• / 5
  • 下载费用:1 下载币  

近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度遥感反演的算法综述

关 键 词:
近岸 水体 叶绿素 浓度 遥感 反演 算法 综述
资源描述:
福建水产,2009年3月第1期 F O.J 6.2009 近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度遥感反演的算法综述 张加晋 (福建海洋研究所,福建厦门,361012) 摘要:由于具有明显的时间与空间分辫率优势,遥感方法成为近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度(息 提取研究的重要技术之一。本文回顾了国内外叶绿素浓度遥感反演算法研究概况,分析其优缺点,并介绍 了利用卫星光学遥感数据反演叶绿素浓度的算法研究成果。并提出加强地面水文光谱实验研究,建立多光 谱叶绿素反演定量模式,以高分辫率和高光谱遥感融合数据为基础的叶绿素浓度定量遥感是今后的发展趋 势。 关键词:Ⅱ类水体;叶绿素浓度;遥感;反演 1 引言 一切浮游植物均含有叶绿素…,叶绿素是 海水中最具特色、并以一定方式影响海洋水色的 物质。叶绿素浓度(单位为mg/m’或 g/1)是 海洋中光能自养型植物——浮游植物存在数量的 一个重要指标,它从根本上反映了海洋生产力的 变化。海洋水色遥感中提取海水叶绿素浓度的目 的就是获取海洋初级生产力及研究海洋在全球碳 循环中的作用。 目前以遥感技术手段对叶绿素浓度进行反演 的主要方法是对遥感卫星影像数据进行大气校 正、几何纠正后计算出离水辐射率,根据反演得 到的离水反射率,利用不同的反演模式反演出海 水叶绿素浓度。其反演算法可分为两类,即经验 公式法和基于模型的解析算法 自“比值波段组合”为 基础的经验统计算法在度,成为业务上的主要算法[3'4],对于Ⅱ类水 体,选择合适的观测波段、增加光谱波段数均可 提高经验算法的精度 J,但本质上是区域性算 法,对水中组分的时空变化敏感。解析算法利用 生物光学模式描述水中组分与离水辐射之间的关 系,利用辐射传递模型模拟光在大气和海洋中的 传播。这些模式在海水的不同组分、大气的不同 状态下计算水面或大气顶op of t— 模拟光谱,然后建立反演算法,求 解海水叶绿素浓度。目前广泛应用的算法主要有 代数方法、非线性优化方法、主成分方法、神经 网络方法等I】 J。 2经验统计算法 经验统计算法是根据叶绿素,将现场实测的叶绿素浓度值与光学测量值 (如反射率或辐射率值)结合起来,并以某种形 式进行回归分析,得到回归系数,然后反过来计 算叶绿素浓度值。最简单的经验统计算法是 “蓝绿波段比值法”,但在Ⅱ类水体中,这种算 法的谱段和统计参数要根据具体水域和季节所采 集的实测数据来确定【1 ,精度不高。 随着传感器技术的发展,水色传感器设有更 多的通道,波段宽更窄,信噪比也更高,这些使 得经验算法的波段组合更为灵活多变,可进行多 元回归分析,发展了以下反演模式: c0+c1 bg(r )+(r|{)] 基金项目:泉州湾整治利用规划研究 作者简介:张加晋(1981~),男,研究实习员,硕士。联系方式:26. 建 水 产 总第120期 +c [1)]’ (式中R(i)/R( ),c0、c1、c2、系数。 这个算法在Ⅱ类水体可以得到相对较高精度 的反演值。刘大召等人 副利用珠江口叶绿素浓 度与一阶导数光谱值的三次多样式反演结果来 看,其R (决定系数)检验值可达到0.7815。 3解析算法 这种解析算法的共性是利用各种辐射传输模 型,如准单次散射近似等来模拟光在水体和大气中的 传播过程,并利用一种称为“生物一光学模型”来 确立各水色成分浓度与水体的离水辐射率(或反 射率)之间的对应关系。 1)代数法 代数法也称半解析型生物光学算法( 是用代数表达式 描述海洋水色与地球物理特征的相关性。这种方 法是按照一定周期测量的光谱数据,建立光谱特 征与水中各水色要素浓度之间的定量关系。在一 般算法中,用遥感反射率R 代替离水辐射率 。 .P【8 给出了 的表达式: 。 (A) f·t ·) 一 E (A,0 )Q(A)17, [a(h)+b (A)] (2—1) ,.+2 式中, 可近似看成一常数,口(A)是海 水总吸收系数,b (A)是总后向散射系数,它们是 水体中存在的不同吸收体和散射体的单个系数的 线性总和,二者都反映海水的固有光学特性 ( 后向散射系数与叶绿素浓度式表示 J: b(A=5500.3 (2—2) 根据(2—1)和(2—2)式,通过复杂的代换关 系可将 与叶绿素浓度代数法的优点是将叶绿素浓度的已知光学特 性和理论模型耦合起来,对特定的Ⅱ类水域的运 算结果较精确,但反演的物质浓度个数有限。 2)非线性最优化方法 这种方法也是先确定一个海洋水色模式,通 过调整作为输人参数的反演参数(即叶绿素、悬 浮泥沙、黄色物质等)的浓度 J ,重复计算与之 对应的辐射率值,使得模式计算所得辐射值与实 际所得的辐射率值之间误差 最小。 的表达 式为: =∑A( 一£m。a) (2—3) 式中: 表示卫星传感器测量得到的辐射 值; 。 表示根据模型计算得到的辐射值;∑表 示对所有波段求和。通常预设一个 收敛的阈 值来确定该迭代步骤是否结束。 应用非线性最优化方法研究海洋水色需要注 意两个方面:首先,设置预测模型的参数时要保证 将要反演的未知参量之间的相关性尽可能小,因 为在反演的未知量之间总是具有一定的自相关, 例如叶绿素和总悬浮物之间具有一定的相关性, 参数间独立性差,给反演结果解译带来困难,严重 时可导致函数模型病态,导致反演结果不可靠。 其次,初始条件的设定也相当重要,如果可能,应 该为每一个需要反演的未知量设定各自的上限和 下限,从而保证得到确切的最小值。这也是为防 止 出现许多最小值,即方程出现多个解,而且 还可以提高运算速度。 非线性最优化方法算法的优点是充分利用了 参数的先验信息,提高了算法的效率,能在模式中 体现海水的非线性特征,不依赖先验的模拟数据 集,易于区域化。缺点是可能导致无法得到反问 题的全局最优解。 3)主成分分析法 在所有研究海洋水色的算法中,都要考虑水 体对光的吸收和散射,因为它们对大气辐射测量 的影响很大。传统的方法是通过大气纠正来消除 水体对光的吸收和散射。主成分分析法的一个显 著特点是:可以将大气顶辐射率直接运用到模式 中,将大气参数和水体成分浓度参数都看作未知 量同时进行反演,而不必经过大气校正处理。 主成分分析法的基本思想是要得到大气顶部 光谱辐射和地球物理量之间的分段线性关系图。 该算法研究引出了光学权重系数的概念,并且与 多变量线性回归分析密切相关。因为不同波段的 光谱数据特征具有很大的相关性,所以需要一种 特殊的方法来研究Ⅱ类水体,主成分分析法就是 第加晋:近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度遥感反演的算法综述 45 可以减少这种相关性的方法之一… 。 对卫星测得的各波段辐射率(或反射率)数 据集进行主成分分析后,根据各因子(即任意几 个波段的一个线性组合)对总方差的贡献的大 小,可以确定任意几个波段的组合对水体成分反 演的影响程度,经过主成分分析后,各变量的计算 如下: P :∑|i} +A (2—4) 』 式中:P 为各反演产品,如色素浓度,气溶胶 光学厚度等,后 为第数,厶为卫星测得的第 为第主成分分析法将大气的光学性质作为反演公 式的附加变量来考虑。采用这种方法,可将海洋 水色传感器测量的大气顶部的光谱辐射数据作为 反演的初值。该方法不但可以测量大气的光谱性 质,还可以定量反演水体中三种主要成分(叶绿 素、黄色物质和无机悬浮物质)的特征,而且能够 根据水体内部不同的光学性质对算法进行调整。 该方法利用多光谱、多变量的数据可以区分水体 所含的不同组分,并且可以节约计算机运算时间。 主成分方法的主要优点是:①线性算法,简 单、稳定,运算快捷;②大气的影响自动体现在加 权因子中,不必进行大气校正;③可用区域光学模 式确定加权因子,进行优化。但实际上水色因子 与光谱辐射呈非线性关系,可将数据分段进行线 性分析,也可引入辅助变量表示非线性,采用多变 量准线性回归方法分析。 4)神经网络方法 神经网络技术可以根据一组测量数据(即浓 度和反射率)或者一组模拟数据集进行回归分 析。如果利用辐射传输模型的模拟数据集,需要 知道水体内部光学性质。线性或非线性回归分析 可以推导水体组分浓度和光谱辐射特征之间的关 系 。而且,还需要其它一些关于水体性质的假 设条件,如水体组分的垂直分布状况等。 一个神经网络在输入层和输出层包含大量的 节点,输入输出层之间有许多隐含层。提前输入 的神经网络,每一个层的节点都和前_输出层的 所有节点相关联。每一节点的输入值权重不同, 对其求偏导或者其它非线性逻辑关系求和,因此 输出值就和下一层的所有神经元有关。这种逻辑 关系特别适用于遥感研究,因为浓度的对数和反 射率的对数都遵循新的对数函数。因为每一个节 点有不同系数,所以人工神经网络可以描述任何 非线性关系。 在水色遥感应用中,通过某一水色模式得出 的辐射率作为输人,各种神经元的权重系数和偏 差是在该系统的学习或训练过程中,通过使模拟 辐射率数据时用到的各成分浓度与系统计算所得 出得浓度之间误差最小来确定得到的。 神经网络能够利用模拟大气顶部的辐射,或 者利用辐射被大气瑞利散射作用消元,使大气校 正合并为一个步骤。所以可以单独利用神经网络 进行大气校正,推导水体的光谱反射和辐射,作为 神经网络技术反演水体组分的分界面。这样两步 神经网络技术在相关文档中有详细描述。在这种 情况,球形辐射和可见光波段传播是根据大气顶 部的近红外波段推导得来。对于水体涡流,近红 外波段的离水辐射由高浓度悬浮颗粒物引起,在 模拟过程必须加以考虑。 利用神经网络方法反演得到的珠江口海域的 叶绿素浓度与实测值比较,决定系数是0.8848, 具有较高的反演精度_】 。 4反演算法比较 无论是经验统计法还是解析算法,算法模型 都具有一定的区域性,存在不能通用的问题。这 是由于Ⅱ类水体内部光学性质不稳定和近岸水体 复杂的水色因子成分组成等复杂因素引起的,与 一类水体的简单反演算法相比而言,二类水体的 反演算法需要更加复杂的数学函数和计算过程, 要处理更多的变量,在非线性反演算法中存在更 多的末知数。二类水体的反演需要更多的光谱信 息,也就是说,需要更多的光谱通道和更高的光谱 分辨率,某些应用领域还需要高光谱数据。提高 二类水体反演算法的精度的基本方法是同时调用 一些关于输出变量的相关信息。关于反演物理量 性质的统计关系(如最简单的回归方程)和物理 模型可以帮助获得正确的反演结果。 解析算法都需要生物光学模式作为输人,主 成分分析法和神经网络法也可以将有代表性的生 物一光学和现场数据作为输入,他们需要依赖模 福 建 水 产 总第120期 拟或训练数据。非线性最优化算法是最复杂、反 演精度最高的算法,也是运算耗时最长的算法。 以下给出Ⅱ类水体的叶绿素反演算法的主要特点 见下表1: 表1 1分析中可以看到,针对相对比较成熟,复杂性较低,在应用上被得到广 泛采用。而海洋水色卫星数据反演Ⅱ类水体的反 演算法正处于研究和发展之中,尽管研究Ⅱ类水 体的算法己经取得可喜的进步,但是要建立全球 通用的反演算法还远远不够,这些算法需要大加 改进以保证业务化的反演误差小于30%。为了 保证反演结果的精度达到能够解决实际问题的要 求,仍然需要继续研究更好的反演光学模型和提 高各种算法的研究程度。 5讨论与展望 以上总结和概括了目前利用遥感途径反演近 岸Ⅱ类水体叶绿素含量的主要算法。从目前对反 演应用需求来看,近岸Ⅱ类水体叶绿素的反演应 体现其光学特性的区域性和季节性变化。我国的 渤海、黄海、东海和南海近岸海域虽然同为Ⅱ类水 体,但水质及其光学特性差异很大,需要的反演算 法也会有差别。应当仔细研究各海区的异同,探 讨各海区光学特性的共性和个性,发展适应中国 近海特点的叶绿素反演算法体系。在此基础上, 可以发展海洋水色高光谱信息的多因子算法,研 究叶绿素、悬浮泥沙及黄色物质等水色因子对离 水辐射率的共同贡献的定量关系,发展水色多因 子反演模型。 同时,虽然目前遥感水色传感器设有较多的 通道,波段宽更窄,信噪比也较高。但由于近岸Ⅱ 类水体水色参数反演的特殊性,在实际应用上如 重点海域环境监测、海域整治、海域管理、海洋功 能区划等方面不但对遥感数据的光谱分辨率具有 较高的要求,同时也对其空间分辨率提出了更高 的要求。 参考文献 [1]李四海.近海海洋水的遥感机理及其应用[D].华东 师范大学,2001. [2]刘良明.卫星海洋遥感导论[M].武汉大学出版社, 20[3],. M].983. [4]0’ E,, G,et ].998,103:24 937~24 953. [5] R, B, H,et of ].of 988,93:10909—10924. [6].of in to J].988,93:10749—10768. [7],.of ].1期 张加晋:近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度遥感反演的算法综述 47 001,106:7163~7[8] L, R, P,et ma~on ].999,104:5403—5421. [9],,,et of of ].e- 001,22:249~273. [10] P,L, D,et .by ].Ap 999,38:3831~3843. [11],].1987,7(2):21~26. [12] V, H. in J].e 998,19: 957—979. [13] L. W.].1995,19:6864~6879 [14]of J].001,46:158—161. [15] R, M.R].003. [16] M, R.J].996,58:215~223. [17]傅克忖,曾宪模,李宝华,等.海洋生物一光学算法研 究[J].海洋与湖沼,8 997,238~ 244. [18]刘大召,唐世林,付东洋.珠江口水体叶绿素光谱反演研究[J].广东海洋大学学报,8 008,49—52. [19]沈春燕,陈楚群,詹海刚.人工神经网络反演珠江口 海域叶绿索浓度[J].热带海洋学报,4 005.38—43. 61012,or of a hl—a in in hl—a is be on 1
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:近岸Ⅱ类水体叶绿素浓度遥感反演的算法综述
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-63756.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开