基于卷积神经网络的全球海洋叶绿素a浓度反演方法

作为浮游植物体内主要色素的叶绿素a能够指示水体富营养化的程度,因此准确地获取与预测叶绿素a浓度可为保护海洋环境提供依据。以中分辨率成像光谱仪获取的遥感影像作为数据源,将同一水域的叶绿素a浓度图像作为相对真值,采用卷积神经网络建立遥感反射率与叶绿素a浓度之间的关系模型,进而实现对海洋叶绿素a浓度的反演。首先,对2020年全球海洋反射率数据(波段组合为412, 469, 488, 547和667 nm)和叶绿素a浓度数据进行倍数放大、对数变换等预处理。其次,从中截取2020年1月太平洋与印度洋交界处的水域影像作为数据集,并将其划分为训练集和验证集,构建与训练海洋叶绿素a浓度的卷积神经网络反演模型,以决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)作为评价指标,优化反演模型。最后,使用2020年1月—12月的叶绿素a浓度数据作为测试集,验证模型的反演精度。结果表明,构建的反演模型R²=0.930, RMSE=0.132, MAE=0.103,证明模型给出的叶绿素a浓度的反演结果与真值具有较高的一致性,能够应用于基于遥感影像进行全球海...     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

基于表观光谱反演黄东海水体固有光学量研究

水色遥感反演算法中半分析模型的建立需要已知水体同有光学量,文章基于现场实测数据建立了由遥感反射率反演同有光学量模型.对2003年春季黄东海航次所测数据进行了介绍,详细阐述了遥感反射率、颗粒物后向散射和吸收系数的测量方法.基于生物光学模型,利用单纯形优化算法由遥感反射率来反演水体同有光学量,并将反演结果与实测数据进行了比...     

渤海近岸水体后向散射系数反演模型

水体后向散射系数bb是重要的海洋光学参数,在以悬浮物为主要组分的浑浊二类水体中,其对于水体光学性质起着决定性的作用,该参数的遥感反演对于海洋光学与水色遥感研究具有重要意义.利用2005年渤海近岸水体实测数据集,建立了基于水体遥感反射率光谱数据的后向散射系数bb(λ)经验反演模型(λ=442 nm,488 nm,532 nm,589 nm,676 nm),经实测数据检验,bb(442)和bb(589)反演平均相对误差约为30%;bb(488)和bb(676)反演半均相对误差优于40%;bb(532)反演半均相埘误差约为57%.通过分析模型对于输入误差的敏感性发现,当输入端引入±5%的误差时,模型反演值的误差波动在绝大多数情形下可控制在±10%以内,模型足稳定可靠的.模型适用于渤海近岸浑浊水体,可用丁水体光学参数的时空分布特征分析以及基丁固有光学参数的水色组分遥感反演.     

基于珠海一号高光谱卫星的巢湖叶绿素a浓度反演

叶绿素a是重要的水质参数,可以衡量水体的富营养化程度。遥感技术可以实时、快速、大范围地获取水体中叶绿素a的浓度与分布,对于水生态环境的评价及治理具有重要意义。内陆水体的光谱特征复杂,宽波段的多光谱遥感难以精确获取水体的光谱信息。国产珠海一号高光谱卫星因其光谱分辨率高,波段多等优势在内陆湖泊的遥感监测中具有广阔的应用前景。基于珠海一号高光谱数据,充分发挥其高光谱分辨率的优势,对巢湖的叶绿素a浓度进行反演,从影像中提取实测点处的遥感反射率曲线,筛选具有显著光谱特征的波段,并以OIF指数衡量不同波段组合获取水体组分信息的能力,以此构建与实测叶绿素a浓度相关性较高的波段组合。结果表明珠海一号OHS-2A星影像的14,16和19波段所构建的三波段模型[R_rs(700 nm)-1-R_rs(670 nm)-1]×R_rs(746 nm)在巢湖的叶绿素a浓度反演中取得了较高的精度,相对误差和均方根误差分别为19.97%和10.85 mg·m-3。由模型反演巢湖2019年5月10日的叶绿素a浓度空间分布图可知,叶绿素a浓度自东向西呈上升趋势,全湖南部和东北部的叶绿素a浓度较低,西巢湖的北部叶绿素a浓度最高。西巢湖的整体叶绿素a浓度是全湖最高的,尤其是其北部水域,水质情况较差,已经出现了一定面积的水华,其主要原因在于该地区紧邻合肥市,人类活动强烈,污水废水排放量大。珠海一号高光谱卫星对于内陆湖泊的水质反演具有一定的优势,但也存在着数据处理困难,波段利用率低,反演模型普适性差等局限,今后仍需借助珠海一号高光谱数据开展更多的湖泊遥感研究,不断提出高光谱遥感影像处理的新方法,提高反演模型的精度与普适性,充分挖掘数据源的潜力,使其更好地服务于水质的遥感监测工作。     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

基于GOCI影像分类的太湖水体叶绿素a浓度日变化分析

叶绿素a浓度(Chlorophyll-a: Chl-a)是内陆水体重要的水质参数之一,遥感数据为其提供了大范围、多时相的监测信息,然而由于内陆湖泊水色要素复杂的光学性质及较大的时空差异,传统的遥感影像及单一的Chl-a反演模型在应用中存在着局限性。因此本研究以太湖为研究区,时间分辨率1小时的静止海洋水色卫星Geostationary Ocean Color Imager(GOCI)为数据源,在基于层次聚类法实现归一化实测光谱反射率分类的基础上,利用光谱角测距匹配实现2012年5月6日(08:16—15:16) 8景GOCI太湖影像的水体分类;并针对不同水体类型分别建立基于GOCI影像的Chl-a反演模型,实现不同类型水体的Chl-a浓度反演。结果表明,太湖水体光谱可分为四类,类型1光谱体现出漂浮藻类的特征,可将其作为蓝藻水华的判定依据;类型2—4体现的特征分别为水体含有较高Chl-a浓度、较高悬浮物浓度及相对较低Chl-a较低悬浮物浓度;并且类型2—4与分类前相比,其分类模型估算的Chl-a浓度误差均得到了不同程度的提高,平均相对误差分别降低了7%,12.3%和15.9%;此外,GOCI影像反演结果不仅可以很好地反映Chl-a浓度的空间分布状况,也能反映出太湖Chl-a浓度的日变化差异及规律,表现出了其在富营养化污染动态监测及预警中的应用潜力。该方法在GOCI影像中的应用,在提高Chl-a浓度反演精度的同时也提高了模型在实际应用中的适用性,为日后太湖水体不同时刻Chl-a浓度的精确估算提供了基础。     

基于静止轨道水色卫星数据的渤海总吸收系数遥感反演和逐时变化研究

渤海是我国的半封闭内海,受陆源影响显著,水体光学性质复杂多变,静止轨道水色卫星(GOCI)的高时间分辨率数据为研究渤海水体总吸收系数的时空变化特征,特别是逐时变化提供了可能。针对GOCI波段设置,利用实测数据建立了基于遥感反射率波段比值的412、443、555 nm波段渤海总吸收系数遥感反演模型,经独立实测数据检验,模型反演值与实测值的相关系数大于0.8,平均相对误差(APD)小于13%,中值相对误差小于9%,优于已有典型算法(精度提高约10%);经独立现场-卫星时空匹配数据检验,基于该模型和GOCI卫星数据的总吸收系数遥感反演平均相对误差在35%以内。基于2015年5月4日1天8景的GOCI影像和所建立的模型,研究了渤海总吸收系数的逐时变化特征。结果表明,8:30—15:30期间总吸收系数变幅主要分布范围是0.2~0.3 m~(-1),最大变幅可达到0.8 m~(-1),变幅极大值主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域。结合潮汐数据的分析发现,辽东湾、渤海湾北部总吸收系数与潮高的逐时变化具有较好的一致性,总吸收系数极小值出现时刻滞后于低潮时刻0~1.5 h;莱州湾西部总吸收系数与潮高逐时变化呈明显负相关性;渤海湾南部、莱州湾东部总吸收系数与潮高变化未见显著相关性。     

基于光学浮标的赤潮生消过程半分析监测方法

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高,引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质(IOP)的变化,并导致水体表观光学性质(AOP)的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测,基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据,发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ),结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算,然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验,该方法估算a(675),aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%,34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析,本方法的优势在于反演精度较高,所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。     

基于偏振技术的藻类水体散射光中叶绿素荧光分离方法研究

浮游藻类细胞内的叶绿素分子吸收光能后,会以释放能量的形式发射叶绿素荧光。水中颗粒物的弹性散射光是部分偏振光,而叶绿素荧光则是非偏振光,因此利用这一特性可以从总散射光谱中分离出荧光,从而达到反演叶绿素浓度的目的。但对于近岸等复杂水体,该方法能否适用并不清楚,基于此,实验通过测量分别分析了不同无机颗粒物浓度和叶绿素浓度对偏振分离方法的影响。结果表明,对含不同浓度无机颗粒物的藻类水体,分离出的荧光峰会随浓度增加有降低趋势,但是当颗粒物浓度达到300 mg·L-1时,反演结果仍然可靠。对含不同浓度叶绿素的藻类水体,叶绿素浓度越高,偏振方法分离荧光的效果越好,对低浓度正常水体,仍能识别。实验证明了利用偏振方法分离叶绿素荧光对复杂水体仍然有效,对进一步遥感探测近岸水体的叶绿素浓度具有重要意义。     

基于Sentinel-3 OLCI影像的渤海透明度遥感反演研究

透明度是海洋生态环境监测的关键指标,在军事、航海、渔业等领域均发挥着重要作用。与传统的海洋监测技术相比,遥感技术具有长时序、大范围、近实时获取海洋信息的优势,利用水色卫星观测我国海域透明度的变化,对合理开发和利用我国海洋资源有着重要的意义。利用实测透明度数据与Sentinel-3 OLCI传感器中心波段的等效遥感反射率数据构建了渤海透明度反演模型,主要包括单波段法、波段比值法和混合波段法。利用与卫星时空同步的现场透明度数据进行了模型精度验证,最终确定以B6(560 nm)与B7(620 nm)为敏感因子的混合波段模型透明度反演效果最佳,该模型透明度的反演值与实测值间决定系数(R2)为0.68,平均相对误差(MRE)为15.93%,均方根误差(RMSE)为0.48 m。在此基础上结合Sentinel-3 OLCI时间序列影像,得到2020年渤海透明度月均遥感产品,发现渤海透明度分布状况有明显的区域性与季节性特征。透明度的整体变化区间为0~10 m,其中夏季7月和8月份透明度较高,局部海域透明度可高于9 m,而冬季相对较低1月和2月份全海域不足2 m;透明度整体呈现近岸海域低、离岸海域高的空间分布特征,渤海中部、秦皇岛近岸海域透明度相对较高,渤海湾、辽东湾、莱州湾透明度常年较低。渤海透明度的分布趋势与渤海沿岸地质属性、周边河流分布情况以及沿岸城市群与工业港口的发展情况密不可分。该研究为渤海透明度遥感估算提供了可靠的理论基础,对监测渤海海洋环境具有重要的意义。     

基于多源、多时相遥感影像的黄、东海绿潮影响区检测

利用不同空间分辨率、多时相卫星遥感数据,对2007-2010年间黄海、东海发生的绿潮(大型绿藻——浒苔)进行了监测与评估.江苏北部浅滩沿岸水体浑浊,浒苔在该海域中光谱混合现象严重,高空间分辨率的遥感影像有利于其检测;在水体极浑浊的射阳河口检测到的浒苔离岸最近距离为1 km左右.反演结果表明,浒苔在5月初会沿苏北沿岸流向...     

Satellite retrieval of inherent optical properties in the turbid waters of the Yellow Sea and the East China Sea

<正>In situ-satellite match-ups of radiometric data are established in the turbid waters of the Yellow Sea and the East China Sea.Inherent optical properties(IOPs) are retrieved by match-up radiometric data and multi-band quasi-analytical algorithm(QAA).By comparing in situ spectra-retrieved IOPs with the satellite ones of moderate resolution imaging spectroradiometer(MODIS) and medium resolution imaging spectrometer(MERIS),the accuracy of satellite-derived IOPs is quantified.The median of the absolute percentage difference is found to be approximately 20%for the total absorption coefficient a_t(λ) at green and blue-green bands,and 30%for particulate material backscattering coefficient b_(bp)(λ) throughout the visible bands.The spatial pattern and temporal variability of IOPs along the eastern coast of China are clarified based on satellite images and the QAA model.     

相对反射深度的秦皇岛海域叶绿素浓度反演

海水中的叶绿素浓度是描述海洋初级生产力、获知浮游植物丰度及变化规律、评估环境质量、预报生态灾害的主要参数.国内外卫星遥感叶绿素产品的通用反演模型是利用不同波段上遥感反射光谱的强度比值来构建的OC x(x=2～6)算法,应用在一类水体中,全球尺度上的平均相对误差在35％ 左右.但对于固有光学特性复杂且具有较大区域差异性的...     

基于荧光动力学技术的黄渤海初级生产力快速测量

浮游植物初级生产作为海洋生态系统的重要起点,是海洋食物网的基础,是衡量海水质量的重要指标.为了准确测量、监测和预测浮游植物初级生产力的时空变化及其对外部环境条件的动力学响应,研究了一种基于叶绿素荧光动力学的测量技术,研制出响应时间为1.6 min、精度为4.86％ 的快速测量仪器.仪器测得的浮游植物初级生产力与液相氧电...     

基于水动力学的水体组分垂直结构对遥感信号的影响

基于水动力模型和辐射传输模型,模拟不同风速条件下水体组分(浮游植物和悬浮颗粒物)垂直分布对遥感反射率的影响,对比分析现有的两种水体光学均一函数(Zaneveld权重函数和Gordon权重函数)在不同层化程度水体中的应用。结果表明,悬浮颗粒物垂直分布对500～650nm范围内的遥感反射率(Rrs)影响较大,随着参考深度悬浮颗粒物质量浓度增加(由5～70mg/L),悬浮颗粒物垂直分布对Rrs的影响不断减小(变异系数由27.46%减小到3.38%),同时Rrs受到悬浮颗粒物影响的最大波长位置向长波方向移动(由585nm逐渐移动到685nm);在浮游植物垂直分布影响下,400～725nm范围内的Rrs值随着风速的增加呈现先增加再逐渐减小趋势,400～450nm范围内的Rrs受浮游植物垂直分布影响较小,变异系数仅为1%;500～600nm范围内的Rrs受浮游植物垂直分布影响较大,最大变异系数可达27.18%。在水体组分层化较弱水体中,Zaneveld与Gordon权重函数对水体光学均一处理效果较为相似;但在水体组分层化较为严重的水体中,Zaneveld权重函数光学均一处理效果要好于Gordon权重函数。     

单波束测深仪沉积层地声反演底质分类

应用一种时域高频后向散射模型,对黄渤海41个站位的20 kHz单波束测深仪回波数据进行了沉积层地声参数反演底质分类研究。采用下山单行模拟退火算法(SIMPSA)对模型输出和接收回波的平均包络曲线进行最大似然匹配,估计海底沉积层的平均颗粒度。实验数据处理表明:对接收回波包络进行能量归一化处理有效地减小了由实验不确定性所导致的回波幅度异常起伏,将反演参数的方差降低至未加处理的50%;平均颗粒度的反演最优值与沉积层样本实验室测量值的一致性更高;将反演结果用于底质分类,正确识别率达到75.6%。      

Experiments of ocean surface waves and underwater target detection imaging using a slit Streak Tube Imaging Lidar

This letter describes a flash Lidar imaging technique that uses a streak tube camera as a receiver to detect short scale surface wave fields for oceanographic, underwater target and coastal measurements. The range and intensity imaging of short scale sea-waves and underwater targets can be supplied by this system through light reflected from the surface of the sea and targets. Through a surface scattering model, more accurate range and intensity information can be extracted. The technique can be applied to surface wave measurements and underwater target detection with high resolution. The feasibility of this technique is demonstrated by applying the technique to data acquired by shipborne Streak Tube Imaging Lidar (STIL) in the Yellow Sea and also the East and South China Seas.     

黄河口海域悬浮物浓度Landsat8 OLI分段线性反演

黄河每年输送大量泥沙进入渤海。研究黄河口海域悬浮物浓度，对于黄河输沙以及周边海域的环境监测具有重要意义。利用2011年夏、冬两季实测遥感反射率以及同步测量悬浮物浓度数据，开展了黄河口海域悬浮物浓度分段线性反演研究。结果表明，不同浓度范围下，悬浮物浓度反演的敏感波段不同；浓度小于等于50 mg·L-1(≤50 mg·L-1)，敏感比值波段为(600~700 nm)/(400~600 nm)，浓度高于50 mg·L-1(＞50 mg·L-1)，敏感比值波段为(750~900 nm)/(420~720 nm)，Landsat8 OLI的对应组合方式分别为B4/B2和B5/B3；根据上述浓度分段范围分别建立线性模型，其精度R2，RMSE和APD分别为0.873 5，4.08 mg·L-1和22.81%(≤50 mg·L-1)，以及0.969 3，102.96 mg·L-1和17.51%(＞50 mg·L-1)，整个浓度下三个精度参数分别为0.975 3，67.03 mg·L-1和20.45%，均优于常用单一模型在分段和整体浓度下的相应参数，且具有良好的稳定性。分段线性模型，更适合浓度变化大的黄河口海域悬浮物浓度反演。     

基于冠层尺度的枣树色素含量的高光谱估算模型

植物冠层色素含量与氮素含量具有高度的相关性,是农业遥感中的关键研究因素。本研究的主要目的是：(1)对比偏最小二乘回归和支持向量机两种建模方法对枣树冠层色素的预测精度;(2)构建基于高光谱数据的枣树冠层色素含量定量反演模型,为枣树冠层色素含量的快速、无损、廉价、环保的测定提供一定的理论依据和技术支持。相关性分析结果表明,枣树冠层色素与高光谱数据之间具有较好的相关性,但叶绿素、叶绿素a要优于叶绿素b和类胡萝卜素。独立样本对模型的预测性能检验结果表明,偏最小二乘回归和支持向量机均能有效的估算枣树色素含量,但不同色素的偏最小二乘回归模型和支持向量机模型的预测精度存在一定的差异,叶绿素和类胡萝卜素的支持向量机模型的预测精度要高于偏最小二乘回归模型,而叶绿素a和叶绿素b则相反。比较不同色素的最佳反演模型的预测精度表明,叶绿素、叶绿素a和类胡萝卜素的预测精度要优于叶绿素b,前三者的决定系数大于0.8,残余预测误差高于2.0,平均相对误差低于13%,而叶绿素b的对应值分别为0.60%,20.79%和1.79%。