基于WorldView-2遥感影像的龙湾港浅海水深反演

根据遥感水深反演原理,利用海南岛龙湾港的WorldView-2多光谱卫星数据和海图水深资料,通过对水深进行0~2,2~5,5~10,10~15和15~20 m的分区处理、潮汐改正和海图水深数据与相应图像波段反射率值的相关性分析及回归分析,建立了浅海水深线性回归反演模型,开展了浅海水深的实际计算与精度分析。结果表明:对不同水深范围分别建立线性回归模型反演的水深精度要高于未分区建立的模型;分区模型中,多波段模型在0~5 m的反演精度最高,而双波段比值模型在5~20 m的反演精度最高,但是反演水深在最浅处的精度还有待提高。本文方法提取的水深与海图水深数据变化趋势基本相似,可以满足海洋科学研究对大范围浅水水下地形探测的要求。     

利用多波段卫星数据进行浅海水深反演方法研究

以遥感反演水深的基本原理为基础,利用我国南海永暑礁景区的TM数据和实测水深资料,通过TM多波段数据辐射校正、图像与海图地理配推、底质类型分区、潮汐改正和实测水深数据与相应的图像辐射值回归分析,建立了浅海水深反演模型,并进行了浅海岛礁水深的实际计算,总标准误差为2．14m。对我国南海30m以浅岛礁水深地形研究有很好的应用价值。     

基于GeoEye-1和WorldView-2遥感数据的浅海水深反演比较研究

浅海区水深的精确反演对于海洋空间管理和生态环境保护至关重要。选取南海西沙群岛的羚羊礁海域为研究区,基于GeoEye-1和WorldView-2高分辨率多光谱遥感数据和实测水深数据,分别建立了单波段模型、多波段模型和波段比值模型。结果显示,由绿波段参与建立的水深反演模型相关性普遍较高,同时利用4个波段组合建立的多波段模型精度最高,相关系数分别达到了0.870和0.853。基于该模型的反演结果对GeoEye-1和WorldView-2遥感数据在不同水深范围内的反演精度进行比较,结果表明,两种数据在不同水深范围内的反演误差变化趋势一致,平均相对误差最大值均出现在0～5 m,而最小值均出现在20～25 m。总体而言,WorldView-2影像反演水深的精度高于GeoEye-1影像的反演精度。研究对于热带浅海区的水深反演工作具有一定的参考意义。     

基于耀斑改正的多光谱水深反演方法研究

利用WorldView-2四波段卫星数据和电子海图数据,基于改进的耀斑改正算法和双波段比值算法,反演获得了3处典型海域的浅水水深。通过不同海域、不同耀斑条件下水深反演实验,探讨了RED,NIR波段在典型四波段水深反演中的作用和影响,发现在双波段比值法水深反演中,引入RED+NIR波段进行耀斑改正处理,可以增加珊瑚、海藻等绿色物质覆盖海底的反射率,有效地提高该类海域的水深反演精度。基于耀斑改正的多光谱水深反演方法,适用于中轻度耀斑条件下,水质较清澈的浅海水深反演,可在国内外典型四波段卫星数据水深反演中推广应用。     

基于光谱分层的浅海水深遥感反演方法

卫星水深反演是水深测量的一种重要手段,其中Stumpf比值算法和Lyzenga多项式算法应用广泛并诞生了大量改进算法,但这些算法没有顾及不同光谱的测深极限与适用范围,为此本文提出一种基于光谱分层的水深反演方法。首先,根据红、绿、蓝光谱对水体的穿透能力差异,提出一种基于影像本身的无参数光谱分层策略,提取红光层、绿光层、蓝光层;然后,根据不同光谱层的波段测深性能,分光谱层构建水深反演优化模型,获取浅海水深反演结果。以我国南沙海域长线礁和美属维尔京群岛巴克岛为实验区,本文方法对经典Stumpf比值算法和Lyzenga多项式算法进行改进后,水深均方根误差、平均绝对误差、平均相对误差分别降低了0.41～0.89 m、0.35～0.65 m、4%～19%,尤其在红光层,即水深较浅区域,平均相对误差降低了58%～149%,精度提升明显。因此,改进算法在提高卫星水深反演效果方面具有可行性和有效性。     

基于多项式回归模型的岛礁遥感浅海水深反演

Lyzenga's模型由于简单有效得到广泛应用,但是模型易欠拟合导致精度不高。本文提出了一种基于Lyzenga's模型的改进模型,通过增加多项式次数的方法,扩大模型特征维度,使得反演模型正确拟合,从而提高反演精度。基于WorldView-2遥感影像和0~30 m实测水深数据反演岛礁周围浅水水深,使用10折交叉验证和模型残差分析两种方法验证了改进模型的有效性和鲁棒性。结果表明,改进模型精度更高,在多项式次数为3时,模型最优。最后,根据改进模型反演得到的水深建立岛礁水下地形模型,能够直观、丰富地表达岛礁礁盘的微地形信息。     

基于高空间分辨率遥感影像的水深反演有效性评估

卫星遥感反演水深（Satellite Derived Bathymetry, SDB）是获取浅海水深信息的有效手段。然而,其有效范围只限于光学浅水区域,在深水区域呈现“伪浅海”的失真现象。因此,如何准确识别SDB数据的有效范围对其广泛应用至关重要。本文基于高空间分辨率多光谱卫星影像,在深入分析深/浅水辐射亮度统计分布特征差异的基础上,提出一种数据驱动的水深反演有效性评价方法。该方法以卫星影像辐亮度信息的局域标准差作为特征,基于K-S检验方法对光学深水区域统计特征进行模型优选,并使用假设检验方法对深水无效区域对应的SDB进行识别。甘泉岛水域实验结果表明,该方法通过统计分布划分光学浅水与深水区域边界,可以有效识别光学深水区域产生的无效水深反演数据。在剔除无效区域数据后,光学浅水有效区域内水深反演平均绝对误差（MAE）为1.01,均方根误差（RMSE）为1.52。实验结果表明,本文提出的方法可准确识别SDB结果的有效区域,进而为浅海地形解译提供方法支撑。     

XGBoost算法在多光谱遥感浅海水深反演中的应用

在多光谱遥感浅海水深反演过程中,考虑到水体和底质影响,水深值和海水表面辐射亮度之间的线性关系不成立。本文以甘泉岛南部0～25m范围的沙质区域为研究区域,利用GeoEye-1多光谱遥感影像和多波束实测水深数据构建XGBoost非线性水深反演模型,研究了XGBoost算法用于水深反演的性能。以决定系数(R~2),均方误差(MSE)和平均绝对误差(MAE)作为评价指标,并与3种传统线性回归模型进行了对比分析。结果表明, XGBoost非线性水深反演模型的R~2、MSE和MAE分别为0.991、0.33m和0.44m,拟合程度最好,精度优于线性回归模型。为进一步探究各模型在不同水深的反演精度,将水深范围分成3段(0～8 m, 8～15 m, 15～25 m)分别进行精度验证和误差分析。结果表明, XGBoost模型在各分段的精度均优于线性回归模型, MSE依次为0.56 m, 0.14 m和0.43 m。可见,在单一底质区域下XGBoost模型的水深反演精度更高,且反演效果更稳定。     

基于极限学习机的浅海水深遥感反演研究

以Sentinel-2A遥感影像为数据源,在数据预处理基础上,使用极限学习机建立水深反演非线性回归模型,并与双波段回归模型、神经网络BP模型进行了比较。结果表明,总体上,支持极限学习机反演精度比较高,在水深5～20m处,极限学习机模型具有较高的反演精度和良好的效果,适用于研究区的水深反演。     

基于梯度提升决策树算法的水深反演研究

传统的水深测量方法多通过舰载声纳实地探测的方法,灵活性较差且水深资料更新周期长,并且在某些海域,船只往往难以靠近从而无法完成测量。本文使用七连屿海域附近的WorldView-2多光谱遥感影像构建了基于梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT)算法的水深反演模型,并利用单波束与人工测量相结合的水深数据,与传统的单波段模型、双波段模型以及BP神经网络水深反演模型的水深数据进行了水深反演精度对比。结果表明,在0～20 m深海域,GBDT模型反演精度高于其他模型,且更符合实际水深,其检验点的R²为0.9664, RMSE为0.94 m, MAE为0.75 m, RME为19%。     

海面太阳耀斑区的溢油光学遥感CNN检测方法研究

海面发生大面积溢油事故时,由于太阳耀斑区的存在,海面的油膜在遥感影像上会发生明暗的变化。这对溢油的检测会产生严重的干扰。如何在海面太阳耀斑区准确地检测出溢油是目前溢油检测的难题。针对这一问题,本文利用Landsat7 ETM+多光谱影像数据,开展了基于卷积神经网络(CNN)的海面太阳耀斑区溢油检测方法研究。通过设置对照实验,对比支持向量机、最大似然、随机森林等分类方法,我们发现在相同实验条件下CNN模型的分类精度为95%～99%, Kappa系数为0.92～1,均高于其他三种分类方法,表明了CNN模型在海面太阳耀斑区溢油的检测具有更高的精度与一致性。     

GF-1 WFV图像经验模分解的光谱保真性与水深遥感探测

水深是海洋环境的重要参数之一,水深遥感反演是水深测量的一种重要手段。经验模分解（EMD）具有剔除小尺度波浪信息,留下大尺度水下地形信息的特性。本文利用EMD对高分一号卫星宽幅影像进行尺度变换,使用光谱相关系数、光谱角、光谱偏差和光谱相对偏差等评价指标,对剩余层图像进行光谱保真性分析;利用改进的对数转换比值模型对原始影像和剩余层图像进行水深反演,并进行相关性分析与精度评价。研究结果表明:（1）评价指标显示EMD变换后影像具有相当的保真性;空间断面分析表明EMD去除了小尺度的噪声信息,保留了水下地形变化信息。（2）经均匀分布的检查点验证,两区域的原图像反演水深和实测水深的相关性较好,相关系数达0.75以上,且两种波段组合的MAE和MRE均不超过2.42 m和8.5%。（3）对EMD的全部10层进行水深反演,蓝绿波段的MAE和MRE均不高于1.62 m和5.8%;绿红波段的MAE和MRE均不高于1.93 m和6.9%。（4）对于不同的波段组合,蓝绿波段组合在各剩余层的水深反演效果明显优于绿红波段,经EMD后的水深反演效果明显提高。（5）20~30 m水深段的反演精度整体要高于30~40 m,该模型应用于较浅水深段更具优势。     

基于GF5-AHSI遥感数据的横沙浅海水深反演

高光谱遥感水深反演是一种对传统水深测量方法的补充,具有方便、快捷、经济等突出优势。本文研究区位于上海横沙,属于典型滩涂浅水区,研究数据包括GF5-AHSI高光谱遥感数据和同时期的水深数据。通过数据变换和相关分析等方法提取建模参数,利用单波段比值模型、多元线性回归模型、最优标度回归模型和BP神经网络模型实现该区域水深反演,并对4种模型反演结果的准确性进行了验证和比较。研究发现：最优标度回归模型优于其他3种模型,R2达到了0.972,RMSE为0.47 m,适用于横沙浅海水深反演。     

夏季珠江口海域海水CO2分压的卫星遥感反演

基于控制因子分析的方法,本研究建立了夏季珠江口海域海水CO₂分压(pCO₂)的遥感反演模型。基于珠江水与黑潮水的两端元混合,建立了水平混合和热力学作用的量化模型,并生成了查找表。同时,建立了基于黄色物质(含碎屑)吸收系数的盐度遥感算法,实现珠江口海域表层盐度的遥感反演。利用走航pCO₂和匹配的遥感叶绿素质量浓度产品,建立了生物作用的量化模型。通过集成水平混合和生物作用,最终实现夏季珠江口海域pCO₂的遥感反演。与走航pCO₂比较表明,仅考虑水平混合和热力学作用的遥感结果会显著高估,考虑生物作用后,遥感结果无论在量值和空间变化趋势上均与实测结果相符。此外,遥感反演结果表明,夏季珠江口近岸水域为CO₂的汇区,而离岸的陆架水域则为CO₂的弱源。     

一种计算有限水深波能功率的新方法

海洋波浪能平均功率的准确计算是波浪能开发和利用的基础。实践中,波浪能转换装置一般安装在有限水深区域。对于随机波,只有当详尽的波浪谱已知的时候,有限水深区的波能功率才能被准确计算出来。由于种种原因,实践中波浪的实测数据大多以散点图或有义波高和统计波周期的形式给出,而波浪谱信息有时则很难获得。基于这种情况,传统上人们利用无限水深条件下的相关公式来估算有限水深区域的波能功率,但这种做法会造成较大的误差。本研究显示,对于50 m水深的理论波谱JONSWAP谱来说该误差高达14.6%。为了提高波能功率计算的准确性,本文提出了一种基于能量频率的一阶和二阶近似算法,可以在未知波浪谱的情况下较为准确地计算不同水深时的波能功率。针对两种理论波浪谱的计算结果表明,本方法在计算有限带宽内的波能功率时计算误差低于2.8%。     

海水石油类物质吸收系数遥感化提取算法研究

Establishing the remote sensing algorithm of retrieving the absorption coefficient of seawater petroleum substances is an efficient way to improve the accuracy of retrieving a seawater petroleum concentration using a remote sensing technology. A remote sensing reflectance is a basic physical parameter in water color remote sensing. Apply it to directly retrieve the absorption coefficient of seawater petroleum substances is of potential advantage. The absorption coefficient of waters containing petroleum [ACWCP, a_o(λ)], consists of the absorption coefficient of pure water [ACPW, a_w(λ)], plankton [ACP, a_(ph)(λ)], colored scraps [ACCS, a_(d,g)(λ)], and petroleum substance [ACPS, a_(oil)(λ)]. Among those, ACCS consists of the absorption coefficient of nonalgal particle [ACNP, a_d(λ)] and colored dissolved organic matter [ACCDOM, a_g(λ)]. For waters containing petroleum, the retrieved ACCS using the existing method is a combination absorption coefficient of ACNP,ACCDOM and ACPA [CAC, a_(d,g,oil)(λ)]. Therefore, the principle question is how to extract ACPS from CAC.Through the analysis of the three proportion tests conducted between the year of 2013 and 2015 and the corresponding remote sensing data, an algorithm of retrieving the absorption coefficient of petroleum substances is proposed based on remote sensing reflectance. First of all, ACPS and CAC are retrieved from the reflectance using the quasi-analytical algorithm(QAA), with some parameter modified. Secondly, given the fact that the backscatter coefficient [BC, b_(bp)(555)] of total particles at 555 nm can be obtained completely from the reflectance, the relation between BC and ACNP in petroleum contaminated water can be established. As a result, ACNP can be calculated. Then, combining the remote sensing retrieving algorithm of a_g(440), the method of achieving the spectral slope of the absorption coefficient can be established, from which ACCDOM,can be calculated. Finally, ACPS can be computed as the residual. The accuracy of ACPS based on this algorithm is 86% compared with the in situ measurements.     

A coupled-mode system with application to nonlinear water waves propagating in finite water depth and in variable bathymetry regions

A non-linear coupled-mode system of horizontal equations is presented, modelling the evolution of nonlinear water waves in finite depth over a general bottom topography. The vertical structure of the wave field is represented by means of a local-mode series expansion of the wave potential. This series contains the usual propagating and evanescent modes, plus two additional terms, the free-surface mode and the sloping-bottom mode, enabling to consistently treat the non-vertical end-conditions at the free-surface and the bottom boundaries. The present coupled-mode system fully accounts for the effects of non-linearity and dispersion, and the local-mode series exhibits fast convergence. Thus, a small number of modes (up to 5–6) are usually enough for precise numerical solution. In the present work, the coupled-mode system is applied to the numerical investigation of families of steady travelling wave solutions in constant depth, corresponding to a wide range of water depths, ranging from intermediate depth to shallow-water wave conditions, and its results are compared vs. Stokes and cnoidal wave theories, as well as with fully nonlinear Fourier methods. Furthermore, numerical results are presented for waves propagating over variable bathymetry regions and compared with nonlinear methods based on boundary integral formulation and experimental data, showing good agreement.