黄、东海区光谱漫衰减系数特性研究

利用剖面仪于2003年3-4月在黄、东海实测的水下向下辐照度剖面数据,建立了黄、东海光谱漫衰减系数模型。在400～600nm波段,漫衰减系数和波长之间存在近似的线性关系。每一个波段的漫衰减系数与490nm波段的漫衰减系数Kd(490)最小二乘法线性回归的R^2值都超过了0．99。通过对光谱散射直线的斜率与波长进行回归。可以得到光谱散射曲线的斜率与波长的关系,R^2值为0．974。利用本文建立的光谱漫衰减系数模型,可以从一个已知波段漫衰减系数反演出任何另外～个波段的漫衰减系数,从而大大地减少了在水色反演中未知因子的个数。并且．利用现场的实测数据对模型进行了检验和误差分析。各通道的反演误差随着Kd(490)的增加而总体降低。在Kd(490)较低区域,反演误差值虽然较高。但大部分集中在20％以内。各通道平均反演误差范围在9％以下。     

长江口邻近海域冬季漫衰减系数及其遥感反演

利用2012年和2013年冬季长江口邻近海域的实测数据,分析了该区域漫衰减系数光谱特征,490nm波段向下漫衰减系数(Kd(490))的空间分布及影响因子,建立了该研究区域新的冬季漫衰减系数反演模型,并建立了研究区域内Kd(490)与有效光合辐射衰减系数(Kd(PAR))的关系。结果表明:长江口邻近区域Kd490值随着离岸距离的减小逐渐增大,最大值达到了1.8m-1,杭州湾邻近区域情况类似,舟山岛附近出现了Kd(490)的最大值2.8m-1。总悬浮物对Kd(490)的影响较大,悬浮物浓度与Kd(490)相关度大于0.86。黄色物质和叶绿素a对其影响较小,与Kd(490)相关度均小于0.25。本文建立了三波段遥感反射率与Kd(490)的反演模式:lg[Kd(490)]=a[Rrs(590)/Rrs(510)]+b[Rrs(670)/Rrs(510)],对比反演与实测结果显示:均方根误差为0.098m-1,平均相对误差为12.43%,决定系数为0.916;光合有效辐射衰减系数(Kd(PAR))与Kd(490)的关系:Kd(PAR)=0.495exp(0.8602Kd(490))-0.2217,对比反演与实测结果显示:均方根误差为0.102m-1,平均相对误差为14.62%,决定系数为0.927。     

南海真光层深度的遥感反演

海水真光层是指海洋浮游植物进行光合作用的水层,海水真光层深度的反演有利于对海洋初级生产力的估算。介绍了真光层深度的遥感反演算法,并根据实测资料,通过经验拟合得到南海海水真光层深度与海水漫衰减系数Kd(490)的关系:zeu=2.784/Kd(490)。经过与实测资料的对比发现,与其它通过叶绿素估算真光层深度的算法相比,本算法的精度明显提高。利用遥感估算的Kd(490)数据计算2003年南海的真光层深度,结果表明,南海陆源营养成分的输入以及南海环流是影响南海真光层变化的主要因素。     

南沙群岛海域水体漫衰减系数Kd(490)的特性研究

对南沙群岛海区水体Kd(490）的特性进行了深入分析和探讨,研究结果表明：Kd（490）的垂直分布与同步测量的海水叶绿素a浓度的垂直分布有很强的相关性;Kd（490）的垂直分布反映出该区域海水存在较强的分层现象,研究中还发现上行辐亮度漫衰减系数KL（490）与Kd（490）垂直变化趋势相当一致,但是以二者达到最大值的深度为界,上层水体的KL（490）值稍大于Kd(490）值,在这一深度以下则相反。     

基于GOCI静止水色卫星数据的长江口及邻近海域Kd(490)遥感反演及其在机载激光测深预评估中的应用

长江口水下三角洲地形地貌对于长江口航道安全、生态环境、海岸带工程等均具有重要意义,本次研究拟采用世界上第一颗静止水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)开展长江口Kd(490)的季节和潮汐变化规律研究,以期为采用机载激光测深提供预评估信息。研究得到结论如下:长江口及邻近海域水体为典型的二类水体,悬浮泥沙含量最高可由杭州湾内几千mg/L迅速降低至10 mg/L以下,因此,分段式的漫衰减系数反演算法适用于研究区域;Kd(490)反演结果表明长江口及邻近海域的Kd(490)值的季节变化特征表现为冬高夏低,春秋居中,长江冲淡水流量和季风是影响其季节变化的主要因素,而在一个潮周期内,Kd(490)值总体表现为低潮期低于高潮期,悬浮泥沙浓度和潮水的潮位是长江口及邻近海域的Kd(490)值的重要影响因素;研究指出,长江口及杭州湾内激光可探测深度约在5~22 m范围内,夏季退潮低潮位最适合激光雷达观测。由此可见,GOCI 8景/d,1景/h的分辨率可以实现Kd(490)的动态变化监控,而且可以实现在相同潮位下更为合理地描述Kd(490)值的季节变化,为机载激光雷达探测的进一步开展提供了技术支持。     

由粒子吸收光谱提取浮游植物吸收光谱的人工神经网络方法

基于现场实验数据集及人工神经网络技术,论文提出了一种从海中粒子吸收光谱提取浮游植物吸收光谱的方法。这个数据集包含了海中粒子吸收光谱和对应的浮游植物吸收光谱,并被分为三个子集:训练集、印证集和试验集。本研究所利用的人工神经网络系统为多层感知器,训练后的人工神经网络的性能由印证集和试验集来评价。实验结果表明,文中所提出的方法可成功地提取浮游植物的吸收光谱,其提取精度与传统的实验方法相当。     

机载海洋激光荧光雷达测量海表层叶绿素a浓度的算法研究

基于中国海洋大学研制的我国首台机载海洋激光荧光雷达系统及其测量海水中叶绿素a浓度的方法;对该系统在烟台至荣成沿岸海域进行实验的情况作一回顾,并对实验数据进行了处理,采用拉曼校正归一方法,反演了海表层的叶绿素a浓度,同时利用激光雷达方程反演出了海水的衰减系数;另外,提出了最小二乘拟合提取信号峰值的新反演算法。反演结果与往年同时期采集数据较为吻合,使用最小二乘拟合提取信号峰值的算法反演的叶绿素a浓度更接近于近期实地测得的结果。     

黄海、东海二类水体漫衰减系数与透明度反演模式研究

黄海、东海是典型的二类水体区域,总悬浮物含量高,水体光学特性复杂.利用2003年春秋季黄海、东海水色联合试验中获取的高质量现场实测数据,建立了由遥感反射比反演水体在490nm波段的漫衰减系数和海水透明度的统计反演模式.这两种模式皆采用490,555,670nm三个波段的组合,漫衰减系数的反演值和实测值的相关系数为0.96,平均相对误差为17.2%;透明度的反演值与实测值的相关系数为0.95,平均相对误差为16.8%.对两种反演模式对遥感反射比输入误差的敏感性进行了分析,结果表明反演模式对±5%的遥感反射比输入误差导致490nm波段的漫衰减系数反演误差最大为27.3%,透明度最大误差为22.7%,并利用2003年春秋季同一海区的实测数据对模型进行了检验,漫衰减系数的平均相对误差为25.0%,透明度的为16.5%.给出了412,443,510,520,555,565nm各波段的漫衰减系数同波段490nm的漫衰减系数之间的关系,结果表明,在400~600nm波段中的每一个波段的漫衰减系数与490nm波段的漫衰减系数的相关性较高,相关系数都超过了0.98.这样利用建立的各波段漫衰减系数关系模型可以从一个已知波段的漫衰减系数反演出其他任何波段的漫衰减系数,这就在水色反演和应用中大大减少了未知因子的个数.     

基于MODIS陆地波段的近岸水体浊度遥感方法

利用MODIS陆地波段(469 nm,555 nm和645 nm)数据,建立了近岸水体浊度的遥感反演方法,并以渤海为例,在采取严格的时空匹配方法的基础上,利用现场测量浊度数据对反演结果进行了印证。印证结果显示,基于陆地波段的红绿波段比值反演算法(QAA-RGR反演算法)的反演结果相对误差约为12.7%,标准QAAv5反演算法的反演结果相对误差约为26.4%,采用陆地波段数据的QAA-RGR反演算法反演的结果更可靠。另外,基于陆地波段的反演结果具有更高的空间分辨率,能更好地体现浊度的细节分布特征,如辽东湾南端的沙脊群落的分布。最后,本研究利用QAA-RGR反演算法构建了渤海浊度的季节分布特征,分布特征合理。     

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。     

Characteristics of Kd （490） around Nansha Islands in the South China Sea

The diffusion attenuation coefficient for downwelling irradiance, Ka(490), is an important optical parameter of seawater. The optical property, Kd(490), around Nansha Islands in the South China Sea was analyzed based on optical data profiles measured with SPMR (SeaWiFS Profiling Multichannel Radiometer) and SMSR ( SeaWiFS Multichannel Surface Reference ) instrument in April and May, 1999. The results show that Kd(490) is closely correlated with chlorophyll-a concentration, Ccgka, and that the vertical distribution of Kd(490) shows the strong stratification of the water column in this area. Kd(490) has a similar vertical co-variation as KL(490), the diffusive attenuation coefficient for upwelling radiance.Both coefficients increase with depth in the upper layer, where KL(490) is greater than Kd(490); and after a depth, approximatively at the chlorophyll maximum, they decrease with depth, with the former being smaller than the latter.     

Seafloor sediment classification from single beam echo sounder data using LVQ network

Seafloor sediment classification based on echo characteristics obtained from single-beam echosounder is very useful in remote and instant sediment classification. Results of different classification techniques using such data provide robust results when the acoustic beam has a normal incidence with the seabottom. This may not always be true and show poor classification, with the data acquired during rough sea periods corresponding to both oblique and normal incidence of the acoustic pulse, due to roll and pitch motion of the ship. In the present study, an attempt is made to exploit the artificial neural network (ANN) techniques for better classification with such data. Learning Vector Quantisation (LVQ) is a supervised learning algorithm of ANN that is found to be an effective tool and show good performance. The input data to the network include the roughness index (E1) and hardness index (E2) derived from echo characteristics. The network utilizes the competitive learning, a distance function in the first layer and a linear function in the second layer. The network was tried with a different size of hidden neurons and training data size to see the influence on classification. It is found that with ten neurons in the first layer and four neurons in the second layer good performance in classification for the data was achieved.     

MODIS和GOCI卫星遥感反射率产品在浑浊海区交叉检验分析

对Geostationary Ocean Color Imager(GOCI)和Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)传感器在中国渤海辽东湾海区的卫星大气校正算法开展评估工作。主要对比了GOCI和MODIS的412 nm,443 nm,488 nm,547 nm,678 nm波段的遥感反射率(Remote Sensing Reflectance:Rrs)。结果表明:GOCI的去云算法较严格,在卫星有效数据覆盖率方面差于MODIS;遥感反射率产品比对结果表明:GOCI和MODIS的遥感反射率产品有较好的线性相关,且GOCI反演值大于MODIS反演值;分区域的对比结果表明,MODIS和GOCI的遥感反射率差异随着水体的浑浊度增加而增大,GOCI需要开发适用于近岸水体的大气校正算法。     

一种划分Ⅰ类水体和Ⅱ类水体的方法

为建立1种快速、有效、方便的方法区分Ⅰ类水体和Ⅱ类水体,提出了1个划分Ⅰ类和Ⅱ类水体的方法.该方法基于1个简单的判据,即Rrs（510）/Rrs（412）=1.5.当Rrs（510）/Rrs（412）〈1.5时,该水体应为Ⅰ类;当Rrs（510）/Rrs（412）〉1.5时,该水体应为Ⅱ类.将此方法应用到中国海的MERIS资料中,对中国海水体进行了划分,划分结果合理.     

基于伴随同化方法的Ekman模型垂向涡动黏性系数时间变化研究

为了得到一种有效的计算海水涡动黏性的途径,本文基于伴随同化方法,研究了Ekman模型中垂向涡动黏性系数(verticaleddyviscositycoefficient,VEVC)的时间变化。本文推导了时间变化VEVC的优化关系式,并利用理想实验对三个影响因素进行了探究,包括优化算法、初始猜测、观测深度,其主要结论是:(1)梯度下降法的优化效果优于共轭梯度法和有限记忆BFGS(limited-memoryBroyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno)法;(2)初始猜测值与实际值接近时,收敛速度更快,反演误差更小;(3)反演结果对表层和次表层的流速更为敏感。本文从百慕大试验站锚泊系统(Bermuda Testbed Mooring, BTM)的数据中提取了Ekman流速,并反演了VEVC的时间变化,实际实验结果表明:(1)对于实测数据而言,仍是梯度下降法优化效果最好;(2)将VEVC设置为时间变化型的反演策略,反演效果优于常数型和深度变化型;(3)该地区VEVC在0.01m~2/s左右。该研究为Ekman流的数值模拟提供了一种确定VEVC时间变化的有效方法,对于其他动力机制的研究具有一定的参考价值。     

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高, 能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(K_d)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化, 光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据, 获得了该海域水体的表观光学特性, 基于K_d(490)与遥感反射比[R_rs(λ)]的相关关系建立了K_d(490)的经验算法, 并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明, 该海域的K_d(λ)及R_rs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征, 其中, K_d(490)的范围为0.01~4.31m^-1, 水体的浑浊程度变化大。K_d(490)与R_rs比值的相关性较好, 据此建立了以R_rs(650)/R_rs(510)、R_rs(555)/R_rs(510)作为自变量的K_d(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的K_d(490)与实测K_d(490)相比, 均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m^-1、27.08%和0.77, 优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的R_rs能充分反映水体信息, 并适应水体组分的变化, 可为东海赤潮高发区K_d(490)的反演提供较好的选择, 并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。     

Empirical ocean-color algorithms to retrieve chlorophyll-a, total suspended matter, and colored dissolved organic matter absorption coefficient in the Yellow and East China Seas

A bio-optical dataset collected during the 1998?C2007 period in the Yellow and East China Seas (YECS) was used to provide alternative empirical ocean-color algorithms in the retrieval of chlorophyll-a (Chl-a), total suspended matter (TSM), and colored dissolved organic matter (CDOM) absorption coefficients at 440 nm (ag₄₄₀). Assuming that remote-sensing reflectance (Rrs) could be retrieved accurately, empirical algorithms for T_Chl (regionally tuned Tassan??s Chl-a algorithm) in case-1 waters (T_Chl2i in case-2 waters), T_TSM (regionally tuned Tassan??s TSM algorithm), and T_ag440 or C_ag440 (regionally tuned Tassan??s or Carder??s ag₄₄₀ algorithm) were able to retrieve Chl-a, TSM, and ag₄₄₀ with uncertainties as high as 35, 46, and 35%, respectively. Applying the standard SeaWiFS Rrs, T_Chl was not viable in the eastern part of the YECS, which was associated with an inaccurate SeaWiFS Rrs retrieval because of improper atmospheric correction. T_Chl behaved better than other algorithms in the turbid case-2 waters, although overestimation was still observed. To retrieve more reliable Chl-a estimates with standard SeaWiFS Rrs in turbid water (a proxy for case-2 waters), we modified T_Chl for data with SeaWiFS normalized water-leaving radiance at 555 nm (nLw₅₅₅) > 2 mW cm^?2 ??m^?1 sr^?1 (T_Chl2s). Finally, with standard SeaWiFS Rrs, we recommend switching algorithms from T_Chl2s (for case-2 waters) to MOC_Chl (SeaWiFS-modified NASA OC4v4 standard algorithm for case-1 waters) for retrieving Chl-a, which resulted in uncertainties as high as 49%. To retrieve TSM and ag₄₄₀ using SeaWiFS Rrs, we recommend empirical algorithms for T_TSM (pre-SeaWiFS-modified form) and MT_ag440 or MC_ag440 (SeaWiFS Rrs-modified forms of T_ag440 or C_ag440). These could retrieve with uncertainties as high as 82 and 52%, respectively.