一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，屬于海洋遙感技術(shù)領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002] 濁度是水質(zhì)環(huán)境一個(gè)重要的參數(shù)，可以用來(lái)表征水體里懸浮顆粒物的含量，是海 洋水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于了解水動(dòng)力環(huán)境及海水物質(zhì)輸運(yùn)具有重要意義，也是 研究海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物地球化學(xué)過(guò)程的重要參數(shù)。因此，水體濁度監(jiān)測(cè)具有非常重 要的現(xiàn)實(shí)意義和科研價(jià)值。
[0003] 常規(guī)的監(jiān)測(cè)往往采用濁度探測(cè)儀，通過(guò)與海水直接接觸獲得濁度信息，這也是當(dāng) 前水質(zhì)環(huán)境業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)中最常用的方法，通過(guò)布設(shè)在浮標(biāo)等平臺(tái)可以實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間在線連續(xù)監(jiān) 測(cè)。這種方法的一個(gè)不足在于只能探測(cè)儀器周邊海水的濁度，而近海水體中懸浮物含量往 往變化較大，因此常規(guī)監(jiān)測(cè)可能導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間代表性不夠，特別在近岸高渾濁區(qū)域。
[0004] 海洋水色遙感技術(shù)的發(fā)展，使衛(wèi)星遙感探測(cè)水體濁度成為可能。與常規(guī)監(jiān)測(cè)方法 相比，衛(wèi)星遙感可以大范圍同步獲取水體濁度信息，能夠得到海水濁度空間分布特征。在開(kāi) 闊大洋和遠(yuǎn)海，海洋水色遙感已經(jīng)開(kāi)發(fā)出很多成熟的業(yè)務(wù)化算法，然而，在近岸海域，海水 濁度信息并不能被有效地提取，比如我國(guó)黃東海的蘇北淺灘等區(qū)域，現(xiàn)有的主流海洋衛(wèi)星 水色傳感器M0DIS/G0CI等業(yè)務(wù)化算法基本失效，大部分區(qū)域甚至被錯(cuò)誤地掩膜。原因主要 有兩個(gè)：一是海洋水色遙感算法的精度依賴于大氣校正準(zhǔn)確與否；二是近海高渾濁水體環(huán) 境復(fù)雜多變。由于這些問(wèn)題的困擾，現(xiàn)今高渾濁水體濁度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)受到極大限制。
[0005] 針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)前，大氣分子輻射貢獻(xiàn)已經(jīng)可以通過(guò)瑞利校正精確估算，因此 大氣校正的難點(diǎn)在于氣溶膠輻射貢獻(xiàn)。因此要解決近岸渾濁水體海洋水色遙感大氣校正不 理想的問(wèn)題，有兩種思路：其一是探究精確估算近海渾濁水體氣溶膠貢獻(xiàn)的方法；其二是 尋找一種無(wú)需精確估算氣溶膠的方法，規(guī)避大氣校正的問(wèn)題。從目前的研究情形看，前者幾 乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，而后者有一些研究已經(jīng)取得初步成效，如Qi等（2014)發(fā)展了利用瑞利 校正反射率反演藻藍(lán)細(xì)胞濃度的算法。盡管第二種思路具有更好的前景，然而迄今為止，仍 然沒(méi)有研究者將其用于高渾濁水體濁度的衛(wèi)星遙感反演。
[0006] 針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，由于近海高渾濁水體環(huán)境復(fù)雜多變，需要大量星地同步匹配數(shù) 據(jù)進(jìn)行遙感反演算法的建立和驗(yàn)證，匹配數(shù)據(jù)集應(yīng)包含盡可能廣的變化范圍。最新的具有 代表性的工作來(lái)自Dogliotti等（2015)，他們利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的波長(zhǎng)為645nm的離水輻射與 水體固有光學(xué)數(shù)據(jù)，建立了提取濁度信息的單波段半經(jīng)驗(yàn)算法，可以成功地實(shí)現(xiàn)中等以及 高渾濁水體濁度的反演，但其在應(yīng)用于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時(shí)，仍然受制于大氣校正不準(zhǔn)確的問(wèn) 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，通過(guò)構(gòu)建 瑞利校正反射率與水體濁度的關(guān)系，無(wú)需氣溶膠精確大氣校正，從而提高近海高渾濁水體 濁度的衛(wèi)星遙感反演能力，提升我國(guó)近海水質(zhì)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用水平。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，包括以下步驟，
[0010] 步驟一，通過(guò)觀測(cè)手段，獲取研究區(qū)域?qū)崟r(shí)的水體濁度；
[0011] 步驟二，選取與水體濁度同步的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配數(shù)據(jù)集；
[0012] 步驟三，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行云覆蓋篩選識(shí)別，提取無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟四；對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利大氣校正，獲取衛(wèi)星遙感反射率；
[0014] 步驟五，針對(duì)水色傳感器波段設(shè)置特征，利用與無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配的水體濁 度和衛(wèi)星遙感反射率，對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行波段分析，選取適合反映水體濁度信號(hào)的 波段或波段組合；
[0015] 步驟六，根據(jù)選取的波段或波段組合，利用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立衛(wèi)星遙感反射 率與水體濁度的關(guān)系式；
[0016] 步驟七，采用獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)建立的關(guān)系式進(jìn)行檢驗(yàn)，并優(yōu)化確定關(guān)系式中的各 項(xiàng)系數(shù)，獲得最適用研究區(qū)域的關(guān)系式；
[0017] 步驟八，將關(guān)系式應(yīng)用于衛(wèi)星圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)近海高渾濁水體的濁度的衛(wèi)星遙 感監(jiān)測(cè)。
[0018] 步驟二中的同步是指，在經(jīng)煒度一致的前提下，水體濁度測(cè)量時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲 取時(shí)間相差m分鐘以內(nèi)。
[0019] m= 15〇
[0020] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：1、本發(fā)明利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的水體濁度數(shù)據(jù)， 構(gòu)建瑞利大氣校正后的衛(wèi)星遙感反射率與水體濁度的關(guān)系，無(wú)需氣溶膠精確大氣校正，解 決了由于大氣校正失效導(dǎo)致的近海水域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，提高了遙感數(shù)據(jù)的利用 率；同時(shí)具有快速和簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，更適合于實(shí)際應(yīng)用；2、本發(fā)明能夠解決當(dāng)前海洋 水色衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)算法對(duì)近海高渾濁水體濁度信息提取的應(yīng)用失效問(wèn)題，使近海高渾濁水 體濁度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)成為可能；3、本發(fā)明繞開(kāi)當(dāng)前無(wú)法準(zhǔn)確估算氣溶膠大氣校正的問(wèn) 題，對(duì)海洋水色遙感研究是一個(gè)新的嘗試，為解決當(dāng)前我國(guó)近海水色遙感面臨的瓶頸提供 新的思路。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023] 如圖1所示，一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，包括以下步驟：
[0024] 步驟一，通過(guò)觀測(cè)手段，獲取研究區(qū)域?qū)崟r(shí)的水體濁度；
[0025] 步驟二，選取與水體濁度同步的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配數(shù)據(jù)集；
[0026] 這里的同步是指，在經(jīng)煒度一致的前提下，水體濁度測(cè)量時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí) 間相差m分鐘以內(nèi)，m根據(jù)實(shí)際情況而定；
[0027] 步驟三，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行云覆蓋篩選識(shí)別，提取無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
[0028] 步驟四；對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利大氣校正，獲取衛(wèi)星遙感反射率；
[0029] 步驟五，針對(duì)水色傳感器波段設(shè)置特征，利用與無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配的水體濁 度和衛(wèi)星遙感反射率，對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行波段分析，選取適合反映水體濁度信號(hào)的 波段或波段組合；
[0030] 步驟六，根據(jù)選取的波段或波段組合，利用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立衛(wèi)星遙感反射 率與水體濁度的關(guān)系式；
[0031] 步驟七，采用獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)建立的關(guān)系式進(jìn)行檢驗(yàn)，并優(yōu)化確定關(guān)系式中的各 項(xiàng)系數(shù)，獲得最適用研究區(qū)域的關(guān)系式；
[0032] 步驟八，將關(guān)系式應(yīng)用于衛(wèi)星圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)近海高渾濁水體的濁度的衛(wèi)星遙 感監(jiān)測(cè)。
[0033] 下面以G0CI衛(wèi)星為例，選取浙江近海為研究區(qū)域，具體步驟如下：
[0034] 步驟一，通過(guò)海上平臺(tái)、浮標(biāo)或者船測(cè)等觀測(cè)技術(shù)手段，獲取研究區(qū)域?qū)崟r(shí)的水體 濁度；
[0035] 步驟二，選取與水體濁度同步的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配數(shù)據(jù)集；在這里m取15 ;
[0036] 步驟三，根據(jù)不同波段信息和衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行陸地和云掩膜，去除對(duì)水體光學(xué) 性質(zhì)區(qū)域識(shí)別無(wú)用的像元，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行云覆蓋篩選識(shí)別，提取無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
[0037] 步驟四；對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用G0CI衛(wèi)星業(yè)務(wù)化處理軟件⑶PS進(jìn)行瑞利大氣 校正，獲取衛(wèi)星遙感反射率Rrc數(shù)據(jù)；
[0038] 步驟五，針對(duì)水色傳感器波段設(shè)置特征，利用與無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配的水體濁 度和衛(wèi)星遙感反射率，對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行波段分析，選取適合反映水體濁度信號(hào)的 波段或波段組合；
[0039]這里選取的波段包括B6和B6-B4，選取的波段組合包括（B6-B4)AB6+B4)、 (B6+B3)/B6/B3 和（B6-B3)/B6/B4 ;
[0040] 步驟六，參考現(xiàn)有濁度反演模型的形式，根據(jù)選取的波段或波段組合，利用統(tǒng)計(jì)回 歸分析方法，建立衛(wèi)星遙感反射率與水體濁度的關(guān)系式；
[0041] 關(guān)系式如下：
[0042]
[0043] 其中，T為水體濁度，X為選取的波段或波段組合，c。、Cl、c2為系數(shù)，通過(guò)T和X的 統(tǒng)計(jì)回歸分析獲得；
[0044] 步驟七，采用獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)建立的關(guān)系式進(jìn)行檢驗(yàn)，并優(yōu)化確定關(guān)系式中的各 項(xiàng)系數(shù)，獲得最適用研究區(qū)域的關(guān)系式；
[0045] 最適用研究區(qū)域的關(guān)系式為：
[0046]
[0047] 步驟八，將關(guān)系式應(yīng)用于衛(wèi)星圖像，得到濁度長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)空分布遙感反演產(chǎn) 品，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)近海高渾濁水體的濁度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。
[0048] 上述的監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的水體濁 度數(shù)據(jù)，構(gòu)建瑞利大氣校正后的衛(wèi)星遙感反射率與水體濁度的關(guān)系，無(wú)需氣溶膠精確大氣 校正，解決了由于大氣校正失效導(dǎo)致的近海水域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，使近海高渾濁水 體濁度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)成為可能，為解決當(dāng)前我國(guó)近海水色遙感面臨的瓶頸提供新的思 路。
[0049] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，其特征在于：包括以下步驟， 步驟一，通過(guò)觀測(cè)手段，獲取研究區(qū)域?qū)崟r(shí)的水體濁度； 步驟二，選取與水體濁度同步的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)建星地匹配數(shù)據(jù)集； 步驟三，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行云覆蓋篩選識(shí)別，提取無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)； 步驟四；對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利大氣校正，獲取衛(wèi)星遙感反射率； 步驟五，針對(duì)水色傳感器波段設(shè)置特征，利用與無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配的水體濁度和 衛(wèi)星遙感反射率，對(duì)無(wú)云覆蓋衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行波段分析，選取適合反映水體濁度信號(hào)的波段 或波段組合； 步驟六，根據(jù)選取的波段或波段組合，利用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，建立衛(wèi)星遙感反射率與 水體濁度的關(guān)系式； 步驟七，采用獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)建立的關(guān)系式進(jìn)行檢驗(yàn)，并優(yōu)化確定關(guān)系式中的各項(xiàng)系 數(shù)，獲得最適用研究區(qū)域的關(guān)系式； 步驟八，將關(guān)系式應(yīng)用于衛(wèi)星圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)近海高渾濁水體的濁度的衛(wèi)星遙感監(jiān) 測(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，其特征在于：步 驟二中的同步是指，在經(jīng)煒度一致的前提下，水體濁度測(cè)量時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí)間相差m 分鐘以內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，其特征在于： m=15〇
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種監(jiān)測(cè)高渾濁海水濁度的衛(wèi)星遙感方法，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的水體濁度數(shù)據(jù)，構(gòu)建瑞利大氣校正后的衛(wèi)星遙感反射率與水體濁度的關(guān)系，無(wú)需氣溶膠精確大氣校正，解決了由于大氣校正失效導(dǎo)致的近海水域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，提高了遙感數(shù)據(jù)的利用率；同時(shí)具有快速和簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，更適合于實(shí)際應(yīng)用。
【IPC分類(lèi)】G01N33/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105004846
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510382708
【發(fā)明人】丘仲鋒, 鄭鷺飛, 孫德勇, 王勝?gòu)?qiáng), 梁文希
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年7月2日