本發(fā)明涉及海洋遙感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種估算近海水體浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星海洋水色遙感方法。
背景技術(shù)：
海洋水色遙感在衛(wèi)星海洋遙感技術(shù)中扮演著重要的角色，并且已經(jīng)成為水體研究的重要手段。它可以大范圍同步地獲取水體組分的濃度信息，如葉綠素、懸浮顆粒物、黃色物質(zhì)等。水色遙感廣泛應(yīng)用于海洋初級生產(chǎn)力的估計(jì)、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋動(dòng)力學(xué)、海洋漁業(yè)開發(fā)和管理服務(wù)等方面的研究。
浮游植物粒級結(jié)構(gòu)(psc)是一種用來描述水體中浮游植物本質(zhì)特征的參數(shù)，具體指對不同粒級結(jié)構(gòu)的浮游植物的測量與反演。在海洋生態(tài)和生物地球化學(xué)過程中，psc是浮游植物種群功能的一個(gè)重要指標(biāo)。浮游植物的養(yǎng)分累積、光吸收、浮游植物生理學(xué)以及食物鏈等方面，都受到粒級結(jié)構(gòu)大小的影響。因此，對浮游植物粒級結(jié)構(gòu)以及其變化規(guī)律、機(jī)制的認(rèn)識有助于更好地認(rèn)識和研究海洋生態(tài)。同時(shí)，準(zhǔn)確的psc現(xiàn)場測量也有利于海洋生物地理化學(xué)模式和遙感算法的建立。
傳統(tǒng)獲取海水中psc的主要途徑是儀器測量，例如顯微鏡測微法、圖像分析法、庫爾特計(jì)數(shù)法以及流式細(xì)胞儀等。這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于能準(zhǔn)確地測量浮游植物的粒徑大小，但是缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能獲得psc連續(xù)的時(shí)空變化。同時(shí)，一些儀器測量，例如顯微鏡測微法，可能還受到操作者熟練度的影響，進(jìn)而影響到測量結(jié)果。根據(jù)這些傳統(tǒng)的物理方法，將psc劃分為三類：微微型浮游植物(0.2-2μm)，微型浮游植物(2-20μm)以及小型浮游植物(20-200μm)。近些年來，遙感探測方法發(fā)展快速，一景遙感影像在同一時(shí)間內(nèi)，能輕松地覆蓋相當(dāng)大的區(qū)域，而且能達(dá)到一天數(shù)景的能力(如goci，modis等)。而且，很多衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是開放性的資源。所以，利用遙感探測技術(shù)是解決獲取長時(shí)間、大范圍的psc信息的一個(gè)可行之徑。
psc遙感反演研究興于近20年，在過去的10幾年內(nèi)快速發(fā)展。2014年國際海洋水色協(xié)調(diào)工作組(ioccg)報(bào)告的主題就是關(guān)于利用遙感獲取浮游植物的功能結(jié)構(gòu)、粒級結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。當(dāng)前的遙感反演算法可以歸類為兩類，基于濃度變化的模型和基于光譜響應(yīng)的模型。
基于濃度變化的模型指的是對各粒級結(jié)構(gòu)葉綠素濃度的反演。假設(shè)在開闊大洋中，各粒級結(jié)構(gòu)的葉綠素a貢獻(xiàn)比例與總的葉綠素a濃度之間存在顯著的指數(shù)關(guān)系。即在低濃度chla海域，小粒徑的浮游植物占據(jù)主導(dǎo)，在高濃度chla區(qū)域，則是大粒徑浮游植物處于主導(dǎo)地位。brewin等(2010,2015)建立了一個(gè)三成分模型來計(jì)算大西洋海域的psc葉綠素a貢獻(xiàn)比例，從而得到psc分布。devred等(2011)也使用了相同的模型，但是因?yàn)槭褂玫臄?shù)據(jù)與推導(dǎo)過程不同，得到了不同模型參數(shù)。hirata等(2011)基于冪指數(shù)關(guān)系，建立了一系列純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠矸囱輕sc和七個(gè)浮游植物功能群落的chla貢獻(xiàn)比。varunan和shanmugam(2015)基于冪指數(shù)關(guān)系，提出一種基于總?cè)~綠素a濃度和遙感反射率的新模型，得到psc分布，進(jìn)而推導(dǎo)得到各粒級結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)。
基于光譜響應(yīng)的方法不受限于葉綠素濃度的變化，該類方法主要是依靠浮游植物群落在光譜上的差異性，區(qū)分不同的浮游植物。一般而言，光譜響應(yīng)模型分為3個(gè)方向：遙感反射率(rrs)，顆粒物后巷散射系數(shù)(bbp)和浮游植物系數(shù)系數(shù)(aph)。bbp模型主要是利用顆粒物后向散射系數(shù)的光譜斜率(γ)的性質(zhì)。kostadinov等(2009)基于冪指數(shù)關(guān)系，描述了水體懸浮顆粒濃度與粒徑的關(guān)系，并且建立了函數(shù)斜率ξ與γ之間的查找表。之后應(yīng)用seawifs遙感數(shù)據(jù)，反演得到全球海洋懸浮顆粒物的γ，再通過查找表獲得ξ，最終計(jì)算了不同粒徑大小范圍內(nèi)的粒子濃度與總濃度的比例，得到了浮游植物粒級結(jié)構(gòu)分布。fujiwara等(2011)基于楚科奇海與白令海峽大陸架地區(qū)的數(shù)據(jù)，建立了浮游植物大小指數(shù)fl與獨(dú)立變量bbp，aph之間的一個(gè)多元回歸模型(sdm)。浮游植物吸收系數(shù)主要受到色素打包效應(yīng)和色素濃度的影響。ciotti等(2002)認(rèn)為粒級結(jié)構(gòu)的變化能解釋aph光譜80％的變化，并建立了一個(gè)雙成分吸收模型，將吸收系數(shù)分為小型浮游植物與微型浮游植物吸收的總和?；谶@種吸收模型，ciottiandbricaud，(2006)提出了微微型浮游植物吸收比例sf，利用巴西近海的seawifs數(shù)據(jù)，得到了小型、微微型浮游植物的時(shí)空分布。roy等(2013)基于675nm處后向散射系數(shù)與浮游植物粒級結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，建立了一個(gè)半物理模型，并基于modis數(shù)據(jù)庫反演得到粒級結(jié)構(gòu)。organelli等(2013)基于地中海的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過最小二乘法，建立了浮游植物粒級結(jié)構(gòu)chla濃度比例與吸收光譜四階導(dǎo)數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，最終成功得到psc分布。
綜上所述，現(xiàn)有的psc研究所用的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)主要是利用在開闊大洋，或者是開闊大洋和少量渾濁水體的數(shù)據(jù)庫，而基于我國近?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的psc反演研究幾乎沒有涉及。本發(fā)明通過衛(wèi)星海洋水色數(shù)據(jù)和航次現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，基于總chla濃度與各粒級結(jié)構(gòu)chla貢獻(xiàn)濃度比例之間的指數(shù)關(guān)系，結(jié)合遙感反射率，改善和建立了一種估測浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)性衛(wèi)星遙感新方法。然后將該方法運(yùn)用到goci數(shù)據(jù)上進(jìn)行分析與驗(yàn)證，并嘗試反演我國黃渤海海域的psc分布，提高了近海高渾濁水體psc遙感估測的能力。對我國近海海水體光學(xué)特性的研究，海洋初級生產(chǎn)力的估算以及海洋生態(tài)等方面有著建設(shè)性意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的浮游植物粒級結(jié)構(gòu)遙感反演模型存在的限制，通過構(gòu)建浮游植物各粒級結(jié)構(gòu)的chla濃度與總chla濃度、遙感反射率之間的指數(shù)關(guān)系，基于近海水體的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，提供一種利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估測近海水體中浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的遙感新方法，從而提高近海水體psc分布信息的獲取能力，提高水色遙感在中國近海水體的應(yīng)用水平。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種估算近海水體浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的遙感方法，包括以下步驟：
步驟1：借助于海洋觀測航次，通過現(xiàn)場profilerii水體剖面光譜測量儀或便攜式asd光譜儀等設(shè)備，獲取多種水體光學(xué)特性和水質(zhì)參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)；
步驟2：采集與實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)空同步匹配的衛(wèi)星資料，提取并計(jì)算得到rrs數(shù)據(jù)。構(gòu)建goci水色傳感器資料的星地匹配數(shù)據(jù)集；
步驟3：對hplc數(shù)據(jù)進(jìn)行色素診斷分析，得到診斷色素的權(quán)重，并進(jìn)一步計(jì)算得到不同粒徑對應(yīng)的葉綠素濃度比例：
其中，pi為所選的不同的特征色素，wi是各特征色素對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；p1,n為巖藻黃素的一部分，因?yàn)閹r藻黃素部分會出現(xiàn)在微型浮游植物中，其計(jì)算公式如下：
其中，q1和q2為常數(shù)0.356,1.190；
步驟4：基于varunan(2015)中的指數(shù)模型，利用遙感反射率和步驟3中計(jì)算得到的各粒級結(jié)構(gòu)chla濃度，計(jì)算出適用于黃渤海水體的參數(shù)。得到新的模型方程具體如下：
cm＝c-(cp+cn)(7)
其中，c為總的chla濃度；cp、cn和cm表示三種粒級結(jié)構(gòu)的葉綠素a濃度；
步驟5：將650-750nm間的遙感反射率帶入方程，并計(jì)算得到相應(yīng)的判決系數(shù)，通過對比，可得出680nm波段具有最高的判決系數(shù)值，并且與goci衛(wèi)星八通道之一的680nm通道吻合，得到最終的方程：
cm＝c-(cp+cn)(10)
步驟6：對模型進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，并應(yīng)用到goci月平均影像上,得到我國近海(黃渤海)區(qū)域浮游植物粒徑信息的時(shí)空分布。
本發(fā)明利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估測我國黃渤海水體中浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的水色遙感新方法的主要思路是：先對航次得到的hplc數(shù)據(jù)做診斷色素分析(dpa)，得到各個(gè)粒徑對應(yīng)的chla濃度值；再基于冪指數(shù)關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的遙感反射率數(shù)據(jù)，推導(dǎo)得到本地化的參數(shù)；最后將建立的模型應(yīng)用到衛(wèi)星上，即可得出衛(wèi)星反演的psc時(shí)空分布信息。
本發(fā)明的有益效果：
(1)本發(fā)明利用衛(wèi)星遙感資料和現(xiàn)場實(shí)測的水體光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了psc與遙感反射率、總?cè)~綠素濃度之間的指數(shù)關(guān)系，提供了一種反演海水浮游植物粒級結(jié)構(gòu)分布的水色遙感新方法。本發(fā)明具有一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)可行性，更適合于實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)了反演浮游植物粒級結(jié)構(gòu)分布的衛(wèi)星遙感方法的發(fā)展；
(2)本發(fā)明能夠解決當(dāng)前對于我國近海水體浮游植物粒級結(jié)構(gòu)反演算法缺失的問題，拓展了水色遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高了對于浮游植物粒級結(jié)構(gòu)這一本質(zhì)參數(shù)的獲取能力；
(3)本發(fā)明所應(yīng)用的海域?yàn)榻８呋鞚崴颍@些水域均為典型的二類水體，本發(fā)明豐富了二類水體光學(xué)特性信息，同時(shí)初步嘗試對黃渤海海域浮游植物粒級結(jié)構(gòu)長時(shí)序大范圍信息的獲取。
附圖說明
圖1為為本發(fā)明的算法流程圖。
具體實(shí)施方式
在本發(fā)明中提出了一種反演近海水體浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的水色遙感新方法，結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，具體步驟如下：
1、通過調(diào)查船走航的觀測手段，利用現(xiàn)場儀器觀測技術(shù)，獲取水體光學(xué)特性和水質(zhì)參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)。通過海上平臺架設(shè)的溫鹽深儀ctd、太陽光度計(jì)ce318、現(xiàn)場profilerii水體剖面光譜測量儀或便攜式asd光譜儀等設(shè)備，獲取多種水體光學(xué)特性和水質(zhì)參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)等儀器設(shè)備，進(jìn)行航次的長時(shí)間觀測，獲取水體溫度、鹽度和深度、離水遙感反射率、風(fēng)速風(fēng)向等資料。
2、采集與實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)空同步匹配的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配數(shù)據(jù)集。通過下載并積累的goci衛(wèi)星資料，使用專門的軟件，提取出相應(yīng)的月合成遙感反射率數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配的長時(shí)間同步數(shù)據(jù)集。為模型的建立、驗(yàn)證、應(yīng)用提供充足的數(shù)據(jù)源。
3、基于航次得到的hplc數(shù)據(jù)，進(jìn)行色素診斷分析，也就是將總chla濃度與幾種診斷色素做回歸分析，最終各診斷色素的回歸系數(shù)作為其權(quán)重，結(jié)合各診斷色素對應(yīng)的粒級結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步計(jì)算得到基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的psc葉綠素濃度比例；
4、同時(shí)基于實(shí)測的遙感反射率以及總chla濃度，通過指數(shù)關(guān)系方程，擬合得到適用于我國黃渤海的模型參數(shù)。得到新的模型方程具體如下：主要公式如下：
fp＝2.0c-1[1-exp(-c2×rrs(680))]0.32(11)
fn＝1.8c-1[1-exp(-c2×rrs(680))]0.27(12)
fm＝1-(fp+fn)(13)
其中，c為總的chla濃度；rrs(680)指的是680nm波段的遙感反射率。
5、對浮游植物粒級結(jié)構(gòu)反演模型進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，并應(yīng)用到goci月平均影像上，得到黃渤海區(qū)域粒徑的空間分布差異以及時(shí)間變化特征(如季節(jié)變化和年際變化)，為利用衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測水體psc分布打下基礎(chǔ)，促進(jìn)開展水色遙感產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域等工作的研究。
應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。