海洋光谱测量与数据分析处理方法

海洋水色遥感的基础之一是海洋光谱特性的精确测量与分析。海洋光谱分析对改进反演算法、最佳波段选择、辅助大气修正、系统定标与校验等方面有很大作用,因此这方面的研究越来越受到重视。本文在海洋光谱机理的基础上,就光谱现场测量方法和分析处理方法进行了探讨,并给出了一个典型海域的光谱数据分析处理结果。由于我国尚缺乏满足水色应用要求的水下光学测量仪器,因此提出了一种利用瞬态光谱仪在水面以上进行离水辐射率测量与分析的方法。

石油类污染水体后向散射特性分析——以辽宁省盘锦市双台子河和绕阳河为例

水体悬浮物对溶解在水中的油及乳化油有吸附作用,这种作用会叠加在颗粒物上,对水体的后向散射系数产生影响,而水体后向散射系数是水色遥感的重要参数之一,对建立遥感反演石油类污染浓度半分析模型起着关键性的作用。根据2008年5月在辽宁省盘锦市辽河油田境内双台子河和绕阳河现场测定的水样,对水体组分进行浓度分析,并分别利用分光光度计及后向散射系数测量仪测定水色三要素的吸收系数和水体后向散射系数。根据获取的数据,对石油类污染水体后向散射特性进行分析,分别建立了(1)石油类污染水体后向散射系数光谱模型;(2)石油类污染水体和非石油类污染水体后向散射系数与无机悬浮物浓度的关系模型。研究结果表明:(1)在建立的后向散射系数光谱模型中,幂函数指数平均值为0.87;(2)从相关系数分析来看,对后向散射系数起主要作用的是无机悬浮物浓度,其次是石油类物质浓度,而有机悬浮物浓度几乎没有影响;(3)对于无石油类污染水体,后向散射系数与无机悬浮物浓度为对数关系模型,而与有石油类污染水体更接近线性关系模型。

浮游植物的吸收和散射特性:理论模型

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的浮游植物吸收和散射特性进行了模拟计算。在550nm波长处,直径<10μm的颗粒对总的散射系数贡献最大,单位体积浓度的散射系数随着折射率实部n的增大呈有规律的地增加。对给定的n值来说,随着微分粒径分布参数j值的增大而增加,折射率实部n对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很小,对bp*(λ)影响相对较大。折射率虚部n′对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很大,对bp*(λ)的影响相对较小。微分粒径分布参数j对ap*(λ)和bp*(λ)的影响都很大,ap*(λ)随j值的减小而减小的主要原因是因为大颗粒“打包效应”引起的吸收减弱,而bp*(λ)随j值的增大而增大的主要原因是因为小粒径颗粒对散射的贡献。

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ:实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征,分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献,能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOSⅡ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100xB粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先,根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOSⅡ18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo;最后,利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ),分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。

黄海、东海海区水体散射特性研究

半分析模型是水色遥感反演算法的研究热点,而水体后向散射系数对建立半分析水色反演模型是非常重要的参数.通过对黄海、东海海区的水体固有光学量测量数据进行分析,得到水体总后向散射系数与水体总散射系数的关系为乘幂关系,颗粒物后向散射系数随光谱变化的指数在高低浑浊度水体有很大差异,并初步得到黄海、东海海区水体的后向散射系数与总悬浮物浓度的关系,从而为水色半分析模型建立和水光学辐射计算提供一组散射特性模型.

基于GF-4遥感数据的叶绿素浓度反演算法研究

高分四号(GF-4)遥感卫星数据于2016年6月被正式公布并投入使用,它是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星。其空间、时间上的高分辨率特点使得该卫星在海洋灾害监测方面具有较大的发展潜力。文章基于2009年10月22日的珠江口赤潮水体,建立了一个适应于GF-4波段设置的叶绿素浓度反演算法(决定系数r2=0.90;均方根误差RMSE=0.1)。通过辐射传递方程的数值计算软件Hydrolight模拟数据进行比对,发现该算法具有较好的适用性(r2=0.92;RMSE=0.23)。进一步应用该算法和GF-4卫星遥感数据分析了2016年5月发生在广西的赤潮事件,反演结果与现场调查结果吻合较好。这是国内第一次在广西临近海域使用GF-4遥感数据反演包含赤潮水体的叶绿素浓度分布数据产品,可为海洋文明建设和海洋灾害调查等提供有效的技术支持。

辽东湾海冰光衰减特性

根据渤海海冰多年的调查资料以及现场测量数据，建立辽东湾海冰的辐射传输模式，进而研究辽东湾沿岸海冰的光衰减特性及其主要影响因素，并对可能的影响因素进行了讨论。结果表明，海冰中卤水泡的吸收（主要是短波400～600nm）、纯冰的吸收（主要是长波700～900nm）以及卤水泡和气泡的散射对海冰的光衰减系数有很大的影响。辐射传输模式的估算结果与实测数据的估算结果基本一致，这表明该模式适用于辽东湾海冰的光学特性研究。

水下辐照度分布的三参数模型——异常尖峰的理论解释

本文根据海水光学参数的关系及水下总辐射的指数衰减方程,导出了下行和上行辐照度垂直分布三参数模型,分析并讨论了异常尖峰的产生机制.该模型包括三个光学参数:吸收系数a（z）、后向散射系数bb（z）、平均余弦的初始边界值μ（0）.在此基础上对几种典型水体的辐照度分布进行模拟,模拟结果表明,在光学参数存在极大值分布的水层,水下辐照度可能产生异常尖峰分布.模拟结果与海上实测结果很一致.

激光雷达测量海水光学水质参数

对于垂直均匀分布海水，提出了利用机载海洋激光雷达数据估计系统的有效衰减系数、海水的体积吸收系数、体积衰减系数和体积散射系数的方法．并根据海上机载试验获得的数据对上述方法进行了验证；对垂直非均匀分布海水条件下海水参数的估计问题进行了初步探讨．

6通道后向散射仪

6通道后向散射仪是用于海洋光学调查的仪器,可用于测量海水的后向散射系数。本文详细介绍了该仪器的配置、技术参数和使用方法。初步分析了利用该仪器于2005-06在渤海海域进行调查获得的数据,结果显示该仪器可适用于我国近海二类水体的测量。这对于我国近岸水体的光学调查及研究具有极其重要的意义。

用自然光辐射场解算海水固有光学参数的方法

根据海水光学传递函数ＯＴＦ与海水固有光学参数的关系，用自然光辐射场求得ＯＴＦ，并对海水固有光学参数进行了解算．对解算结果与实测值进行了比较，证明了该方法的正确性．

太平洋海面粗糙度的计算及在ENSO期间的变化

利用TOPEX高度计风速资料，实现了对太平洋海面粗糙度（Zo）的计算。1997～1999年正是厄尔尼诺与拉尼娜事件发生时期，作者研究了1997～1999年Zo在ENSO期间的变化后发现：（1）EINion发生期间赤道附近翱最大值在A，C，B3个站点上移动；最小值在B，A2个站点上移动。（2）LiNina发生期间赤道附近2。最小值在A站点，最大值主要在B站点上。LiNina发生期间，1999年15个站点翱均大于正常年份和EINion发生期间的15个站点2。。（3）ENSO期间，四季Zo与正常年份相比都有显著改变。

海岸浅层海水水光学特性及其对水下目标激光成像影响的初步研究

本文对我国某些沿岸浅海水水光学特性及其对激光成像的影响进行了初步研究,在室内对一些海水、河水和自来水样品进行了蓝绿激光的光学、物理特性测试,对其影响的诸多因素进行了分析;在室外进行了水下目标光成像试验.研究表明,影响光衰减的主要因素是悬浮颗粒.在悬浮颗粒基本可沉淀并过滤的条件下,用波长为514.5nm的绿光测定的海水衰减系数为0.75m^-1.这时用AL值为6的实验系统在水中能观察到目标像的最大推算距离为8m.

用于水色卫星性能跟踪的西北太平洋自然目标优选研究

利用空间分布均匀、海洋与大气光学特性年际稳定性高的海洋区域作为自然基准场,是开展水色卫星遥感器定标检验和长期辐射性能跟踪最为经济便捷的方式。本文以西北太平洋海域为例,利用2008—2018年共计11年的MODIS L3级月平均数据,从空间均匀度、季节变化性、年际稳定性上进行了场区更优化筛选,优选区域更加均匀,呈微弱的季节性变化和非常一致的年际变化,适合全年开展定标检验和遥感器辐射性能跟踪工作。

渤海和北黄海水色光谱的特征分析

我国的主要海域包括渤海、黄海、东海的大部分和南海的近岸部分都属于二类水体,这些海域的光学特征极为复杂.针对不同海域的海洋光学特征进行研究,对于反演二类水体叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质的浓度具有非常重要的意义.本文利用渤海和北黄海海域2002年11月至2003年8月的水色调查数据,对调查海区的水色光谱的特征进行了研究和分析.结果显示调查海区的水色光谱类型主要分为4个类型:类型1的主要特点是光谱峰值位于570 nm,谱峰比较窄,随波长远离谱峰波段,遥感反射率迅速减小,主要分布海域为渤海湾、莱州湾及辽东湾.类型2的光谱峰值位于550nm左右,谱峰比较宽,随波长增大,遥感反射率迅速减小,主要分布在渤海中部海区.类型3光谱峰值位于500～550 nm范围内,440nm存在极小值,主要分布在渤海海峡和渤海中北部的一块海域.类型4类似于大洋一类水体的水色光谱,其特点是在可见光波段内,随波长增大,遥感反射率逐渐减小,主要分布在渤海海峡以外、远离海岸的北黄海海域.

我国近岸II类海水光谱特性的测量与研究

我国近岸的广阔海域均为 II 类水体，这也是我国海洋水色遥感的重点和难点。结合多年海上现场测量数据，对我国近岸 II 类海水光谱特性进行一定的分析，并对 II 类水体的光谱测量技术中的关键问题进行了讨论。

中国近海典型海区表观光学特性分析与研究

受陆源物质的输入、海底地形、季节性海流等多因素影响,中国近海水体的光学特性复杂,且部分要素有着明显的区域性和季节性的变化特点。利用"我国近海海洋综合调查与评价专项"中的光学调查资料,给出了以表观光学特性为主的中国近海水体分类的结果,分析了中国近海典型海区表观光学特性的主要要素的季节性和区域性的变化特点及其成因。

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高,能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(Kd)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化,光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据,获得了该海域水体的表观光学特性,基于Kd(490)与遥感反射比[Rrs(λ)]的相关关系建立了Kd(490)的经验算法,并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明,该海域的Kd(λ)及Rrs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征,其中,Kd(490)的范围为0.01~4.31m-1,水体的浑浊程度变化大。Kd(490)与Rrs比值的相关性较好,据此建立了以Rrs(650)/Rrs(510)、Rrs(555)/Rrs(510)作为自变量的Kd(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的Kd(490)与实测Kd(490)相比,均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m-1、27.08%和0.77,优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的Rrs能充分反映水体信息,并适应水体组分的变化,可为东海赤潮高发区Kd(490)的反演提供较好的选择,并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。

中肋骨条藻和东海原甲藻的散射特性

浮游藻类是海水中的重要组成成分,对其固有光学特性的研究有助于深入了解水体光学的辐射传输。在过去的30年中,大量的研究都集中在藻类吸收特性上,缺少对其散射特性的认识。本文利用分光光度计设计了在实验室中测量含颗粒水体散射和后向散射特性的方法,并利用标准球形颗粒对该方法的可行性进行验证,结果表明,在400～700nm范围内,散射测量结果与理论值的一致性较好,最大误差小于3%,而后向散射测量结果在蓝紫光处的一致性较好,在近红外波段处有一定误差。运用这两种测量方法对东中国海常见的赤潮藻种中肋骨条藻Skeletonema costatum和东海原甲藻Prorocentrum donghaiense进行测量,结果显示:中肋骨条藻与东海原甲藻的散射系数幅值相近但谱形差异较大,前者随波长增加散射强度递减,后者则相反;在色素吸收较强的波段,两者散射强度均出现与其它波长位置变化趋势相反的情况,这主要是受细胞物质物理性质的影响。两者的后向散射差异较小,但可以看出其谱形受色素吸收的影响很大,在幅值上,东海原甲藻略高于中肋骨条藻,在550nm处分别为0.001 74,0.001 43m2/mg(以藻类叶绿素a浓度归一化),后向散射概率分别为1.104%和0.723%。

珠江口河网水体非光学活性水质参数高光谱反演

以粤港澳大湾区中山市及其邻近水域河网水体为试验区,同步采集现场光谱及水质数据,研究受测水体的高光谱反射率特征,并分析非光学活性参数中化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)浓度与高光谱反射率的相关性。结果显示,各河流水体光谱反射率主要受悬浮颗粒物和叶绿素a的影响;在500~680nm波段范围内,水体光谱反射率大小与CODCr、TP浓度呈负相关关系;与单波段相比,特定波段的反射率比值与CODCr、TP浓度值的相关性较高,与CODCr、TP浓度值相关性最高的反射率比值波段组合分别为R675/R794、R690/R815。选择上述波段组合建立的水质反演模型具有良好的估算精度,模型估算平均相对误差分别为27.2%、32.1%,表明高光谱技术在珠江口河网水体非光学活性参数CODCr、TP浓度反演上具有较大的应用潜景。