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NOAA NDVI研究中国东部南北样带植被春季物候变化

利用地面植被物候和1982~2003年遥感归一化植被指数(NDVI)数据,监测了中国东部南北样带植被春季物候变化情况。结果表明:(1)样带大部分地区植被春季物候期变化与年份相关性不显著;(2)春季物候期发生显著变化的地区均呈现提前趋势;(3)物候期年际波动幅度高于10 d的地区主要分布在以农业植被、常绿植被、草原植被覆盖为主的地区;(4)不同植被类型的春季物候期呈现一定时空变化规律。     

饱和激发下叶绿素荧光非线性变化及影响分析

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一,激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理,是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值（I_F/R）进行反演,即叶绿素浓度n_chl＝CI_F/R,其中C为系统常量。这是依据叶绿素荧光685 nm、水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。然而,该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。当诱导激光强度达到一定程度后,685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。另外,值得注意的是,水体Raman散射并不存在信号饱和现象。为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响,在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中,设计两种测量方案,即：不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量,和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。实验结果分为2部分进行讨论：（1）为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性,通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱,发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系,而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。而且,随叶绿素浓度的增加,685 nm荧光的非线性趋势更为明显,Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。数据分析表明,685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值,可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。（2）考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象,为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响,在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。将激发光功率调节至52.00,80.70,132.10和197.30 mW·cm-2,获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。实验表明,激发光强不变的情况下,685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值,与叶绿素浓度仍满足线性关系。但是,在较高光强激发时,饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化,导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。因此,需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正,其关系为I_F/R=n_chl/C+C_F,修正值C_F不可忽略。另外,值得一提的是,修正关系中系统常量C随激发光强增加而增大。研究表明,饱和激发造成的荧光非线性,会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响,但由于造成荧光非线性因素的复杂性,仅通过荧光数据拟合获得的多项式,无法定量说明其影响权重。然而,当激发光强不变时,可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系,从而准确反演叶绿素浓度。     

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.     

东海海水中荧光溶解有机物质的三维荧光光谱特征

2005年3～4月在东海采集了海水样品,利用三维荧光光谱(EEMs)技术测定了水体中溶解有机物质的荧光性质,通过荧光光谱图中荧光峰的位置、数量、强度的变化及荧光峰之间的相关性,初步判断了荧光物质的种类、分布和来源。东海水体中检测到七种荧光峰,分别为高、低激发波长类色氨酸和类酪氨酸荧光峰、紫外腐殖质荧光峰、可见腐殖质荧光峰和海洋腐殖质荧光峰,其中荧光峰B, S和A出现在整个调查海区中;荧光峰T和D出现在调查海域的北部;类腐殖质荧光峰M和C只出现在部分站位的水样中。荧光物质在研究海域表层的主要来源为长江输入,在中层,荧光物质是长江输入和浮游植物共同作用的结果。不同荧光峰强度之间具有较好的正相关性,表明调查海域水体中的类蛋白荧光物质和类腐殖质荧光物质有着相同的来源或在结构上具有某种联系。     

Effect of oceanic current on typhoon-wave modeling in the East China Sea

We use the WAVEWATCH-III model to quantify the effect of oceanic current on typhoon-wave modeling in the East-China-Sea(ECS).Typhoons Jelawat and Saomai in the autumn of 2000 are hindcasted.The oceanic currents in the ECS are mainly constituted of Kuroshio and typhoon-generated currents.The results show distinguishable differences in wave height and wave period under the typhoon conditions.The oceanic current causes the maximum differences,of up to a 0.5 m significant wave height and a 1 s mean wave period.Comparisons between typhoons Jelawat and Saomai show the dependence of the current effect on the typhoon characteristics.     

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...     

东海硅藻赤潮后海水溶解有机物的荧光特征

利用激发-发射矩阵光谱法(EEMs),测定了2007年4月下旬东海硅藻赤潮消亡后海水溶解有机物的三维荧光,并对荧光特征及其强度与盐度、叶绿素a和碳水化合物的关系进行了分析和讨论。结果显示东海硅藻赤潮后海水中有较强的类蛋白荧光,主要荧光峰有Ex_max/Em_max为270～280/290～315 nm(B峰)和220～230/290～305 nm(D峰)的类酪氨酸荧光峰,230～240/335～350 nm(S峰)和280/320 nm(T峰)的类色氨酸荧光峰,其中B峰强度最大,个别站点荧光强度高达3 955。赤潮消亡主要海区的FI_B/FI_S较大,表明类蛋白溶解有机物主要是由赤潮藻破碎分解产生的类酪氨酸。在255～270/435～480 nm(A峰)和330～350/420～480 nm(C峰)还观察到两种类腐殖质荧光峰,它们的强度低于类蛋白荧光。S峰、A峰和C峰三者之间互相呈较好的正相关,且三者荧光强度与盐度都有显著的线性负相关,其分布均呈现出近岸高远岸低的特点,表明江浙沿岸水的输入是其共同的重要来源。各类荧光峰的强度与叶绿素a的相关性不显著,现存的浮游植物不是赤潮消亡水体中荧光溶解有机物的主要直接来源。     

基于集合卡尔曼变换的东中国海声学 敏感区判定方法*

为改善海洋与水声环境预报质量,针对常规观测成本高、资料利用率低等问题,将适应性观测方法应用于海洋声学领域。结合海洋-声学耦合模式与集合卡尔曼转换敏感区诊断方法,以东中国海宫古海峡北部区域为验证区,计算并分析不同条件下海洋环境敏感区与声学敏感区分布,通过观测系统模拟试验验证适应性观测对验证区预报的提升效果。结果表明,两种敏感区位置随时间间隔增加均向验证区上游移动,海洋环境敏感区相比于声学敏感区分布更为集中,且平移特征更明显;对海洋环境敏感区和声学敏感区添加适应性观测均能提升海洋与水声环境的预报质量,提升效果随时间间隔增加而减小,在某种类型敏感区的适应性观测对相对应参数的预报质量提升效果优于对其他类型敏感区进行观测的效果。     

基于UNet深度学习算法的东海大型漂浮藻类遥感监测

基于语义分割神经网络UNet,利用GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)卫星传感器数据,构建出能够有效提取大型漂浮藻类的深度学习模型,实现了对大型漂浮藻类信息端到端、像素到像素的分割识别.验证结果表明:所提出的深度学习模型对验证集中大型漂浮藻类的平均识别精度达到88.54％;通过与...     

Internal wave effects on the ambient noise notch in the East China Sea: model/data comparison

The vertical directivity pattern of the ambient noise field observed in shallow water is typically anisotropic with a trough in the horizontal. This trough, often called the ambient noise notch, develops because downward refraction steepens all rays emanating from near the sea surface. Variability in the environment has the potential to redistribute the noise into shallower angles and thereby fill the notch. In the present work, a model for the width and depth of the ambient noise notch is developed. Transport theory for acoustic propagation is combined with a shallow water internal wave model to predict the average output of a beamformer. Ambient noise data from the East China Sea are analyzed in the 1-to-5-kHz band. Good agreement between the model and the data for both the width and depth of the ambient noise notch is obtained at multiple frequencies, suggesting that internal wave effects are significant.     

Remote sensing estimation of Chlorophyll a and suspended sediment concentration in turbid water based on spectral separation

Chlorophyll a and suspended sediment are important indicators of water quality, and remote sensing estimation of them is difficult due to the optical complexity of turbid water. The spectrum above water surface is influenced by phytoplankton, suspended sediment and colored dissolved organic material in water, thus spectral separation is important before estimating one specific component. Based on the field experiment of pond water and Taihu lake, China, this study calculated the Gaussian parameters of Chlorophyll a (Chla) and suspended sediment (SS) through spectral decomposition, and then these parameters were used to separate the mixed spectrum of water samples from pond water and Taihu lake. After spectral separation, the Chla estimation model based on the peak height at 650 nm has high accuracy (R² = 0.78, RMSE = 4.80 mg/m³), better than the band-ratio model; the SS estimation model based on the peak height at 811 nm (R² = 0.82, RMSE = 6.80 mg/L) performs better than the single-band model. Results in this study indicate that spectral separation based on Gaussian parameters is a good method for Chla and SS estimation in turbid lake water.     

叶绿素a分子在乙醇溶剂中的瞬态吸收研究

采用飞秒瞬态吸收方法研究叶绿素a分子在乙醇溶液的的激发态性质。观测到叶绿素a的Q带和B_y带的瞬态吸收谱。并且观测到了叶绿素a分子的两个超快动力学过程。认为一个来源于基态吸收谱的非均匀展宽,而另一个则来源于溶剂对于激发态分子结构变化的响应。同时,为了了解叶绿素a在乙醇溶剂中的各相异性,采用405nm激发叶绿素a分子得到了各相异性值为0.143,并通过模拟得到可能的θ_(da)、θ_(db)和η。