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)...     

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、...     

HY-1C/D卫星CZI数据的岛礁浅海水深遥感无控反演能力评估

岛礁浅海水深是海洋重要的基础资料。中国南海岛礁远离大陆,水下现场调查效率低、难度大,难以评估水下地形的长期变化,迫切需要大面积、高频次成像的卫星遥感数据。海洋一号C/D (HY-1C/D)卫星双星组网大大提高了覆盖频次,配置的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)可为岛礁水下探测提供快速的业务化遥感数据服务。为充分发掘两颗卫星的岛礁水深反演能力,本文以中国南海永乐环礁为研究区域,以HY-1C/D CZI多光谱遥感影像为数据源,结合半分析模型和对数比值模型开展了不依赖实测数据的水深反演研究,并与GeoEye-1高分辨率卫星多光谱遥感数据反演结果进行对比。结果表明,HY-1C/D CZI多光谱数据在甘泉岛的水深反演结果与实测数据相比,在0—20 m水深范围内的平均绝对误差分别为1.60 m和1.85 m,平均相对误差分别为22.48%和26.23%;HY-1C/D CZI多光谱数据与基于GeoEye-1数据在甘泉岛的水深反演结果相比,平均绝对偏差分别为1.65 m和1.81 m,平均相对偏差分别为22.33%和23.83%。HY-1C/D CZI与GeoEye-1多...     

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。     

HY-1/CZI卫星影像的海上运动船只自动检测方法

船只遥感检测对于海上航行安全保障和海洋权益维护具有重要意义,传统基于极高空间分辨率的合成孔径雷达(SAR)和光学卫星影像的船只检测由于重访周期长,难以实现高频监测应用。中国自主“海洋一号”系列卫星(HY-1)搭载的中分辨率海岸带成像仪(CZI),虽然空间分辨率相对较低(星下点50 m),但HY-1C、HY-1D形成双星上下午组网观测,具有重访周期短的优势,对于海上船只监测具有重要价值。本文利用卷积神经网络进行特征学习和目标提取,建立了HY-1/CZI影像船只自动检测方法。验证结果表明,相对于传统图像处理方法,本文方法具有不需要调整阈值、适应性强的特点,检测精度达到77.71%,可应用于HY-1/CZI影像的海上运动船只自动监测。     

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卫星CZI数据监测湖泊藻华的适用性评价与方法选择

随着湖泊富营养化加剧,蓝藻水华频发暴发,藻华的卫星遥感监测面临着中高空间分辨率卫星过境时间长、中低空间分辨率卫星数据在小型湖泊监测能力不足的问题。海洋水色业务卫星海洋一号C星和D星(HY-1C/D)搭载的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)具有50 m空间分辨率,3 d重访周期,是内陆中小型湖泊藻华遥感监测的重要数据源。本文构建了以CZI数据的绿光(560 nm)—近红外波段(825 nm)连线作为基线,红光波段(650 nm)到该基线的垂直距离作为藻华识别指数AFAH (Adjusted Floating Algae Height),并将其应用在4个典型的富营养化湖泊(太湖、巢湖、滇池、星云湖),评价了其在湖泊藻华遥感监测方面的适用性和不确定性。结果表明:(1)在无云的理想条件下4种藻华识别指数的藻华识别精度高于0.93;在非理性条件下的藻华识别方面,AFAH优于NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、DVI (Difference Vegetation Index)和VB-FAH (Virtual bas...     

基于神经网络的二类水体大气修正

大气修正是海洋水色遥感中的关键技术之一。近海二类水体大气修正面临两个挑战：浑浊水体造成NIR大气修正波段的离水辐射明显大于零;近海上空存在较强吸收性的气溶胶。本文针对HY-1A CZI,在辐射传输模拟的基础上建立了基于神经网络技术的二类水体大气修正算法,可以由波段1-4的TOA反射率和三个角度反演得到离水反射率、气溶胶光学厚度等参数。利用模拟数据进行了算法的性能评估,并开展了卫星数据处理试验。结果表明,除了在非常浑浊的水体,反演结果基本合理。     

基于高分一号与Landsat-8影像的水体浊度反演比较

为分析高分一号WFV传感器16 m遥感影像在水质反演方面的能力,本文选取南四湖为研究区,以高分一号卫星影像与Landsat-8卫星OLI影像为数据源,结合地面同步实测水体浊度数据,建立反演水体浊度的原始光谱反射率模型、归一化反射率模型和波段比值模型,并对各模型进行精度评价,分别比较两个传感器在浊度反演能力方面的差异。结果表明:利用高分一号WFV 16m遥感影像进行水质反演具有较高的精度,且具备更高的空间分辨率和更短的重访周期,可以替代Landsat-8多光谱数据。     

HY-1C卫星CZI影像卤虫条带提取研究——以艾比湖为例

基于HY-1C卫星海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)影像提取卤虫条带,对利用自主遥感数据开展生物资源监测与指导捕捞利用具有重要意义。本文以艾比湖为例,分析了HY-1C卫星CZI影像与Landsat-8卫星OLI数据的卤虫—水体端元光谱特征及差异;结合滑动窗口裁剪和光谱匹配因子SBAF (Spectral Band Adjustment Factors)模拟构建了有效样本量为837的卤虫—水体数据集;使用深度为5层的U型全卷积神经网络U-Net (U-Shaped Fully Convolutional Neural Network)算法提取卤虫条带并进行了评估与应用。与支持向量机法、最大似然分类法、归一化水体指数法相比,U-Net算法效率高、鲁棒性更好,卤虫条带的提取精确率和F1分数分别为92.02%和90.55%,比其他方法高出约11%—23%,即使面对复杂水体背景干扰,提取错误率也仅有3.3%;由2019年—2021年10景CZI影像的提取结果可知,研究期间卤虫条带的最大最小面积之比约为5.8,变化剧烈且与水体面积存在一定关联,但决定卤虫条带分布与面积的...     

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...     

SeaWiFS与HY-1卫星COCTS的系统交叉辐射校正

海洋一号(HY-1)卫星是中国第一颗海洋环境遥感卫星。由于卫星上没有太阳定标装置,而且其上搭载的水色水温扫描仪(COCTS)一直存在漂移的问题,所以必须不断对其进行辐射校正,所述内容就是其辐射校正方法之一。美国宽视场水色扫描仪(SeaW iFS)提供了高精度的水色数据,如一类水体上的离水辐亮度及叶绿素浓度等被国际水色遥感界作为参照的基准。以SeaW iFS反演的归一化离水辐亮度和气溶胶参数对COCTS遥感器的辐射校正系数进行了系统校正。该方法可以对COCTS的定标系数进行长期监测。结果表明,校正后的COCTS水色数据产品精度得到了很大的提高。     

长时序大范围内陆水体光学遥感研究进展

地球表面的江河、湖泊和水库等内陆水体是水资源的主要组成部分,由气候变化和人类活动所引起的内陆水体分布和水质时空变化等问题已成为各国科学家和政府关注的热点.相比常规实地采样监测手段,卫星遥感在长时序、大范围内陆水体监测方面具有重要优势.受到海洋水色遥感理论和方法的推动,同时也得益于内陆水体光学特性数据的不断积累,近年来内...     

中国近海绿潮生物量的卫星光学遥感估算

生物量是精准量化海洋大型漂浮藻类的关键参数,是反映海洋生态环境变化的有效指标。光学遥感卫星能为绿潮的精细化监测与评估提供数据支持,实现绿潮的精准识别与量化估算。针对中国海洋一号C/D卫星（HY-1C/D）海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)、美国中分辨率成像光谱仪MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、欧洲空间局哨兵2号卫星多光谱成像仪MSI(Multi Spectral Instrument)等光学遥感数据特点,基于绿潮生物量变化模拟与观测验证数据,本研究提出了适用于不同光学卫星数据的绿潮生物量估算模型与计算方法,开展了中国近海绿潮生物量光学遥感估算与交叉验证。结果表明：相较于绿潮像元面积和覆盖面积,绿潮生物量估算结果的不确定性最小,该参数能有效减少面积参数所内含的尺度效应差异,能更准确地用于海洋绿潮的量化与评估。此外,基于CZI和MODIS数据开展2021年中国近海绿潮生物量协同监测应用,有效提高了绿潮生物量监测的精度,详细量化了2021年中国近海绿潮生物量的年内变化,展现了绿潮生物量的精...     

HJ-1A/B卫星CCD影像的武汉市东湖水色三要素遥感研究

以武汉市东湖为研究区域,利用同步的MODIS-Terra气溶胶光学厚度数据为输入参数,采用FLAASH模型对2010年3月11日HJ-1A/B卫星CCD影像进行大气校正处理,并利用多年实测数据建立叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数三要素神经网络反演模型,对水色三要素进行反演。通过对反演结果与实测数据的对比分析可知,悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数和叶绿素a浓度的平均相对误差分别为28.052%、17.628%和35.621%,表明HJ-1A/B卫星CCD传感器基本能满足II类水体水色要素的遥感监测需求。     

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...     

内陆水体藻蓝蛋白遥感反演研究进展

藻蓝蛋白(PC),作为蓝藻的标志性色素,通常被用作进行蓝藻水华遥感监测的标志物.近年来,内陆水体水质恶化,富营养化加剧,藻华频发,PC遥感反演研究越来越受到关注.本文从PC光学特性、反演算法开发、卫星传感器应用等方面难点及干扰因素,综合梳理了过去30 a PC遥感反演研究的发展历程和趋势,以期理解国内外相关研究的新思路...     

水色遥感中偏振信息的研究进展

介绍了目前水色遥感中,水面反射光的偏振特性及其应用与水体散射光的偏振特性及其应用的研究进展.着重分析了基于偏振原理的水面反射光的剥离、海面溢油偏振遥感探测与基于水体物质偏振信息的水质参数反演等几个问题的研究现状;总结了在水色遥感信息流中,大气偏振校正、气-水界面偏振描述、基于偏振水质遥感反演、传感器偏振响应标定等各个环节入射光与出射光的偏振改变与响应机制等几个关键问题.     

应用HJ CCD传感器指数的鄱阳湖TSM浓度遥感监测

分别于2008年10月、2009年10月和2011年7月对鄱阳湖地区开展三个航次的科学调查,在分析实测数据基础上,利用TSM浓度应用HJ卫星CCD传感器数据,提出一种TSMI遥感反演的新方法,并与传统基于实测光谱与TSM浓度建立的方法对比分析,模型反演平均相对误差分别为17.5%和20.01%。实验结果显示,利用TSMI指数方法反演结果较优,不仅可以提高TSM浓度遥感反演精度,而且有利于解决内陆浑浊水体遥感监测中水色大气校正算法研究不足的问题。     

一种高斯过程回归的水体吸收系数反演模型

水体吸收系数是评价水体环境质量和衡量海洋对全球气候影响的重要因子.水色遥感作为目前对大范围海洋进行长时间连续监测的唯一手段,可以借助于合适的反演模型从影像上获取水体吸收系数.然而现有模型多为经验模型,反演精度和水体适应性都较差.基于自建的全球水体光学原位测量数据集SeaBASS2020,通过选用412、443、490、...