近岸Ⅱ類水體葉綠素濃度遙感反演的算法綜述

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1、福建水產(chǎn)，2009年3月第1期NO．JJOURNALOFFUJIANFISHERIESMar．26．2009近岸Ⅱ類水體葉綠素濃度遙感反演的算法綜述張加晉(福建海洋研究所，福建廈門，361012)摘要：由于具有明顯的時(shí)間與空間分辮率優(yōu)勢(shì)，遙感方法成為近岸Ⅱ類水體葉綠素濃度(CH-a)信息提取研究的重要技術(shù)之一。本文回顧了國內(nèi)外葉綠素濃度遙感反演算法研究概況，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了利用衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)反演葉綠素濃度的算法研究成果。并提出加強(qiáng)地面水文光譜實(shí)驗(yàn)研究，建立多光譜葉綠素反演定量模式，以高分辮率和高光譜遙感融合數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的葉綠素濃度定量遙感是今后的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：Ⅱ類水體；葉綠素濃度；

2、遙感；反演生物光學(xué)模式描述水中組分與離水輻射之間的關(guān)系，利用輻射傳遞模型模擬光在大氣和海洋中的1引言傳播。這些模式在海水的不同組分、大氣的不同一切浮游植物均含有葉綠素?，葉綠素是狀態(tài)下計(jì)算水面或大氣頂TOA(TopoftheAt—海水中最具特色、并以一定方式影響海洋水色的mosphere)的模擬光譜，然后建立反演算法，求物質(zhì)。葉綠素濃度(單位為mg／m’或g／1)是解海水葉綠素濃度。目前廣泛應(yīng)用的算法主要有海洋中光能自養(yǎng)型植物——浮游植物存在數(shù)量的代數(shù)方法、非線性優(yōu)化方法、主成分方法、神經(jīng)一個(gè)重要指標(biāo)，它從根本上反映了海洋生產(chǎn)力的網(wǎng)絡(luò)方法等I】J。變化。海洋水色遙感中提取海水葉綠素濃度的目2

3、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法的就是獲取海洋初級(jí)生產(chǎn)力及研究海洋在全球碳循環(huán)中的作用。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法是根據(jù)葉綠素a的光學(xué)吸收特目前以遙感技術(shù)手段對(duì)葉綠素濃度進(jìn)行反演性，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的葉綠素濃度值與光學(xué)測(cè)量值的主要方法是對(duì)遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校(如反射率或輻射率值)結(jié)合起來，并以某種形正、幾何糾正后計(jì)算出離水輻射率，根據(jù)反演得式進(jìn)行回歸分析，得到回歸系數(shù)，然后反過來計(jì)到的離水反射率，利用不同的反演模式反演出海算葉綠素濃度值。最簡單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法是水葉綠素濃度。其反演算法可分為兩類，即經(jīng)驗(yàn)“藍(lán)綠波段比值法”，但在Ⅱ類水體中，這種算公式法和基于模型的解析算法l2]。法的譜段和統(tǒng)計(jì)參數(shù)要根據(jù)具體水域和季節(jié)所采自CZC

4、S運(yùn)行以來，以“比值波段組合”為集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定【1，精度不高。基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法在I類水體中有較高的反演隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，水色傳感器設(shè)有更精度，成為業(yè)務(wù)上的主要算法[3'4]，對(duì)于Ⅱ類水多的通道，波段寬更窄，信噪比也更高，這些使體，選擇合適的觀測(cè)波段、增加光譜波段數(shù)均可得經(jīng)驗(yàn)算法的波段組合更為靈活多變，可進(jìn)行多提高經(jīng)驗(yàn)算法的精度J，但本質(zhì)上是區(qū)域性算元回歸分析，發(fā)展了以下反演模式：法，對(duì)水中組分的時(shí)空變化敏感。解析算法利用log[chl_a]=c0+c1bg(r)+c2[(r

5、{)]基金項(xiàng)目：泉州灣整治利用規(guī)劃研究作者簡介：張加晉(1981～)，男，研究實(shí)習(xí)員，碩士。聯(lián)系方式：bMa

6、play@126．corn福建水產(chǎn)總第120期+c[1og()]’(I一1)過調(diào)整作為輸人參數(shù)的反演參數(shù)(即葉綠素、懸式中Ir=R(i)／R()，c0、c1、c2、c3是經(jīng)驗(yàn)反浮泥沙、黃色物質(zhì)等)的濃度J，重復(fù)計(jì)算與之演系數(shù)。對(duì)應(yīng)的輻射率值，使得模式計(jì)算所得輻射值與實(shí)這個(gè)算法在Ⅱ類水體可以得到相對(duì)較高精度際所得的輻射率值之間誤差最小。的表達(dá)的反演值。劉大召等人副利用珠江口葉綠素濃式為：度與一階導(dǎo)數(shù)光譜值的三次多樣式反演結(jié)果來=∑A(一￡m。a)(2—3)看，其R(決定系數(shù))檢驗(yàn)值可達(dá)到0．7815。式中：表示衛(wèi)星傳感器測(cè)量得到的輻射3解析算法值；。表示根據(jù)模型計(jì)算得到的輻射值；∑表這種解析算

7、法的共性是利用各種輻射傳輸模示對(duì)所有波段求和。通常預(yù)設(shè)一個(gè)收斂的閾型，如Plass等人的Monterf0模型和Gordon等值來確定該迭代步驟是否結(jié)束。人準(zhǔn)單次散射近似等來模擬光在水體和大氣中的應(yīng)用非線性最優(yōu)化方法研究海洋水色需要注傳播過程，并利用一種稱為“生物一光學(xué)模型”來意兩個(gè)方面：首先，設(shè)置預(yù)測(cè)模型的參數(shù)時(shí)要保證確立各水色成分濃度與水體的離水輻射率(或反將要反演的未知參量之間的相關(guān)性盡可能小，因射率)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為在反演的未知量之間總是具有一定的自相關(guān)，1)代數(shù)法例如葉綠素和總懸浮物之間具有一定的相關(guān)性，代數(shù)法也稱半解析型生物光學(xué)算法(Semian一參數(shù)間獨(dú)立性差，給反演結(jié)果解譯帶

8、來困難，嚴(yán)重口Bio—OpticalAlgorithms)。是用代數(shù)表達(dá)式時(shí)可導(dǎo)致函數(shù)模型病態(tài)，導(dǎo)致反演結(jié)果不可靠。描述海洋水色與地球物理特征的相關(guān)性。這種方其次，初始條件的設(shè)定也相當(dāng)重要，如果可能，應(yīng)法是按照一定周期測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)，建立光譜特該為每一個(gè)需要反演的未知量設(shè)定各自的上限和征與水中各水色要素濃度之間的定量關(guān)系。在一下限，從而保證得到確切的最小值。這也是為防般算法中，用遙感反射率R代替離水輻射率。止