半分析算法在固有光学特性反演中的性能研究

水色遥感作为目前获取大范围水体固有光学特性的唯一方法,其精度取决于所用的反演算法,而基于辐射传输理论的半分析算法凭借坚实的理论基础和良好的可解释性成为近年的研究重点,但其在不同类别水体中的反演性能未见系统分析。通过选取曼德海峡和马六甲海峡分别作为一类和二类水体的代表水域,并基于OLCI遥感影像数据,使用Kd490作为间接评价参量对GSM、LMI和QAA三类主流半分析算法的反演性能进行了分析研究。结果表明三者一类水体中的反演性能LMI≈QAA>GSM,而在二类水体中GSM>QAA>LMI;在水体适应性方面,以QAA为最佳,GSM和LMI受光谱斜率参数的影响很大。因此,根据水体类型选取合适的半分析算法对于提高水体固有光学特性反演精度是十分必要的。     

水体透明度遥感反演算法研究进展

水体透明度(Secchi Disk depth,SDD)是水环境监测的重要参数,遥感技术对于监测水体透明度具有重要的应用前景。本文旨在分类和比较当前用于监测水体透明度的算法,并提出未来研究的方向,以推动水环境监测技术的进一步发展。文章对目前检索水体透明度的算法进行分类和比较。其中,经验算法、半分析算法和机器学习算法是目前研究的主要方向。通过分析算法特性和优缺点,提出未来研究的重点和方向。经验算法基于透明度与光谱数据、叶绿素a浓度等的相关性,半分析算法基于水下能见度理论,机器学习算法则基于更优的数据特征学习能力。不同算法具有各自的适用范围和限制。未来的研究应该着重于整合多源遥感数据,改进QAA (quasi-analytical-algorithm),深入分析光学参数与水体透明度的关系,将机器学习算法应用到水体透明度模型的建立中,以建立具有高精度、适用性广的反演模型。     

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。     

基于两种半分析算法的水体吸收系数反演

本文基于42组不同年份不同季节获得的遥感反射率、水体各组分吸收系数的实测数据,对QAA（Quasi-Analytical Algorithm）和GSM（Garver-Siegel-Maritorena）算法在寡营养的南海和富营养的福建沿岸两种不同类型水体的吸收系数反演进行了检验。以水样测量值为参考,两种算法在本研究水体中的反演成效与他人在其它水域的研究结果相当。QAA算法在南海的反演成效高于福建沿岸水体。对于443 nm的总吸收系数（a443 ）,南海的对数均方根误差（RMSE ）为0.046,平均相对误差为7.9%,对数平均偏差为0;福建沿岸水体的对数均方根误差（RMSE ）为0.194,平均相对误差为30.6%,对数平均偏差为-0.167 。GSM算法在两类水体的反演成效类似,A443 之RMSE和平均相对误差,南海分别为0.161和27.7%,福建沿岸分别为0.149和32.1%,但从A443的对数平均偏差值看,其在南海反演值低于实测值（对数平均偏差为-0.142 ）,在福建沿岸则略呈高于实测值（对数平均偏差为0.016）。两种算法中的部分经验参数与实测值之间的差异是产生反演误差的主要原因,为了提高反演精度,对算法中经验参数的更进一步区域化调整可能是必要的。     

基于SDGSAT-1影像的总悬浮物浓度反演方法研究

总悬浮物浓度是海洋的重要水质参数之一,其对水体透明度、水下光场及初级生产力有显著影响,同时对河流入海口与海岸带冲淤变化过程有重要作用。本文基于我国自主研制的SDGSAT-1卫星遥感影像,使用准分析算法（Quasi-Analytical Algorithm,QAA）获取水体固有光学量,并结合2022年4月黄河口区域总悬浮物浓度实测数据,建立水体固有光学量与总悬浮物浓度实测数据的单波段、波段加减、波段比值,以及多波段组合等模型并开展遥感反演,最后将反演结果同实测数据及基于Sentinel-2B影像的总悬浮物浓度反演结果进行对比。研究结果表明：基于SDGSAT-1影像的总悬浮物浓度反演结果在黄河口高浓度区域的决定系数为0.622,均方根误差为7.94 mg/L;基于Sentinel-2B影像的总悬浮物浓度反演结果在黄河口高浓度区域的决定系数为0.589,均方根误差为8.27 mg/L。故在我国近岸海域总悬浮物浓度反演方面,SDGSAT-1影像反演精度与Sentinel-2B影像反演精度相媲美。     

黄东海海区春季半经验分析生物-光学算法研究

基于2003年4月黄东海试验获取的现场实测的水体表观光学参数和固有光学参数数据,对生物-光学半经验分析算法进行了研究。根据算法的基本原理开发了黄色物质吸收系数光谱模型等一系列经验模型,利用多元非线性最小二乘法求解、反演叶绿素a浓度,并对模型进行检验。结果表明,模型的反演值与实测值的一致性较好。     

基于半分析方法的黄河口悬浮物浓度遥感反演

河口区的悬浮物浓度受陆源输入和水动力等其他因素的影响严重,具有重要研究意义。本文利用黄河口及其邻近区域采集的145个站位光谱数据和悬浮物(Suspended Particulate Matter,SPM)浓度数据,检验了Nechad模型、多波段准分析算法(Quasi-Analytical Algorithm,QAA)、最优化模型和半经验辐射传输模型(Semi-Empirical Radiative Transfer,SERT)在黄河口水域的适用性。结果表明,QAA561模型和Nechad561模型在低浓度水域反演结果较好,QAA655模型反演结果较差,Nechad665模型适合于低浓度水域,但反演精度低。QAA865模型和Nechad865模型在中高浓度水域的反演结果较好。SERT655模型反演精度较低。最优化模型和SERT滑动模型的反演精度较高。由于黄河口水域悬浮物浓度变化范围较大,因此,本文建立了分段QAA模型和Nechad模型。分段模型的反演结果均优于单一模型。根据误差敏感性分析可知,Nechad分段模型和QAA分段模型对于遥感反射率的50%以内的误差不敏感,稳定可靠。将分段模型应用于Landsat-8 OLI数据,获取了悬浮物浓度时空分布图。结果表明,反演结果与已有研究具有相似的分布特征。两种模型得到的悬浮物浓度在数值上存在差异,然而分布趋势在中高浓度季节有非常好的一致性。     

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。     

基于地物光谱的赤潮优势种识别研究

利用2001年获取的不同优势种赤潮水体的现场光谱数据，处理得到了不同优势种赤潮水体的遥感反射率光谱曲线；在此基础上，发展了基于光谱角度制图法(Spectral Angle Mapping，SAM)和互相关光谱匹配法(Cross Correlogram Spectral Mapping，CCSM)的赤潮优势种识别算法。数据实验结果表明，上述两种方法对于实现基于光谱数据的赤潮优势种识别是基本有效的，且CCSM方法的识别结果略优于SAM方法。进一步提高上述方法的适用性在于大量获取不同优势种赤潮的光谱数据并建立赤潮光谱数据库。     

2014年渤海海域赤潮遥感监测研究（英文）

自2000年以来,渤海海域每年都有赤潮发生,这往往使渤海沿海水域受其影响。卫星遥感技术和海洋水色观测卫星图像,已经成功地用于识别和观测赤潮的发生、发展和消亡。然而,由于研究的水体、使用的遥感数据和建模方法都各不相同,因此需针对渤海海域的水体特点建立特定的赤潮反演模型。本文利用MODIS光谱反射率数据和渤海海域实测叶绿素a浓度进行了相关分析,选择表达式(B10-B8)/(B13-B8)作为渤海海域赤潮反演的指标,相关系数达到0.781 5,呈现显著相关结果。研究发现2014年渤海海域赤潮灾害的时空分布特征较为明显。其中渤海海域赤潮大规模爆发的主要原因归结于其半封闭型的地理形态导致的水交换不畅和沿岸径流的大量陆源物质输入,河流输入是陆源污染入海的主要来源。然后,本文利用云覆盖较少的GOCI遥感数据,建立了一个改进型赤潮指数的赤潮反演模型,并且证明了在浑浊水域中描述赤潮的有效性。2014年5月15日、26日和30日的每小时RI图像在一天中呈现出基本一致的赤潮变化,并且一天中渤海海域的赤潮面积变化非常明显,赤潮藻类优势种的垂直迁移可能是导致赤潮表面表达短期变化的主要原因。     

服务于赤潮高精度快速检测的决策树RX高光谱遥感算法

本文应用辽东湾鲅鱼圈研究区赤潮高光谱遥感数据,针对互信息RX(Reed-Xiaoli)和传统相关系数RX等单源算法赤潮检测结果不稳定,可能出现漏检和误检的问题,提出基于互信息和相关系数的决策树RX赤潮高精度检测模型,结果表明:与单源算法相比,决策树RX算法赤潮高光谱遥感检测得到的ROC曲线较稳定;与经典的非监督和监督遥感分类算法相比,决策树RX算法的错分情况明显减少,检测精度较高,总体精度达96%以上;子空间划分得到的特征波段组合,能够在不降低赤潮检测精度的前提下,检测速度提高3倍;耀斑抑制后数据1的特征波段组合赤潮检测总体精度提高了1.82%。     

东海赤潮遥感自动监测系统开发与应用

赤潮是最严重的海洋灾害之一,它不仅破坏海洋渔业生产、恶化海洋环境、影响滨海旅游业,而且还会影响人类健康。卫星遥感技术具有覆盖范围广、重复率高、成本低廉等优势,近年来已成为赤潮监测不可或缺的重要手段。本研究利用C++语言建立了一套赤潮遥感监测系统。该系统能自动接收和处理遥感数据,并利用赤潮水体的光谱和固有光学量特征自动提取赤潮信息。在实际业务化应用中,该系统被国家监测部门采用,在2013年4月至9月东海赤潮高发期间,该系统制作了55期赤潮遥感监测产品,用于指导船舶现场监测工作,取得了良好的应用效果。利用本系统对近年来东海发生的27次大型赤潮事件进行了发生位置和面积的提取,并与现场观测结果进行比较。结果显示,系统对大部分赤潮范围的识别有较好的效果,对赤潮识别准确度大概在80%左右。     

基于背景场的一种新的赤潮监测算法

Remote sensing has been proven to be an effective means of monitoring red tides. The spectral information is an important basis for establishing a model to monitor red tides. The spectral curves of red tide events are analyzed and compared with multiyear monthly averaged spectral curves based on MODIS data from July 2002 to June 2012, as well as spectral differences at the same location during red tide presence and absence. A red tide monitoring algorithm is developed based on the background field to extract the red tide information of the East China Sea （ECS）. With the application of the algorithm in the ECS, the results reveal that the developed model can effectively determine the location of red tides, with good correspondence to the results from an official bulletin. This demonstrates that the algorithm can effectively extract the red tide information.     

基于光谱差异的东海赤潮提取算法

赤潮是最严重的海洋灾害之一,它不仅破坏海洋渔业生产、恶化海洋环境、影响滨海旅游业,而且还会影响人类健康。东海是我国赤潮灾害的“高发区”,赤潮发生次数和面积均明显高于其它海区。遥感是赤潮监测的最有效的手段之一,从光谱曲线可以看出,赤潮水体和非赤潮水体光谱曲线有明显的区别,前者呈现出2个吸收峰和2个反射峰,而后者不具备该特征。基于光谱差异,本文提出了1种新的赤潮提取算法:R_rs555/R_rs488>1.5且R_rs678-R_rs667>0。该算法能有效地确定卫星数据中赤潮的位置,与公报的赤潮位置吻合得较好。因此,该算法适用于卫星数据的东海赤潮信息提取。     

应用遗传神经网格方法分析赤潮监测数据

简要介绍了遗传神经网络方法的原理 ,探讨了应用遗传神经网络方法研究辽东湾海域丹麦细柱藻 (Leptocylindrusdanicus)赤潮与其环境因子之间的关系 ,计算了各环境因子对丹麦细柱藻赤潮的贡献。结果表明 ,温度、盐度、DIN的变化对研究海域丹麦细柱藻种群密度的增长有比较重要的影响 ,DIN是营养限制因子。遗传神经网络是分析赤潮监测数据的有效方法 ,值得进一步探索     

藻种和悬浮物光谱辨别算法研究

海洋浮游生物和悬浮泥沙对光都有一定的物理、化学反应,通过纯种藻试验和悬浮泥沙试验可以得到相应的交流谱线,以及浓度与特征参数的关系,本文提出一种辨别算法,并进行了相关的推理、探讨.     

基于海洋一号D卫星海岸带成像仪的赤潮遥感监测特征

为进一步加强对赤潮等海洋生态灾害的动态监测,科学支撑海洋防灾减灾工作,文章基于海洋一号D卫星搭载的海岸带成像仪数据,选取北部湾、茂名近岸和陵水湾为研究区域,分析2021年2月发生的4例赤潮事件的遥感影像、叶绿素a浓度和赤潮指数特征。研究结果表明：遥感影像可清晰呈现赤潮分布状况,叶绿素a浓度和赤潮指数的异常值范围与遥感影像一致,赤潮水体的叶绿素a浓度和赤潮指数整体高于非赤潮水体。     

中高空间分辨率宽波段光学卫星传感器参数赤潮探测影响研究

中高空间分辨率宽波段光学卫星已成为赤潮监测的主要数据源,但与水色卫星传感器不同,中高空间分辨率卫星传感器主要面向陆地应用,其波段数量少、宽度大,由此对赤潮探测带来的影响尚待研究。为此,本文基于不同优势种赤潮实测高光谱数据、时空同步的GF-1 WFV2、GF-1 WFV3传感器影像、Sentinel-2A MSI传感器影像及GF-6 WFV传感器影像,探究了波段设置、光谱响应函数、信噪比及空间分辨率对赤潮探测的影响,并分析了红边波段赤潮探测优势。结果表明:波段设置对赤潮探测影响大,特别是红光波段和红边波段的中心波长和波段宽度;波段设置相同的情况下,赤潮探测精度受光谱响应函数的影响大,受信噪比的影响较小;空间分辨率对赤潮探测的影响较大,空间分辨率的提升有助于提高赤潮探测的精度。红边波段赤潮探测实验表明,较之红光波段,基于红边波段的赤潮探测具有明显的优势,平均F1-Score提高了11%。本文的研究结果一方面可为赤潮中高空间分辨率卫星探测的数据选取提供理论依据,另一方面可为中高空间分辨率卫星传感器的设计提供参考。