模型。从整体反演的效果可见 ,该模型在试验水域可使 73%的样品反演相对偏差控制在± 30 %之内 ,且多集中于± 1 0 %之内     

西沙群岛附近海域船舶尾迹水体遥感反射率特性的实验测量与分析

利用海上实验现场测量船舶的尾迹气泡群对西沙群岛附近海域一类水体海水光学特征(例如归一化离水辐亮度、遥感反射率)的影响,为通过星载光学传感器遥感获取船舶尾迹信息提供理论依据。实验证明,在可见光和近红外波段,船舶含气泡尾迹不仅在幅度上、也在谱形上改变海水遥感反射率,作为结果,尾迹气泡使得海水变得更绿;同时,随着观测点在尾迹中的位置距目标船的接近,气泡密度不断增大,反射率也随之增强。     

削弱水分影响的潮滩表层沉积物遥感分类方法研究

潮滩沉积物中的水分掩盖了沉积物本身的光谱信息,不利于沉积物遥感分类。利用江苏大丰潮滩沉积物在不同含水量下的398条实测光谱曲线数据,基于线性光谱分解方法定量化分析了沉积物光谱对含水量变化的响应,建立削弱水分影响的潮滩表层沉积物组分(砂、粉砂、黏土)含量反演模型,应用于Hyperion高光谱遥感影像,获得沉积物组分的空间分布,并结合Shepard三角分类法实现了潮滩表层沉积物的自动分类。研究结果表明:(1)当沉积物含水量增加时,沉积物光谱中水分权重以含水量的2倍速率增加,含水量大于25%,则水分对光谱的影响占主导作用;(2)2 143 nm波段反射率对沉积物的含水量变化敏感,利用2 143 nm波段反射率进行潮滩沉积物的含水量反演,模型拟合度r2可达0.81;(3)983,1 134 nm波段反射率对沉积物组分含量反演敏感,将含水量与沉积物组分敏感波段一起建立多元线性回归方程,可有效削弱水分的影响,适用于高含水量潮滩区的沉积物组分含量反演;(4)将组分反演结果结合Shepard分类,可实现潮滩沉积物分类,得到潮滩沉积物类型的空间分布特征,分类精度为75.93%,Kappa系数为0.6。