论文部分内容阅读
本文主要基于两种在轨的中分辨率成像光谱仪(MODIS)和近岸海洋高光谱影像（HICO）数据，探索适合于我国近岸河口叶绿素a(Chla)、悬浮物(TSS)、有色可溶性有机物(CDOM)以及透明度等水质参数的经验/半经验模型、生物光学模型算法，旨在解决近岸河口水色参数及透明度的高光谱遥感反演问题。主要包括: (1)由于二类水体TSS、CDOM、Chla吸收和散射的相互影响，光学特性复杂多变，使得二类水体Chla反演困难，文中基于地面实测光谱及水质参数(N=90)构建并评价了近岸河口Chla的两波段、三波段、四波段、NDCI(NormalizedDifference Chlorophyll Index)、SCI(Synthetic Chlorophyll Index)算法。结果表明:三波段(RMSE=4.07μg/1，MAE=2.06μg/1，N=47)优于四波段(RMSE=2.86μg/1，MAE=2.50μg/l，N=47);四波段优于两波段算法（RMSE=5.12μg/1，MAE=2.49μg/1，N=47）。将开发的Chla模型用于HICO影像制图，验证结果表明三波段、四波段算法能够精确反演实验区Chla的浓度(MRE=19.7％，N=10)。 (2)为寻找适用于河口及近岸宽浓度范围TSS的最优反演模型，利用大量的高浓度TSS实测数据，文中比较了基于MODIS250-米波段开发的TSS反演模型，发现当TSS浓度小于31mg/1时(即log(TSS)(=1.58)，对数比率值随着TSS浓度的增加而增大，当TSS浓度大于31 mg/1时，对数比率值随着TSS浓度的增加而减小。前人预测当TSS浓度的大于160 mg/1,对数比率模型出现饱和，这一发现表明相关问题值得进一步研究;这一发现也证实了对数比率模型可以用于大浓度范围TSS浓度的反演(模型校验:R2=0.738，N=40;模型验证:TSS＞31mg/l，RMSE=37.9mg/l, N=12; TSS＜=31mg/1, RMSE=3.25mg/1, N=8)。与Rrs(B1)、Rrs(B2)、(Rrs(B1)-Rrs(B2)、SI(Sediment Index)、Rrs(B2)/Rrs(B1)模型相比(TSS＞31 mg/1, RMSE＞=36.2mg/l,N=12;TSS＜=31 mg/1, RMSE＞=10.4mg/l,N=8),对数比率模型反演精度最高。考虑到同一个对数比率值可能得到两个TSS浓度值，提出了基于顶点的分类算法。将文中开发的对数比率模型用于MODIS250米影像制图TSS，并得到一个较好的反演结果(TSS＞31mg/1, RMSE=38.6mg/L，MRE=24.7％,N=17; TSS＜=31mg/l,RMS E=2.1 mg/L,MRE=19.5％,N=11)。同时构建了HICO的TSS反演模型，结果证明HICO反演结果（MRE=12.2％，N=10）优于MODIS反演结果（MRE=17.2％，N=10）。 (3)针对近岸河口CDOM遥感研究较少，本论文采用反射光谱(R)、各种变换形式(DR，log(1/R))以及各种波段组合(波段比值SR、波段差值BR)分析CDOM的光学特性，并选择最优波段或者波段组合，构建CDOM的遥感反演模型。结果证明DR(687)、SR(512，504)模型精度最好(建模样本RMSE＜0.126m-1，MRE＜22.7％;检验样本RMSE＜0.091 m-1，MRE＜33.9％)。将文中开发的CDOM模型用于HICO影像制图，结果证明比值模型能够较精确反演广东近岸河口CDOM的浓度(MRE=36.4％，N=10)。 (4)为避免计算水色三参数(Chla、TSS、CDOM)的吸收系数和散射系数而反演近海透明度，本研究基于Preisendorfer(1986)与Tyler(1968)提出的Zsd(Secchi depth)反演理论，建立了基于两波段遥感反射率比值和潮汐系数修正的适用于近岸海水透明度反演的简易光谱模型。利用同步实测数据验证发现，大潮期间，该模型计算的透明度比实测值整体偏高0.4m左右，小潮期间，该模型计算的透明度与实测值比较吻合。通过潮汐系数修正，反演的透明度与实测数值吻合较好（决定系数为0.663，MRE为19.5％，N=45）。将文中开发的透明度模型用于HICO影像制图，结果证明比值模型能够精确反演广东近岸河口透明度(MRE=11.7％，N=10)。 (6)为了优化生物光学模型中的悬浮物后向散射系数模型(bbx)和双向反射因子（f/Q），基于珠江口、韩江河口、徐闻珊瑚礁保护区实测数据(遥感反射率、Chla、TSS、CDOM)，采用模拟退火算法优化了bbx以及f/Q(N=43)。迭代计算的f/Q为0.1049，悬浮物在参考波长531nm处bbx为0.268*TSS0295。基于优化参数开发了生物光学正演模型(N=22)，输入实测的水质数据即可模拟出531nm处的遥感反射率Rrs(531)，并外推到其他波段(412、443、490、555、667nm)。模拟得到的Rrs(531)与实测值的均方根误差RMSE=0.0008，MRE=3.8％(N=22)，外推的其他波长处的遥感反射率除了667nm处误差较大外（RMSE=0.0036，MRE=27.4％，N=22），其他波段都具有较好的精度（RMSE＜0.0023，MRE＜18.1％，N=22）。验证结果说明迭代优化的bbx以及f/Q能够适用于广东河口和近海岸的水体生物光学参数模拟。 (7)为解决生物光学模型水体各组分之间组合的非线性问题。本研究基于优化的生物光学模型参数开发了水色三参数反演模型，采用实测的Rrs(531)对其它波段进行纠正，将纠正后的反射率输入到构建的反演模型，极大的提高了反演的精度。其中除Chla的浓度反演结果较差外(RMSE=2.3μg/1, MRE=124.7％，N=56),TSS(RMSE=12.6 mg/1, MRE=24.6％, N=61)与CDOM(RMSE=0.729m-1，MRE=26.3％，N=60)都具有较好的反演精度。