基于Sentinel-3 OLCI数据的渤海水色状况时空变化特征

采用福莱尔水色计可将自然水体颜色从深蓝到红棕分为21个级别,用来记录全球海洋和内陆水体的颜色.目前,与福莱尔水色计21个级别颜色相对应的FUI(Forel-Ule index)水色指数已有成熟的卫星遥感提取方法.以渤海为研究区,利用Sentinel-3 OLCI卫星数据提取了2018~2022年近5a渤海月度、年度FUI水色指数,研究了水色状况的时空变化特征.结果表明,渤海FUI时空变化特征显著,辽东湾、渤海湾及莱州湾沿岸海域FUI较高,水体浑浊,水色状况较差;而秦皇岛海域及其它离岸海域FUI较低,水体相对清澈,水色状况较好.1~12月,渤海FUI月平均值呈“V”型变化特征,即FUI由大变小再变大,体现出渤海水色状况由浊变清再变浊的过程.2018~2022年,FUI年平均值整体呈现下降趋势,水色状况转好;2018~2019年FUI年平均值的降幅最高,渤海综合治理攻坚战初见成效,2020年降至攻坚战实施期间最低水平,2021年出现小幅回升,2022年FUI年平均值则降至历年最低;与2020年相比,2022年渤海水色状况转好、稳定、变差的海域面积占比分别为36.05%、50.45%、13.50%,达到近5a最佳状态,可见渤海综合治理攻坚战对其生态环境的改善发挥了重要作用.因此,利用遥感技术监测FUI水色指数可有效提升我国海洋生态环境常态化巡查监管能力,具有非常重要的实际应用价值.

连云港主要入海河流叶绿素a及综合营养状态指数遥感定量反演

入海河流是陆源污染物向海洋输送过程的关键环节,其富营养化对区域生态环境及人类生活安全构成严重威胁。由于习近平生态文明思想的深入贯彻,“河长制”、“湾长制”等管理制度的广泛推行,以及污染防治攻坚战的全面打响,入海河流与近岸海域的水质状况得到稳步改善,但仍存在波动,污染防治形势依然严峻,实时有效的大范围遥感监测能力亟待加强。随着近年来高分卫星与无人机遥感技术的迅速发展,如何将定量遥感技术应用于河流水体的生态环境要素监测,从而推进污染防治水平进一步提升已成为该领域研究热点。基于2022年6月期间在连云港境内蔷薇河、临洪河、古泊善后河及灌河获取的叶绿素a、总磷、总氮浓度等实测数据,并采用Sentinel-2A MSI L2A卫星影像,开展了连云港主要入海河流叶绿素a及综合营养状态指数[TLI(Σ)]遥感定量反演研究。结果表明,叶绿素a浓度、综合营养状态指数与可见光波段反射率的相关性明显高于其他波段,尤以490、560、665 nm三个波段最佳,其中R(λ)与Chl a的相关系数分别为-0.697、-0.681、-0.693,R(λ)与TLI(Σ)的相关系数分别为-0.728、-0.744、-0.706,可作为建模的敏感波段;经反演模型的精度对比发现,以R(665)为自变量,在叶绿素a浓度对数坐标下的乘幂模型为其遥感定量反演的最优模型(R^(2)=0.67,MAPE=47.34%,RMSE=12.89μg·L^(-1)),而以R(560)为自变量的乘幂模型是综合营养状态指数遥感定量反演的最优模型(R^(2)=0.61,MAPE=4.36%,RMSE=3.45);将最优模型应用于2022年6月25日Sentinel-2A MSI L2A影像,得到连云港主要入海河流叶绿素a浓度和综合营养状态指数的空间分布结果,发现蔷薇河/临洪河、古泊善后河及灌河均处于富营养化状态,叶绿素a浓度和综合营养状态指数均以蔷薇河/临洪河最高,古泊善后河次之,灌河最低,且河流上游反演结果普遍高于下游。

基于Sentinel-3 OLCI影像的渤海FUI水色指数遥感提取及应用

水色是水体水文学特征的基本要素之一。水色测定主要是采用福莱尔比色表(Forel-Ule Scale)将自然水体按颜色从深蓝到红棕共分为21个级别,用以观测、记录海洋和内陆水体的颜色。基于2020—2021年大辽河口、黄河口西南及秦皇岛近岸海域的现场实测数据和同步Sentinel-3 OLCI影像,验证了FUI水色指数遥感提取结果的准确性,发现当现场测量时间与卫星过境时间接近时,FUI水色指数遥感提取结果与实测结果基本一致。利用2021年1—12月Sentinel-3 OLCI影像,提取了渤海月均FUI水色指数遥感产品,发现渤海FUI水色指数的主要变化区间为5~17,整体呈现辽东湾、渤海湾及莱州湾沿岸海域高,秦皇岛海域及其他离岸海域低的空间分布特征,且存在秋冬季高、春夏季低的时间变化规律。此外,FUI水色指数对诸多海洋生态环境问题具有显著的指示功能。尝试将其应用于海洋水色异常和海水水质类别观测,均取得了较好的应用效果。由此可见,FUI水色指数遥感提取将在今后的海洋生态环境监测与评价方面发挥重要作用。

赤潮藻类温度生态幅的定量表达模型研究

首先在Moisan的温度和比生长率关系基础上,依据Shelford耐受性定律,建立了赤潮藻类温度生态幅(最适温度、适温范围、耐受范围)的定量表达模型。同时,依据此模型可定量导出赤潮藻类的生物学零度。其次,结合实验培养数据,建立了东海原甲藻比生长率的温度响应模式,并利用研究结果定量得到该藻种的温度生态幅,这与已有的实验研究和现场监测结果有较好的一致性。

江苏近岸海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演

基于2012~2014年期间江苏近岸海域实测遥感反射率、悬浮泥沙浓度及HJ CCD数据,建立该海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演模型。通过研究水体实测反射光谱特征,确定对悬浮泥沙浓度变化的敏感波段,并与悬浮泥沙浓度进行函数拟合分析。结果表明：将HJ CCD Band3的等效遥感反射率、HJ CCD Band3与Band2等效遥感反射率的比值分别作为敏感因子,并采用对数函数模拟低值区、指数函数模拟高值区获得的叠加模型表现最为突出。通过卫星应用发现,第2、3波段比值模型的遥感反演结果与实际情况相符,可有效削弱大气校正、表观反射率到遥感反射率的转换方法以及HJ CCD辐射分辨率较低等一系列问题的干扰,为江苏近岸海域HJ CCD悬浮泥沙遥感反演的最优模型。

基于AHP法的赤潮灾害风险评估指标权重研究

赤潮灾害风险评估是赤潮灾害减灾防灾的重要内容之一。评估指标体系对赤潮灾害风险评估具有十分重要的意义,而权重的确定是建立指标体系的主要内容,是提高赤潮灾害风险评估结果可信度的关键。运用德尔斐(Delph i)法、层次分析法(AHP)定量确定了赤潮灾害风险评估中赤潮灾害危险度、承灾体易损度的各个层次、各个指标的权重。结果表明,在赤潮灾害危险度评估的所有指标中,光照强度的权重为0.094 77,氮磷比值、硝氮、铵氮和磷均占0.044 78等;在承灾体易损度评估的所有指标中,不同类型赤潮对承灾体因子易损度是不一样的,总体趋势是无毒赤潮对承灾体易损度的影响最小,有害赤潮的影响居中,有毒赤潮的影响最大。

基于Sentinel-3 OLCI影像的秦皇岛海域悬浮物浓度遥感反演

基于2013~2021年期间秦皇岛海域遥感反射率、悬浮物浓度及叶绿素a浓度等实测数据,开展了该海域Sentinel-3 OLCI影像的悬浮物浓度遥感反演模型研究.结果表明,文献中常用的典型经验模型形式均不适用于秦皇岛海域,以490、620及708.75nm为悬浮物反演的敏感波段,以560nm为参比波段,将各敏感波段与参比波段的比值作为自变量,最终建立了适用于秦皇岛海域的Sentinel-3 OLCI四波段悬浮物浓度遥感反演模型(R^(2)=0.69,MAPE=24.79%,RMSE=2.82mg/L);并采用2021年7月24日Sentinel-3 OLCI影像进行悬浮物浓度遥感反演产品的真实性检验,得到反演值与实测值的平均相对误差为13.24%.将上述四波段模型用于2021年1~12月秦皇岛海域的Sentinel-3 OLCI影像,反演得到月均悬浮物浓度,发现秦皇岛海域悬浮物浓度整体呈现沿岸海域高、离岸海域低,秋冬季高、春夏季低的时空变化特征;且2018~2021年秦皇岛海域悬浮物浓度的年均值逐年递减,水体越来越澄清.

基于遥感的辽河三角洲湿地生态系统服务价值评估

利用中巴资源卫星对辽河三角洲盘锦湿地类型进行调查的基础上,综合应用环境经济学、资源经济学等方法对辽河三角洲湿地生态系统的服务功能价值进行了评估,得出该区域湿地生态系统的服务功能总价值为90.243×108元RMB。休闲娱乐、大气组分调节、物质生产和水文调节是该区域湿地生态系统服务功能价值的主要贡献者,分别占到系统总服务功能价值的25.93%、25.03%、22.35%和20.44%。

CEM的波段选择方法研究及应用

高光谱数据信息量丰富,波段数量多,能够为地物分析提供更全面的依据,但同时也增加了数据分析的复杂性和干扰性,尤其是水质遥感监测等低信噪比的应用领域。传统波段选择常借助相关性系数等方法,在众多光谱波段中选择标识波段,并在所选波段集合上进行数据分析。基于约束能量最小化(CEM)从信号检测角度提出了一种面向目标向量的波段选择算法——基于CEM的波段选择算法(CBS),采用信号匹配滤波器从观测向量中找出与目标向量匹配度高的波段,结合正交原理,最大程度地选出与目标向量匹配度高且波段向量冗余度低的波段子集。以水质监测中的成分测定作为验证,采集辽河入海口试验区的高光谱数据,结合同步实地水样数据进行建模,预测辽河水域氮磷含量。比较CBS算法的波段选择结果和皮尔逊相关系数(PCC)波段选择结果,将两种方法得到的显著性波段子集作为变量进行逐步回归分析,建立多元回归模型,进一步对模型进行精度检验,分析其预测值与真实值的平均相对误差。总磷浓度模型的精度检验中,通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为20.7%,而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为8.17%;总氮浓度模型的精度检验中,通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为16.8%,而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为12.4%。数据分析的结果表明, CBS算法得到的波段子集,在氮磷浓度反演的能力上,优于传统基于相关系数的选择方法。

赤潮卫星遥感监测系统软件构建

赤潮遥感监测系统主要由硬件支持系统,包括实时卫星数据源接收系统、数据存储系统、数据处理终端和产品输出与传输终端等。软件系统,包括卫星数据接收控制软件、卫星数据处理系统软件、赤潮相关卫星参数反演软件、产品格式化控制软件等。本文就赤潮遥感监测系统的软件构成和构建进行了系统的介绍。

黄海北部CDOM近紫外区吸收光谱特性研究

有色溶解性有机物（CDOM）近紫外区吸收光谱包含CDOM分子结构、组成等重要理化信息。利用2009年3月黄海北部海域CDOM吸收系数的实测数据,分析了该海域CDOM近紫外区的吸收光谱特性,结果表明：由于近岸陆源输入的影响,黄海北部海域CDOM构成差异较大,属于典型的二类水体;特定拟合波段范围的光谱斜率及特定波段处的吸收系数对CDOM分子量相对大小均具有一定的指示作用,250-275,350-400,300-350,275-300 nm波段的光谱斜率Sg,250-275,Sg,350-400,Sg,300-350,Sg,275-300与CDOM分子量相对大小指示参数M值的相关性依次递增,最高可达0.95,吸收系数ag（λ）与M值的相关性随波长增大逐渐变大,400 nm波段处相关性可达0.92;光谱斜率与吸收系数存在相关性与否由光谱斜率拟合波段范围及吸收系数获取波长共同决定,Sg,275-300与ag（400）的相关性最大,可达0.87。

大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型

有色溶解性有机物（CDOM）在河口混合过程中近似呈保守行为,可作为水团运动的示踪剂。基于2009年5月6日大洋河河口海域水体调查的实测数据,对该区域CDOM光学特性及遥感反演模型进行了研究,结果表明：研究区域CDOM主要来自河流输入,成分相对较稳定,属于典型的近岸二类水体区域;波长275~295 nm的光谱斜率和波长400 nm的吸收系数对CDOM分子量的相对大小均具有一定的指示作用;该区域的CDOM存在保守混合行为,随河流淡水的注入、扩散,水体盐度逐渐增大,河流淡水带入的高浓度CDOM被稀释,CDOM浓度逐渐减小,同时河流淡水中所含高比例的大分子腐殖酸降低,海水中所含高比例的小分子富里酸相应增加,使光谱斜率和波长250和365 mm处的吸收系数比值均增大;基于Rrs（531）/Rrs（551）敏感波段建立的模型表现最好,相关系数的二次方可达0.84,可作为大洋河河口海域CDOM遥感反演模型。

2002-2021年渤海叶绿素a浓度变化及环境响应分析

基于2013—2021年渤海遥感反射率和叶绿素a浓度等实测数据,开展了该海域MODIS影像的叶绿素a浓度遥感反演模型研究。选择OC3经典模型形式,采用渤海的实测数据进行拟合分析,获取了适用于渤海的模型局地化参数,通过真实性检验得到叶绿素a浓度的遥感反演结果与实测值的决定系数为0.84,平均相对误差为24.77%,均方根误差为5.56μg/L,反演精度较佳。利用该算法反演获取了渤海2002—2021年叶绿素a的月度、季度和年度平均浓度,分析了其时空变化特征,同时结合2001—2021年渤海非优良水质比例开展了环境响应分析。分析结果显示:2001—2021年,渤海非优良水质比例与同时期叶绿素a浓度变化趋势基本一致,呈现先变差后变好的倒V形趋势;5年平均的非优良水质比例与叶绿素a浓度变化趋势更直观地反映了2001—2021年渤海整体的水环境变化趋势,与非优良水质比例相比,叶绿素a浓度对渤海水环境的改善响应更快。

基于DRLSE模型的SAR溢油提取方法

为提高海上溢油轮廓SAR提取精度,验证了FCM(Fuzzy C-Means Algorithm)与DRLSE(Distance Regularized Level Set Evolution)模型结合的方法提取SAR溢油信息的有效性;鉴于其无法避免细小噪音的影响以及薄油膜提取效果不好的问题,提出了阈值和DRLSE模型结合的溢油信息提取方法,通过阈值构建溢油区域初始轮廓,克服了图像细小噪声对溢油提取的影响,更有利于提取薄油膜信息,溢油提取精度优于H/A/alpha-Wishart非监督分类方法和FCM与DRLSE模型结合的方法。

渤海近岸水体悬浮颗粒物对后向散射特性的影响研究

进行海洋水体悬浮颗粒物的空间分布及粒径构成对后向散射特性变化影响,研究对于加深水体散射性质的认识、提高水色遥感反演参数的精度及海洋环境监测等具有重要意义。结合渤海海域2017年6月、9月的现场数据,获得了夏季、秋季各站位总悬浮颗粒物浓度(SPM)、颗粒粒径以及后向散射系数等参数并进行研究。结果表明,后向散射系数bbp在可见光波段随波长的增加而减小;同时,夏季和秋季,大多数站位bbp(550)的变化趋势与SPM的变化趋势基本一致;在进行两者之间的相关性研究时发现,相关系数R^2并不高,仅为0.24。该研究还建立了平均粒径(DA)、中值粒径(D50)与bbp的关系,得出DA与bbp呈线性关系,受季节及水体颗粒构成的影响,夏季,水体颗粒物以小颗粒为主,两者之间的相关性高于秋季,两个季节的R^2分别为0.7和0.3;同时得出当水体以小颗粒为主时,bbp随DA增大而增大,以大颗粒为主的时,bbp随DA增大而减小。D50与bbp的关系则不同,两者之间呈现非常好的幂指数关系,在同一季节里,bbp均随着D50的增大而减小,即水体中颗粒物粒径越小,其后向散射系数越大,夏季和秋季两者之间的相关系数分别为0.66和0.5;并且发现如果不分季节差异,现场水体颗粒物的粒径构成对bbp的影响很难确定。

基于GOCI的渤海悬浮物分布及日变化遥感初探

悬浮物作为污染物示踪剂,对研究海区陆源污染扩散、分布极为重要。利用2008-2017年渤海多个航次的现场实测光谱和悬浮物浓度数据,研究了渤海表层悬浮物浓度遥感反演算法,发现秦皇岛海域悬浮物算法不同于其他渤海区域。将反演算法应用于GOCI静止卫星影像,得到2015年9月13日8个时相的渤海悬浮物浓度空间分布形态,并探讨了8 h短周期内的变异幅度。研究结果表明:渤海大部分悬浮物浓度较低(0~10 mg/L),短周期内变异幅度很小;悬浮物高值主要分布在以黄河三角洲为中心的渤海湾、莱州湾沿岸一带(最高可达300 mg/L),短周期内变异幅度大(60 mg/L以上,可达200 mg/L);辽东湾辽河口区域、复州湾、金州湾附近海域悬浮物浓度相对较高,金州湾部分区域短周期内变异幅度较高,或与该区域围填海等人为活动有关。

基于HJCCD的杭州湾海域水质评价

【目的】筛选适用于杭州湾海域卫星遥感反演算法的水质参数,探明基于HJ CCD的研究区遥感水质评价方法。【方法】利用有色可溶性有机物(CDOM)、透明度(SD)、叶绿素a(Chl a)及总磷(TP)的遥感定量反演结果,分析最差因子判别法、均值法、内梅罗指数法及模糊综合评价法的优劣。【结果】与其它3种评价方法相比,模糊综合评价法突出了HJ CCD高空间分辨率特性,较为完整地评价出杭州湾海域水质类别,与海洋环境状况公报中的评价结果具有较好的一致性。【结论】选用恰当的水质评价方法,高分辨率的环境卫星可以用于我国近岸海域水质日常评价分析。

大连长兴岛海域疏浚区GF-1 WFV影像悬浮物遥感反演研究

利用2017年8-9月期间大连长兴岛海域实测遥感反射率、悬浮物浓度及GF-1 WFV数据,研究了该区域悬浮物浓度的遥感反演算法,发现遥感反射率与悬浮物浓度的散点图存在两种不同的变化趋势,将2008-2015年期间辽东湾内其它海域的数据与长兴岛海域数据进行叠加后,可初步推断产生两种变化趋势的主要原因在于疏浚区与非疏浚区悬浮物的粒径大小不同,导致其光学特性和反演算法也存在差异。将两种算法分别应用于2017年9月20日辽东湾及长兴岛近岸海域的GF-1 WFV4影像,发现采用非疏浚区算法反演长兴岛海域悬浮物浓度时,出现明显的低估现象,而疏浚区算法则能较好地反映出疏浚施工过程中悬浮物的分布规律,具有较好的工程应用价值。

赤潮水体红光波段反射光谱的模拟及形成机理

赤潮水体红光波段反射光谱中"荧光峰"的红移现象一直备受研究者的广泛关注。本文基于前向辐射传输模型,通过2011年7月9日在大连湾海域实测的赤潮水体吸收系数和后向散射系数模拟了弹性散射作用下的反射光谱,发现在未考虑叶绿素荧光的情况下,红光波段仍存在显著的反射峰,且随叶绿素浓度的增加,反射峰出现红移现象;加入叶绿素荧光后,模拟光谱红光波段反射峰的位置与高度出现不同程度的改变,与实测光谱的更接近;对比模拟光谱与实测光谱可确定,红光波段的反射峰由吸收、后向散射以及叶绿素荧光共同控制,而文献中通常提到的"荧光峰"红移实由浮游藻类红光波段的强吸收作用导致,与叶绿素荧光无关,因此反射峰红移的说法更为合理。

渤黄海上空气溶胶遥感探测与分析

气溶胶的来源及变化分析对于研究气候变化和海洋环境污染都有重要意义。遥感技术能实时提供大尺度气溶胶时空变化信息,这对于估算入海通量有重要参考价值。本文利用MODIS资料,通过查算表拟合等方法对渤黄海上空的气溶胶光学厚度和Angstrom指数,进行了估算。整个空间分布结果基本合理,和台站测试结果也比较类似。研究表明遥感方法较好地展现了气溶胶光学厚度和Angstrom指数的空间变化特征,可为进一步分析气溶胶输移路径及建立入海通量估算模型等研究提供参考。