本發(fā)明涉及海洋遙感技術領域，涉及一種估算近海水體浮游植物粒級結構的衛(wèi)星海洋水色遙感方法。
背景技術：
海洋水色遙感在衛(wèi)星海洋遙感技術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、黃色物質等。水色遙感廣泛應用于海洋初級生產力的估計、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋動力學、海洋漁業(yè)開發(fā)和管理服務等方面的研究。
浮游植物粒級結構(psc)是一種用來描述水體中浮游植物本質特征的參數(shù)，具體指對不同粒級結構的浮游植物的測量與反演。在海洋生態(tài)和生物地球化學過程中，psc是浮游植物種群功能的一個重要指標。浮游植物的養(yǎng)分累積、光吸收、浮游植物生理學以及食物鏈等方面，都受到粒級結構大小的影響。因此，對浮游植物粒級結構以及其變化規(guī)律、機制的認識有助于更好地認識和研究海洋生態(tài)。同時，準確的psc現(xiàn)場測量也有利于海洋生物地理化學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、庫爾特計數(shù)法以及流式細胞儀等。這些方法的優(yōu)點在于能準確地測量浮游植物的粒徑大小，但是缺點是費時費力，而且不能獲得psc連續(xù)的時空變化。同時，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，進而影響到測量結果。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間內，能輕松地覆蓋相當大的區(qū)域，而且能達到一天數(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，利用遙感探測技術是解決獲取長時間、大范圍的psc信息的一個可行之徑。
psc遙感反演研究興于近20年，在過去的10幾年內快速發(fā)展。2014年國際海洋水色協(xié)調工作組(ioccg)報告的主題就是關于利用遙感獲取浮游植物的功能結構、粒級結構等內容。當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的模型。
基于濃度變化的模型指的是對各粒級結構葉綠素濃度的反演。假設在開闊大洋中，各粒級結構的葉綠素a貢獻比例與總的葉綠素a濃度之間存在顯著的指數(shù)關系。即在低濃度chla海域，小粒徑的浮游植物占據(jù)主導，在高濃度chla區(qū)域，則是大粒徑浮游植物處于主導地位。brewin等(2010,2015)建立了一個三成分模型來計算大西洋海域的psc葉綠素a貢獻比例，從而得到psc分布。devred等(2011)也使用了相同的模型，但是因為使用的數(shù)據(jù)與推導過程不同，得到了不同模型參數(shù)。hirata等(2011)基于冪指數(shù)關系，建立了一系列純經(jīng)驗模型來反演psc和七個浮游植物功能群落的chla貢獻比。varunan和shanmugam(2015)基于冪指數(shù)關系，提出一種基于總葉綠素a濃度和遙感反射率的新模型，得到psc分布，進而推導得到各粒級結構的吸收系數(shù)。
基于光譜響應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，光譜響應模型分為3個方向：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。kostadinov等(2009)基于冪指數(shù)關系，描述了水體懸浮顆粒濃度與粒徑的關系，并且建立了函數(shù)斜率ξ與γ之間的查找表。之后應用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，最終計算了不同粒徑大小范圍內的粒子濃度與總濃度的比例，得到了浮游植物粒級結構分布。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與獨立變量bbp，aph之間的一個多元回歸模型(sdm)。浮游植物吸收系數(shù)主要受到色素打包效應和色素濃度的影響。ciotti等(2002)認為粒級結構的變化能解釋aph光譜80％的變化，并建立了一個雙成分吸收模型，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。基于這種吸收模型，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)與浮游植物粒級結構之間的關系，建立了一個半物理模型，并基于modis數(shù)據(jù)庫反演得到粒級結構。organelli等(2013)基于地中海的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過最小二乘法，建立了浮游植物粒級結構chla濃度比例與吸收光譜四階導數(shù)之間的經(jīng)驗關系，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)場實測數(shù)據(jù)，基于總chla濃度與各粒級結構chla貢獻濃度比例之間的指數(shù)關系，結合遙感反射率，改善和建立了一種估測浮游植物粒級結構的經(jīng)驗性衛(wèi)星遙感新方法。然后將該方法運用到goci數(shù)據(jù)上進行分析與驗證，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特性的研究，海洋初級生產力的估算以及海洋生態(tài)等方面有著建設性意義。
技術實現(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構遙感反演模型存在的限制，通過構建浮游植物各粒級結構的chla濃度與總chla濃度、遙感反射率之間的指數(shù)關系，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構的遙感新方法，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用水平。
本發(fā)明采用的技術方案為：一種估算近海水體浮游植物粒級結構的遙感方法，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光譜儀等設備，獲取多種水體光學特性和水質參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)；
步驟2：采集與實測數(shù)據(jù)時空同步匹配的衛(wèi)星資料，提取并計算得到rrs數(shù)據(jù)。構建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)進行色素診斷分析，得到診斷色素的權重，并進一步計算得到不同粒徑對應的葉綠素濃度比例：
其中，pi為所選的不同的特征色素，wi是各特征色素對應的權重系數(shù)；p1,n為巖藻黃素的一部分，因為巖藻黃素部分會出現(xiàn)在微型浮游植物中，其計算公式如下：
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中計算得到的各粒級結構chla濃度，計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表示三種粒級結構的葉綠素a濃度；
步驟5：將650-750nm間的遙感反射率帶入方程，并計算得到相應的判決系數(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：對模型進行改進和驗證，并應用到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構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)，得到各個粒徑對應的chla濃度值；再基于冪指數(shù)關系，結合現(xiàn)場實測的遙感反射率數(shù)據(jù)，推導得到本地化的參數(shù)；最后將建立的模型應用到衛(wèi)星上，即可得出衛(wèi)星反演的psc時空分布信息。
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)場實測的水體光學遙感數(shù)據(jù)，構建了psc與遙感反射率、總葉綠素濃度之間的指數(shù)關系，提供了一種反演海水浮游植物粒級結構分布的水色遙感新方法。本發(fā)明具有一定的理論基礎和技術可行性，更適合于實際應用，促進了反演浮游植物粒級結構分布的衛(wèi)星遙感方法的發(fā)展；
(2)本發(fā)明能夠解決當前對于我國近海水體浮游植物粒級結構反演算法缺失的問題，拓展了水色遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用，提高了對于浮游植物粒級結構這一本質參數(shù)的獲取能力；
(3)本發(fā)明所應用的海域為近海高混濁水域，而這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特性信息，同時初步嘗試對黃渤海海域浮游植物粒級結構長時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構的水色遙感新方法，結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明，具體步驟如下：
1、通過調查船走航的觀測手段，利用現(xiàn)場儀器觀測技術，獲取水體光學特性和水質參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)。通過海上平臺架設的溫鹽深儀ctd、太陽光度計ce318、現(xiàn)場profilerii水體剖面光譜測量儀或便攜式asd光譜儀等設備，獲取多種水體光學特性和水質參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)等儀器設備，進行航次的長時間觀測，獲取水體溫度、鹽度和深度、離水遙感反射率、風速風向等資料。
2、采集與實測數(shù)據(jù)時空同步匹配的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構建星地匹配數(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，提取出相應的月合成遙感反射率數(shù)據(jù)，構建星地匹配的長時間同步數(shù)據(jù)集。為模型的建立、驗證、應用提供充足的數(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)作為其權重，結合各診斷色素對應的粒級結構，進一步計算得到基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的psc葉綠素濃度比例；
4、同時基于實測的遙感反射率以及總chla濃度，通過指數(shù)關系方程，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、對浮游植物粒級結構反演模型進行改進和驗證，并應用到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，促進開展水色遙感產品應用領域等工作的研究。
應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。