海洋水色遙感海洋遙感

海洋水色遙感海洋遙感2023/4/12第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日第五章海洋水色遙感

概述海洋水色遙感機理生物-光學算法的物理基礎(chǔ)海洋水色要素濃度反演赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演2023/4/12第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述1.海洋水色遙感傳感器

1970年，Clarke等成功的驗證了利用航空光譜遙感水體表層葉綠素濃度的可行性。

CZCS（Nimbus-7）

SeaWifs（SeaStar）

MODIS（Terra-Aqua）

COCTS（HY-1A、HY-1B）2023/4/12第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述1.海洋水色遙感傳感器2023/4/12第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述1.海洋水色遙感傳感器波段設(shè)置2023/4/12第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述2.與海洋水色遙感有關(guān)的應(yīng)用和研究

全球氣候變化（包括海洋碳通量研究）海岸帶管理與（工程）環(huán)境評價海洋初級生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)資源的開發(fā)、保護海洋污染環(huán)境的監(jiān)測海洋動力環(huán)境研究海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究2023/4/12第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述2.與海洋水色遙感有關(guān)的應(yīng)用和研究2023/4/12第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述3.海洋水色遙感中的關(guān)鍵技術(shù)

大氣校正

-從傳感器接收到的信號中消除大氣的影響，獲得包含海水組分信息的海面離水輻射度。生物光學算法

-根據(jù)不同海水的光學特性與離水輻射度之間的關(guān)系，估算有關(guān)的海洋水色要素。2023/4/12第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

海洋水體分類根據(jù)Morel等提出的雙向分類法，可分為：

-Ⅰ類水體：光學特性主要由浮游植物及其分解物決定；

-Ⅱ類水體：光學特性除了與浮游植物及其分解物有關(guān)外，還由懸浮物、黃色物質(zhì)決定，其水色由水體的各成分以非線性方式來影響。2023/4/12第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

海水的光學特性海水的光學特性有：表觀光學量和固有光學量。

表觀光學量由光場和水中的成分而定，包括向下輻照度、向上輻照度、離水輻亮度、遙感反射率、輻照度比等，以及這些量的衰減系數(shù)。

固有光學量與光場無關(guān)，只與水中成分分布及其光學特性有關(guān)，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系數(shù)；散射系數(shù)；體積散射函數(shù)等。2023/4/12第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

海水的色素葉綠素：反映海洋生產(chǎn)力的變化，最主要的為葉綠素a，在藍光（420-500nm）和紅光（600-700nm）波段具有兩個強吸收谷。熒光：浮游植物吸收的太陽能在某波段上的輻射光，該值可作為植物健康狀況的標志。色素濃度：葉綠素a和褐色素濃度之和，常用C表示。2023/4/12第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

黃色物質(zhì)-在全球碳循環(huán)研究中比較重要海水中的融解有機物DOM包括顆粒狀有機碳POC和融解的有機碳DOC。海水中的有色融解有機物（CDOM）被稱為黃色物質(zhì)。黃色物質(zhì)在藍色波段具有強烈的吸收。一般定義黃色物質(zhì)濃度為：2023/4/12第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

黃色物質(zhì)融解有機物DOM的光譜吸收曲線2023/4/12第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

海洋初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力表示在單位海洋面積內(nèi)，浮游植物通過光合作用固定碳的速率或能力，與平均葉綠素相關(guān)，單位為mg·m-2·d-1。反演算法有：經(jīng)驗算法、解析算法。2023/4/12第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個基本概念

赤潮海水中的浮游生物過度繁殖或聚焦致使海水變色（多為紅色）的一種生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。2023/4/12第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機理1.海洋水色遙感機理的簡單描述

海洋水色遙感是基于傳感器接收的離水輻射（透射入水的輻射經(jīng)過水體反射離開水面的輻射）所進行的。水中各重要成分濃度變化→水體吸收和散射光學性質(zhì)變化→離水輻射度變化→傳感器接收信號發(fā)生變化。

水色遙感過程：通過大氣校正，得到離水輻射，再根據(jù)各成分濃度與離水輻射之間的相關(guān)關(guān)系，反演得到各水色要素濃度。2023/4/12第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機理※.海洋水色遙感的正演與反演2023/4/12第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機理※.大氣校正前后的輻射度對水色要素的指示不同TOABOA2023/4/12第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機理2.具體的模型描述-水氣輻射傳輸模型a.簡化模型b.a模型細化c.考慮多次散射和白浪引起的散射水中物質(zhì)太陽傳感器海表2023/4/12第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日※.利用水氣輻射傳輸模型反演的主要過程（1）輻射定標（2）大氣校正

采用近似法（如對模型進行合理的簡化）和數(shù)值法（如采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進行計算）；利用近紅外兩個波段的離水輻射度近似為0來進行校正。2023/4/12第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日第8波段氣溶膠散射計算n值其它波段氣溶膠散射（3）水色要素反演-(生物光學算法、經(jīng)驗公式法）※.利用水氣輻射傳輸模型反演的主要過程以SeaWIFS（SeaStar）對一類水體探測為例，設(shè)置了大氣校正通道7（765nm）和8（865nm）。這二個波段的離水輻射度近似為0。生物-光學算法已經(jīng)擴展到了水中其它組分及海水光學性質(zhì)的研究。2023/4/12第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(1)水面上的下行輻照度（2）水面向下的輻照度或2023/4/12第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(3)水次表面向上輻照度與輻射度的關(guān)系

體積散射相函數(shù)Q為散射光方向的輻射度與輻照度之比，它與介質(zhì)對光子散射的空間分布有關(guān)。對于光學上各向同性的介質(zhì)，Q等于π。在可見光和近紅外光波段，海水的Q約等于4.55；當接近中午太陽天頂角較小時，Q約等于5.0。2023/4/12第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(4)離水輻射度Lw的計算綜合以上諸式可得：單位：Sr-1※遙感反射率：2023/4/12第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學算法的物理基礎(chǔ)2.歸一化離水輻射度（1）物理意義：當太陽位于天頂處，且消除大氣的影響時，海表離水輻射度的近似表達。（2）計算（Gordon）：2023/4/12第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學算法的物理基礎(chǔ)3.離水反射率離水反射率：

歸一化離水反射率和歸一化離水輻射度與入射光達到海面的輻照度無關(guān)，只與當時當?shù)氐暮Ｑ髢?nèi)部各種粒子的成分和濃度有關(guān)。單位：Sr-1歸一化離水反射率：※遙感反射率：2023/4/12第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演1.反演海洋水色要素需考慮的因素（1）水色遙感圖像的大氣校正；（2）多種水色要素對離水輻射度的共同貢獻；（3）運動的海水對水色要素反演的影響。2023/4/12第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演2.海洋水色要素的反演方法

經(jīng)驗公式法－通過測量水體表面的光譜輻射特征和水中各水色要素的濃度，建立二者之間的定量關(guān)系?；谀Ｐ偷慕馕鏊惴ǎ蒙?光學模型描述水體要素與水體光譜輻射特征之間的相關(guān)性，建立二者之間的關(guān)系。2023/4/12第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演a.代數(shù)法（基于模型的解析算法）－也稱為半分析型生物光學算法。輻射因子i為海氣透射比與海水折射率之比；總吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)：以上這些吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)對應(yīng)著各物質(zhì)的濃度。Carder，1996；固有光學量與遙感反射率的關(guān)系2023/4/12第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演a.代數(shù)法（基于模型的解析算法）

浮游植物色素濃度C的反演：利用吸收系數(shù)：利用衰減系數(shù)：Lee等進行了改進：2023/4/12第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演b.經(jīng)驗算法（★）

對于I類水體：常用的經(jīng)驗關(guān)系：藍綠比值經(jīng)驗算法

利用水體隨著葉綠素濃度的增大，離水輻射度光譜峰從藍波段向綠波段偏移的機理而提出藍綠比值經(jīng)驗算法。2023/4/12第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演b.經(jīng)驗算法（★）-最早針對CZCS設(shè)計的

Gordon雙通道算法Clack三通道算法C>1.5mg/m3：其它情況：※.NASA的另一種方法：或2023/4/12第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演b.經(jīng)驗算法（★）

基于藍綠比值的MODIS算法（Esaias，1998）反演模型：2023/4/12第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演c.經(jīng)驗算法（Tassan模型）

預先定義：針對HY-1COCTS和SeaWiFS：反演公式：

其中λi,λj分別為接近葉綠素吸收最大值和最小值的波段；λm,λn分別位于葉綠素吸收峰的兩邊，是次級波段。2023/4/12第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（1）葉綠素濃度反演c.經(jīng)驗算法（NSOAS模型）

預先定義：反演公式：

該模型與Tassan模型類似，但采用的波段510nm和后者的490nm略有差異。2023/4/12第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（2）懸浮泥沙濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究

采用水槽光譜實驗研究方法，確定不同濃度泥沙含量水體的反射率與水體含沙量之間的相關(guān)關(guān)系。

包括槽體、循環(huán)系統(tǒng)和測量平臺。試驗中測試水體的固有光學量和表觀光學量（歸一化）、水體成分。2023/4/12第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（2）懸浮泥沙濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究

2023/4/12第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演I.懸浮泥沙定量遙感的試驗研究

450～900nm波段反射率與懸浮泥沙含量存在固定的關(guān)系；隨著泥沙含量的增加，光譜反射率增大，但其增幅隨著含沙量的增加而減小，峰值向紅光波段移動，即“紅移現(xiàn)象”；當含沙量較大時，光譜反射率隨含沙量增加趨于某一常數(shù)；含沙海水的反射率光譜存在兩個峰值（黃光波段和近紅外波段），含沙量較低時，第一個峰值大于第二個峰值，隨著含沙量的增加，第二個峰值逐漸升高。試驗結(jié)果分析：2023/4/12第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演Ⅱ.懸浮泥沙遙感的定量模式

有關(guān)懸浮泥沙定量遙感反演的模式很多，但尚無統(tǒng)一的定量模式或可靠的模型參數(shù)。主要原因在于:缺乏足夠、可靠的同步實測定標資料；利用某個時相遙感資料得到的定量模式，其參數(shù)很難具有普遍適用性；2023/4/12第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演Ⅱ.懸浮泥沙遙感的定量模式－經(jīng)驗模式

線性關(guān)系式對數(shù)關(guān)系式適于低含沙量的水域2023/4/12第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演Ⅱ.懸浮泥沙遙感的定量模式－經(jīng)驗模式

利用地面同步或準同步的測量數(shù)據(jù)建立關(guān)系，求解模型系數(shù)。3-490nm,5-550nm,6-670nm泥沙遙感參數(shù)實驗結(jié)果R2>0.90Tassan模型NSOAS線性模型2023/4/12第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演Ⅱ.懸浮泥沙遙感的定量模式－理論模式

Gordon公式

以大氣物理和海洋光學的基本特性為依據(jù)，從理論上導出反射率隨懸浮泥沙含量變化的基本關(guān)系。負指數(shù)關(guān)系公式該式不如對數(shù)公式的精度高。2023/4/12第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演Ⅱ.懸浮泥沙遙感的定量模式－理論模式

Gordon公式與負指數(shù)關(guān)系公式聯(lián)合A,B,C,G,D為待定系數(shù)（參數(shù)），可通過回歸計算得出。2023/4/12第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（3）黃色物質(zhì)的遙感反演目前海洋水色遙感對黃色物質(zhì)的研究主要有兩類：

水色遙感時如何消除黃色物質(zhì)的干擾

研究遙感反演黃色物質(zhì)濃度的方法2023/4/12第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（3）黃色物質(zhì)的遙感反演Tassan模式1-412nm，2-443nm，3-490nmNSOAS線性模型2023/4/12第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演a.大氣校正

在近紅外波段建立耦合的水文-大氣光學模式，根據(jù)水體后向散射在近紅外波段之間的關(guān)系，迭代計算近紅外波段的氣溶膠特性。假設(shè)氣溶膠類型在小范圍內(nèi)基本不變，借用鄰近較潔凈水體的大氣條件來計算渾濁海水的氣溶膠輻射率，實現(xiàn)對Ⅱ類水體的大氣校正。2023/4/12第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演b.反演方法

經(jīng)驗公式法代數(shù)法（前面已介紹）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法非線性最優(yōu)化法主成分分析法2023/4/12第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演b.反演方法－非線性最優(yōu)化法

首先確定一個海洋水色模式，通過調(diào)整作為輸入?yún)?shù)的反演濃度（即葉綠素、懸浮無機物、黃色物質(zhì)等），重復計算與之對應(yīng)的輻亮度值，使得模式計算所得的輻亮度值與實際測得的輻亮度值之間的誤差在某個閾值內(nèi)。2023/4/12第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演b.反演方法－非線性最優(yōu)化法（應(yīng)用時注意）

設(shè)置預測模型的參數(shù)時要保證將要反演的未知參量之間的相關(guān)性盡可能小。盡量為每一個需要反演的未知量設(shè)定限值，從而保證得到唯一確定的誤差最小值，而且還可提高運算速度。2023/4/12第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演b.反演方法－非線性最優(yōu)化法（應(yīng)用時注意）

內(nèi)陸水體實測結(jié)果用于說明水色要素之間的相關(guān)性2023/4/12第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.4海洋水色要素濃度反演（4）Ⅱ類水體的水色反演b.反演方法－主成分分析法

對光譜數(shù)據(jù)的主成分分析可以決定所需光譜通道數(shù)及每一個光譜通道在反演水體組分濃度時所占的權(quán)重。

相對于使用所有波段而言，主成分分析法增強了各波段之間的差別，提高了反演水體組分的準確性。算法簡單、穩(wěn)定、運算快捷，大氣影響自動體現(xiàn)在加權(quán)因子中，不必進行大氣校正。2023/4/12第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演（1）赤潮水體的光譜特性

赤潮水體具有兩個反射峰，而正常海水則表現(xiàn)為單峰，同時，赤潮水體的反射率都在2%以下，而正常海水的反射率最高達6.40%。690-710nm的反射峰是赤潮水體的特征光譜。2023/4/12第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日不同濃度的藍綠藻的影響不同濃度的綠藻的影響

不同優(yōu)勢種類、不同濃度藻類引起的赤潮水體光譜曲線，反射峰位置都有所差別。5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演（1）赤潮水體的光譜特性2023/4/12第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演（2）赤潮水體的遙感監(jiān)測

赤潮水體與正常水體所表現(xiàn)出的不同光譜特征，是赤潮水體遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)。隨赤潮生物密度的加大，海水后向散射藍光和綠光波段的輻射量明顯減小，而紅光波段的輻射量則相應(yīng)增大。這也是赤潮水體呈現(xiàn)紅色的主要原因。a.原理基礎(chǔ)

2023/4/12第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測與反演（2）赤潮水體的遙感監(jiān)測

能夠最有效地將赤潮與懸浮泥沙和葉綠素等區(qū)分開的光譜波段是最佳波段。赤潮水體光譜的吸收谷和反射峰（尤其是690-710nm波段范圍）可視為赤潮遙感探測的最佳波段。b.遙感探測的最佳波段

但目前，海洋水色