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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

珠江口海域基于吸收测量的MODIS半分析算法修正

利用珠江口2002年11月颗粒物质(包括浮游植物与非色素颗粒)及有色溶解有机物质(CDOM)吸收系数的测量,尝试修正MODIS半分析算法经验方程.原算法中建立的浮游植物吸收系数aφ(λ)与aφ(675)之间的双曲线正切函数关系式可能并不符合珠江口这一高污染河口区的光学性质,故给出了aφ(λ)与aφ(443)的简单二次函数关系式.非色素颗粒吸收系数(ad)总体上远大于CDOM吸收系数(ag),所以,没有分离ad和ag而直接导出ag并不切实可行;建议参数S取值0.012 nm-1.当然实用的珠江口MODIS半分析算法还需要进一步的调试与优化.     

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。     

珠江口河网水体非光学活性水质参数高光谱反演

以粤港澳大湾区中山市及其邻近水域河网水体为试验区, 同步采集现场光谱及水质数据, 研究受测水体的高光谱反射率特征, 并分析非光学活性参数中化学需氧量(COD_Cr)、总磷(TP)浓度与高光谱反射率的相关性。结果显示, 各河流水体光谱反射率主要受悬浮颗粒物和叶绿素a的影响; 在500~680nm波段范围内, 水体光谱反射率大小与COD_Cr、TP浓度呈负相关关系; 与单波段相比, 特定波段的反射率比值与COD_Cr、TP浓度值的相关性较高, 与COD_Cr、TP浓度值相关性最高的反射率比值波段组合分别为R₆₇₅/R₇₉₄、R₆₉₀/R₈₁₅。选择上述波段组合建立的水质反演模型具有良好的估算精度, 模型估算平均相对误差分别为27.2%、32.1%, 表明高光谱技术在珠江口河网水体非光学活性参数COD_Cr、TP浓度反演上具有较大的应用潜景。     

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.     

基于决策树与二分分割算法的BP神经网络在赤潮等级预测中的应用研究

针对赤潮灾害等级预测难的现状,提出了一种基于C4.5决策树与二分分割算法优化的BP(反向传播)神经网络赤潮等级预测模型。该模型针对传统BP神经网络输入参数难以选择和隐含层节点数量难以确定的问题,通过决策树分类获取最优的属性组合,来解决输入参数难以选择的问题;通过"二分分割算法",来解决隐含层节点数难以确定的问题。实验结果表明,该模型在青岛近海海域赤潮灾害等级预测中,预测结果的均方根误差(RMSE)小于传统BP神经网络的预测误差,并且在网络训练时间上有所缩短,预测精度上有所提高,能够获得良好的预测结果,可为赤潮等级预测提供新的解决方法。     

黄海、东海海区水体散射特性研究

半分析模型是水色遥感反演算法的研究热点,而水体后向散射系数对建立半分析水色反演模型是非常重要的参数.通过对黄海、东海海区的水体固有光学量测量数据进行分析,得到水体总后向散射系数与水体总散射系数的关系为乘幂关系,颗粒物后向散射系数随光谱变化的指数在高低浑浊度水体有很大差异,并初步得到黄海、东海海区水体的后向散射系数与总悬浮物浓度的关系,从而为水色半分析模型建立和水光学辐射计算提供一组散射特性模型.     

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%。     

基于高光谱数据的赤潮检测方法

在讨论海水高光谱数据波形波峰和波谷产生机理的基础上,通过对高光谱数据波形结构形态的分析,提出了一组描述吸收峰和反射峰的特征参数,并且设计了一种计算这组特征参数的算法,然后基于其中的中心波长、强度和对应中心波长的值提出了3种赤潮识别的方法。试验证明这种方法可以成功地提取出吸收峰和反射峰的特征参数,3种赤潮识别方法可以进行赤潮的识别与预测。     

基于深度学习的赤潮发生预报方法研究

赤潮作为海洋灾害,对海洋渔业、生态、经济,以及人类生产、生活造成了严重影响。一直以来,赤潮受到研究者的广泛关注,但由于它的形成机制比较复杂,使得赤潮预报极具挑战性。针对赤潮预报的研究问题,本文收集了厦门海域赤潮发生前后的海洋监测数据,结合皮尔逊相关系数、散布矩阵、复相关系数方法,分析多环境因子与赤潮发生多要素的关联情况,重点采用基于深度学习的LSTM与CNN融合方法,挖掘环境因子的时序依赖,发现序列数据的局部特征,对赤潮发生进行预报。在厦门一号和厦门二号数据集中,本方法在预报未来12 h内的赤潮情况时,RMSE、MAE误差分别达到0.521 8、0.504 3。通过协同对比模型进一步确定赤潮发生的预报概率,在两个数据集上的最终预报准确率分别为67.58%和63.49%。本研究为赤潮的分析预报提供了探索经验,证明了将深度学习方法应用于赤潮预报的可行性。     

环境要素与连云港海域赤潮发生关系研究

根据2004—2013年连云港海域赤潮事件记录和赤潮监控区监测数据,采用相关性分析等数理统计方法,对连云港海域赤潮特征及其与环境要素的关联性进行研究。结果表明,5—10月为连云港海域赤潮频发时段,每次过程持续大多在3—7天之间;赤潮发生前三日叶绿素a、溶解氧、海温、化学需氧量和p H等要素与赤潮发生表征指标浮游植物总量相关性显著;在赤潮发生发展消亡过程中,海温、叶绿素a、溶解氧和p H均呈现出先上升后下降的趋势,化学需氧量则表现为相反变化态势;赤潮发生前期和发展维持阶段,以东到东南向风为主,风速较小,赤潮消亡前夕,常伴随偏西大风过程。     

浙江南部海域富营养化和赤潮的探讨

本文探讨了浙江南部海域1990年春季发生赤潮期间的水化学特征和富营养化状况,及与赤潮生物的线性回归关系。分析结果表明,该海域出现高营养盐以至形成富营养化乃是江浙沿岸流和瓯江等河流径流及远岸区盐度锋辐聚的综合影响的结果。根据回归分析,NO_3-N,SiO_3-Si与浮游植物细胞密度之间存在着较为显著的负相关。亦即N,Si和高N/P比(35:1左右)可能是导致浮游植物(夜光藻)异常增殖的重要因素。