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(yè)，共60頁(yè)，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(jī)理生物-光學(xué)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(cè)與反演2023/4/12第2頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)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(yè)，共60頁(yè)，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(yè)，共60頁(yè)，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(yè)，共60頁(yè)，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(píng)價(jià)海洋初級(jí)生產(chǎn)力與海洋漁業(yè)資源的開(kāi)發(fā)、保護(hù)海洋污染環(huán)境的監(jiān)測(cè)海洋動(dòng)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(yè)，共60頁(yè)，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(yè)，共60頁(yè)，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(hào)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(xué)算法

-根據(jù)不同海水的光學(xué)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)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(xué)特性主要由浮游植物及其分解物決定；

-Ⅱ類水體：光學(xué)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(lái)影響。2023/4/12第9頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)基本概念

海水的光學(xué)特性海水的光學(xué)特性有：表觀光學(xué)量和固有光學(xué)量。

表觀光學(xué)量由光場(chǎng)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(xué)量與光場(chǎng)無(wú)關(guān)，只與水中成分分布及其光學(xué)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)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(lán)光（420-500nm）和紅光（600-700nm）波段具有兩個(gè)強(qiáng)吸收谷。熒光：浮游植物吸收的太陽(yáng)能在某波段上的輻射光，該值可作為植物健康狀況的標(biāo)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)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(jī)物DOM包括顆粒狀有機(jī)碳POC和融解的有機(jī)碳DOC。海水中的有色融解有機(jī)物（CDOM）被稱為黃色物質(zhì)。黃色物質(zhì)在藍(lán)色波段具有強(qiáng)烈的吸收。一般定義黃色物質(zhì)濃度為：2023/4/12第12頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)基本概念

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

海洋初級(jí)生產(chǎn)力初級(jí)生產(chǎn)力表示在單位海洋面積內(nèi)，浮游植物通過(guò)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(yàn)算法、解析算法。2023/4/12第14頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.1概述4.海洋水色遙感的幾個(gè)基本概念

赤潮海水中的浮游生物過(guò)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機(jī)理1.海洋水色遙感機(jī)理的簡(jiǎn)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(guò)水體反射離開(kāi)水面的輻射）所進(jìn)行的。水中各重要成分濃度變化→水體吸收和散射光學(xué)性質(zhì)變化→離水輻射度變化→傳感器接收信號(hào)發(fā)生變化。

水色遙感過(guò)程：通過(guò)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機(jī)理※.海洋水色遙感的正演與反演2023/4/12第17頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機(jī)理※.大氣校正前后的輻射度對(duì)水色要素的指示不同TOABOA2023/4/12第18頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.2海洋水色遙感機(jī)理2.具體的模型描述-水氣輻射傳輸模型a.簡(jiǎn)化模型b.a模型細(xì)化c.考慮多次散射和白浪引起的散射水中物質(zhì)太陽(yáng)傳感器海表2023/4/12第19頁(yè)，共60頁(yè)，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(guò)程（1）輻射定標(biāo)（2）大氣校正

采用近似法（如對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化）和數(shù)值法（如采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）；利用近紅外兩個(gè)波段的離水輻射度近似為0來(lái)進(jìn)行校正。2023/4/12第20頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第8波段氣溶膠散射計(jì)算n值其它波段氣溶膠散射（3）水色要素反演-(生物光學(xué)算法、經(jīng)驗(yàn)公式法）※.利用水氣輻射傳輸模型反演的主要過(guò)程以SeaWIFS（SeaStar）對(duì)一類水體探測(cè)為例，設(shè)置了大氣校正通道7（765nm）和8（865nm）。這二個(gè)波段的離水輻射度近似為0。生物-光學(xué)算法已經(jīng)擴(kuò)展到了水中其它組分及海水光學(xué)性質(zhì)的研究。2023/4/12第21頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學(xué)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學(xué)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(duì)光子散射的空間分布有關(guān)。對(duì)于光學(xué)上各向同性的介質(zhì)，Q等于π。在可見(jiàn)光和近紅外光波段，海水的Q約等于4.55；當(dāng)接近中午太陽(yáng)天頂角較小時(shí)，Q約等于5.0。2023/4/12第23頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)1.離水輻射度(4)離水輻射度Lw的計(jì)算綜合以上諸式可得：?jiǎn)挝唬篠r-1※遙感反射率：2023/4/12第24頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學(xué)算法的物理基礎(chǔ)2.歸一化離水輻射度（1）物理意義：當(dāng)太陽(yáng)位于天頂處，且消除大氣的影響時(shí)，海表離水輻射度的近似表達(dá)。（2）計(jì)算（Gordon）：2023/4/12第25頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.3生物-光學(xué)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(dá)到海面的輻照度無(wú)關(guān)，只與當(dāng)時(shí)當(dāng)?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(yè)，共60頁(yè)，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(duì)離水輻射度的共同貢獻(xiàn)；（3）運(yùn)動(dòng)的海水對(duì)水色要素反演的影響。2023/4/12第27頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)公式法－通過(guò)測(cè)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(xué)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(yè)，共60頁(yè)，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(xué)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(duì)應(yīng)著各物質(zhì)的濃度。Carder，1996；固有光學(xué)量與遙感反射率的關(guān)系2023/4/12第29頁(yè)，共60頁(yè)，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(jìn)行了改進(jìn)：2023/4/12第30頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)算法（★）

對(duì)于I類水體：常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：藍(lán)綠比值經(jīng)驗(yàn)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(lán)波段向綠波段偏移的機(jī)理而提出藍(lán)綠比值經(jīng)驗(yàn)算法。2023/4/12第31頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)算法（★）-最早針對(duì)CZCS設(shè)計(jì)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(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)算法（★）

基于藍(lán)綠比值的MODIS算法（Esaias，1998）反演模型：2023/4/12第33頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)算法（Tassan模型）

預(yù)先定義：針對(duì)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(jí)波段。2023/4/12第34頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)算法（NSOAS模型）

預(yù)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(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)研究

采用水槽光譜實(shí)驗(yàn)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(cè)量平臺(tái)。試驗(yàn)中測(cè)試水體的固有光學(xué)量和表觀光學(xué)量（歸一化）、水體成分。2023/4/12第36頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)研究

2023/4/12第37頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)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(dòng)，即“紅移現(xiàn)象”；當(dāng)含沙量較大時(shí)，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(gè)峰值（黃光波段和近紅外波段），含沙量較低時(shí)，第一個(gè)峰值大于第二個(gè)峰值，隨著含沙量的增加，第二個(gè)峰值逐漸升高。試驗(yàn)結(jié)果分析：2023/4/12第38頁(yè)，共60頁(yè)，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(wú)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(shí)測(cè)定標(biāo)資料；利用某個(gè)時(shí)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(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

線性關(guān)系式對(duì)數(shù)關(guān)系式適于低含沙量的水域2023/4/12第40頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

利用地面同步或準(zhǔn)同步的測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果R2>0.90Tassan模型NSOAS線性模型2023/4/12第41頁(yè)，共60頁(yè)，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(xué)的基本特性為依據(jù)，從理論上導(dǎo)出反射率隨懸浮泥沙含量變化的基本關(guān)系。負(fù)指數(shù)關(guān)系公式該式不如對(duì)數(shù)公式的精度高。2023/4/12第42頁(yè)，共60頁(yè)，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(fù)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(guò)回歸計(jì)算得出。2023/4/12第43頁(yè)，共60頁(yè)，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(duì)黃色物質(zhì)的研究主要有兩類：

水色遙感時(shí)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(yè)，共60頁(yè)，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(yè)，共60頁(yè)，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(xué)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(jì)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(lái)計(jì)算渾濁海水的氣溶膠輻射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)Ⅱ類水體的大氣校正。2023/4/12第46頁(yè)，共60頁(yè)，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(yàn)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(yè)，共60頁(yè)，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(gè)海洋水色模式，通過(guò)調(diào)整作為輸入?yún)?shù)的反演濃度（即葉綠素、懸浮無(wú)機(jī)物、黃色物質(zhì)等），重復(fù)計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的輻亮度值，使得模式計(jì)算所得的輻亮度值與實(shí)際測(cè)得的輻亮度值之間的誤差在某個(gè)閾值內(nèi)。2023/4/12第48頁(yè)，共60頁(yè)，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(shí)注意）

設(shè)置預(yù)測(cè)模型的參數(shù)時(shí)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(gè)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(yùn)算速度。2023/4/12第49頁(yè)，共60頁(yè)，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(shí)注意）

內(nèi)陸水體實(shí)測(cè)結(jié)果用于說(shuō)明水色要素之間的相關(guān)性2023/4/12第50頁(yè)，共60頁(yè)，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(duì)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(gè)光譜通道在反演水體組分濃度時(shí)所占的權(quán)重。

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

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

不同優(yōu)勢(shì)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(cè)與反演（1）赤潮水體的光譜特性2023/4/12第53頁(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測(cè)與反演（2）赤潮水體的遙感監(jiān)測(cè)

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(cè)的基礎(chǔ)。隨赤潮生物密度的加大，海水后向散射藍(lán)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(yè)，共60頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.5赤潮現(xiàn)象的遙感監(jiān)測(cè)與反演（2）赤潮水體的遙感監(jiān)測(cè)

能夠最有效地將赤潮與懸浮泥沙和葉綠素等區(qū)分開(kāi)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(cè)的最佳波段。b.遙感探測(cè)的最佳波段

但目前，海洋水色