（环境科学专业论文）modis大气校正及渤海水色时空分布特征研究.pdf

a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo fm a r i n es a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi st om e a s u r et h ed i s t r i b u t i o n o fc h l o r o p h y l lc o n c e n t r a t i o na n ds u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni nt h eo c e a n ，b y w h i c hw ec a nr e t r i e v em a r i n ep r i m a r yp r o d u c t i v i t y , k n o wi t sd i s t r i b u t i o nw e l l ，f i g u r e o u tm a r i n ef i s h e r gt h ec i r c u m s t a n c eo fb r e e d i n gr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lq u a l i t g e v a l u a t e st h es o i le r o s i o n ，k e e pp o r ta n dc h a n n e ls a f e a l lo ft h i sw i l lp r o v i d es c i e n t i f i c e v i d e n c ef o rt h ed e v e l o p i n ga n du t i l i z i n go fm a r i n eo r g a n i s mr e s o u r c e s t h e r ei sn om o r et h a n2 0p e r c e n tm a r i n er a d i a t i o ni nt h er a d i a t i o nc a p a c i t y r e c e i v e db ys a t e l l i t es e n s o r s s o ，a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o ni sak e yl i n ki nc h l o r o p h y l l r e t r i e v i n gc o a r s e 。b e c a u s et h el e a v i n gw a t e rr a d i a n c er e t r i e v e di sl e s st h a nz e r o ，t h e t r a d i t i o n a la t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nd o e sn o tm e e tc h i n e s eo c e a n sn e e d s w h a t sm o r e t h ed e n s i t yo fs u s p e n d i n gs u b s t a n c ei nc h i n e s em a r i n es p a c ei sv e r yh i g h ，w h i c hl e a d s t ot h ed i f f i c u l t yo fc h l o r o p h y l le x t r a c t i n g s o ，t r a d i t i o n a la l g o r i t h mi sn o ts u i t a b l ef o r c h i n e s e0 c e a n i nv i e wo ft h i s ，t h ea r t i c l ea d o p t st h et h e o r yo fs p e c t r u mo f t r a n s p o r t a t i o na n dt h e a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nw a y sf o rs e a w i f s “c l e a nw a t e r c a s e1 1w a t e r t a k e st h ea e r o s o l r e p e a t e ds c a t t e r i n g ，w h i c hw e r en e g l e c t e db y g o r d o n st r a d i t i o n a l a t m o s p h e r i c c o 玎e c t i o nw a y , a n do z o n ed a t a ( m o d 0 7 ) a n ds oo n ，i n t oc o n d i t i o n ，i m p r o v e sa n d a p p l i e s i ti n t ob o h a is e a sm o d i sd a t af o ra t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n ，a n dg e t st h e l e a v i n g w a t e rr a d i a n c ea f t e rr e c t i f y i n go fb o h a is e a c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e ， t h i sn e ww a ye l i m i n a t e st h ea r e a sw h o s el e a v i n g w a t e rr a d i a n c ei sb e l o wz e r o w h a t s m o r e ，w ec a l c u l a t em o d l sd a t ao fb o h a is e aa c c o r d i n gt ot h er e c t i f y i n ga l g o r i t h m so f o c 3c o u n t i n gw a yf o rm o d i sc h l o r o p h y l lr e t r i e v i n gb yt h ef i r s ti n s t i t u t eo f o c e a n o g r a p h y , s t a t eo c e a n i ca d m i n i s t r a t i o n ，a n dg e tt h er e t r i e v i n gi m a g eo fb o h a is e a i nf o u rs e a s o n s a n a l y z i n gt h e s et w oo nt h eb a s i so ft i m ea n ds p a c e ，w ec a l lg e tt h e i d e n t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc h l o r o p h y l ld i s t r i b u t i n gi nb o h a is e a a st h es a m et i m et h e a r t i c l et a k e sd o c t o rl i a oy i n g d i ss u s p e n d e ds e d i m e n ta l g o r i t h m sa n da n a l y z i n gt h e d i s t r i b u t i o ni nt i m ea n ds p a c e ，w h i c hs h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o nh a sa ne v i d e n td e p e n d e n c eo nt h ep o s i t i o na n ds e a s o n s p r a c t i c ep r o v e st h ei m p r o v e da t m o s p h e r i cc o r r e c t i o nw a yc o r r e c ta n dr a t i o n a l ，a n d 1 l i ts u p p l i e san e ww a yf o ra t m o s p h e r i cc o r r e c t i o no fm o d i sd a t a t h ed i s t r i b u t i o no f c h l ac o n c e n t r a t i o na n ds u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni nt i m ea n ds p a c es e r v i c e sf o r t h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y so c e a nc o l o rs a t e l l i t e sa n dr e s e a r c h e ro ft h e i rn e w a l g o r i t h m s m e a n w h i l e ，i tp r o v i d e st e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to f c o a s t a lz o n e k e yw o r d s ：m o d i s ；m a r i n er e m o t es e n s i n g ；c h l o r o p h y l la ：a t m o s p h e r i c c o r r e c t i o n ；s u s p e n d e ds e d i m e n t t i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士，硕士学位论文 ：m q 娶! 墨太置撞正星渤遘壅注坐鱼啦窒坌查撞延堑 究”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人 或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：脊件岔a 年；月以日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保吾梦e 九请在以上方框内打) 敝储群：荐识别催名 日期：。年月 日 第1 章绪论 1 1 叶绿素遥感研究的目的和意义 随着城市化与工业化的发展，污水的排放量逐年增加。2 0 0 5 年，陆源排海污 水总量超过3 1 7 亿吨，比2 0 0 0 年增加约9 6 亿吨1 1 】。此外海上船舶，石油平台排污 以及废弃物倾倒也有大量污染物入海，仅1 9 9 9 年共排放含油污水3 t 7 4 5 万吨f 2 j 。 污染不仅影响人体健康，生物亦受感染。海域污染己产生严重后果，如大连湾先 后有十多处海参、扇贝、海带养殖场因污染报废，年经济损失达3 5 0 0 万元，若干 河口区经济鱼类基本绝迹，长江及东海沿岸排污己危及我国最大的渔场舟山渔场 【3 1 。由于工业、生活污水的排放，农田化肥的淋失，致使沿海岸的海水含有大量的 无机氮、无机磷等营养素和许多可溶性有机物，形成水体富营养化，这些为海洋 藻类生长繁殖提供了良好的生存环境。在我国沿海，如渤海湾至南海沿岸均有多 次赤潮发生，尤其是1 9 9 8 年3 、4 月间，在珠江三角洲和香港沿岸，7 月在杭州湾， 9 月在渤海发生了严重的赤潮，对沿海生态系统产生了很大的危害，使经济受到了 巨大的损失f 3 8 。赤潮的发生严重破坏了渔业资源，恶化海洋环境。防止海洋污染， 保持生态平衡，以保证人类正常的生活环境，是现代科学及社会最重要的问题之 一0 一百多年来，人们努力探索和研究海洋，海洋水色的资料的获取采用常规的 研究方法，主要是通过人工逐点采样、然后在实验室中进行分析，利用分析数据， 采用单一参数指数法或多参数的综合评价法进行水质的评价。然而，由于海上测 点的稀疏，所获得的测量资料不能覆盖全球大部分海域【6 】。而且这种调查方法速度 慢、效率低、周期长，费时、费力、不经济，且只能获得在时间、空间分布上都 很离散的少量点的数据，而河口海岸地区水流情况复杂多变，悬浮物含量的时间 变化率很大，这种在时、空分不上很离散的采样数据对眈精度很差，这样得到的 有关海洋环境和海洋过程的同步性与实际相差甚远。由于海洋结构除了连续性， 还具有明显的分散性，海洋的各种参数具有空间分布的不均匀性和时间上明显变 化的特点，所以在解决很多重大的海洋问题时，必须连续获得大范围水域，甚至 全球大洋的海洋学和气象学的同步资料。海洋水色卫星遥感为研究海洋生态系统 以及海岸带科学管理提供了带有革命性的关键科学技术i ”。 卫星遥感技术的发展使这一状况得到了彻底的改观，遥感具有大尺度快速同 步的特点。所获得的海洋水色，都是在几秒至几十秒，或更短的时间内瞬时同步 扫描或摄制的。这种瞬时同步影像，对于研究海洋水色的变化，是非常直观和有 用的资料。采用遥感定量的技术能迅速的获得大面积海域的水色资料，瞬时同步 性好，重复获得数据的周期短，能有效的监测海洋水色的在某海域的分布和动态 变化，克服了常规方法的不足，具有不可替代的优越性。而且随着遥感技术的不 断发展和水质参数光谱特征及其算法的不断深入研究，遥感监测水质逐渐从定性 发展到定量，并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增多。 通过海洋遥感获取的海洋叶绿素数据，从近岸应用角度讲，可以掌握海洋初 级生产力的分布、海洋渔业以及养殖业资源状况和环境质量等，为海洋生物资源 合理开发和利用提供科学依据，同时也为海洋环境监测、环境保护、管理执法提 供数据依据，也为今后进一步发展我国海洋空间探测积累经验，奠定科学技术基 础【7 9 】。从全球应用角度讲，可为海洋生态环境的评价与预测以及全球气候变暖的 深入了解提供有效途径。近些年来，我国沿海赤潮频繁发生，海洋遥感已经成为 海洋赤潮监测的一种最重要的技术手段【5 l 。 水体中悬浮泥沙也是海洋水色最重要的参数之一。其大小，尤其是含沙量的 大小直接影响水体透明度、浑浊度和水色等光学性质，正确估算水土流失，电影 响水生生态条件和河口海岸带冲淤变化过程【1 0 。1 3 j 。因此悬浮物含量的调查对掌握 河口海岸带的水质、地貌、河口沿岸及近海水域水体含沙量的分布，分析海岸冲 淤变化，估算河流入海物质通量以及为港口建设、航道安全【1 0 - ”】等都具有重要意 义。 1 2 海洋水色遥感的发展 1 21 国外海洋水色遥感发展现状 从2 0 世纪7 0 年代末以来，随着空间地球观察技术的发展，海洋水色遥感日 益显示出巨大的潜力f 1 4 - 1 8 。1 9 7 8 年美国国家宇航局( n a s a ) 发射了装载有海岸带 水色扫描仪( c z c s ) 的n i m b u s 。7 号卫星，一直工作到1 9 8 6 年，c z c s 的8 年成 功获取高质量的图像，它首先揭示了全球性海区水色的时空分布和变化图，它的 应用证明了从卫星获取浮游植物色素浓度等海水成分的町行性及巨大的潜在价 2 值，极大地推动了新型海色传感器的研究。随后1 9 9 6 年3 月德国和印度发射了 m o s ：1 9 9 6 年8 月日本发射了装有海洋水色和温度扫描仪( o c t s ) 的a d e o s 一1 号卫星，运行了1 0 个月，可惜1 9 9 7 年7 月失效；法国于1 9 9 6 年8 月发射了p o l d e r ； 1 9 9 7 年9 月美国紧接着又发射了配置有s e a w i f s 的专门海洋水色卫星s e a s t a r ， 传感器有8 个波段和一个空间分辨率为1 3 k m 的l a c ( i m c a l a r e ac o v e r a g e ) 或者是 4 k r a 的o a c ( g l o b a l a r e ac o v e r a g e ) ，它的时间分辨率为两天，同时它具有低噪声、 高灵敏度、合理波段配置和倾斜扫描等功能，是m o d i s 之前国际上最先进的海洋 水色卫星。m e r i s 是欧空局2 0 0 2 年3 月1 日发射的环境遥感卫星( e n v i s a t ) 上 搭载的一种传感器，主要用于海洋和海岸带的水色监测。分别于1 9 9 9 年1 2 月1 8 日和2 0 0 2 年5 月4 日发射的t e r r a 和a o u a 卫星上携带的中等分辨率成像光谱 仪m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) ，m o d i s 的通道设置与 s e a w i f s 非常相似，但更有助于提高其大气修正算法的精度。m o d i s 水色产品反 演算法和s e a w i f s 类似，但由于其光谱分辨率高，因而其接收数据的可靠性更高。 m o d i s 可将一类水体和二类水体算法明确加以区分，并分别计算得到各类算法所 获得的产品，冈而数据更具有可比性。 国际上主要的海洋卫星水色传感器如表1 1 1 2 2 我国海洋水色遥感的发展 2 0 世纪8 0 年代以来，我国的海洋水色遥感研究取得了较大的发展【1 2 , t 92 1 】。我 国于1 9 7 8 年和1 9 8 9 年分别发射了f y - 1 a 和f y - 1 b 卫星，其中都配置了2 个海洋 水色通道的高分辨率的扫描辐射计v t t r s r ，虽然2 颗卫星的寿命不长但首次利 用中国自己的卫星获得了海区较高质量的叶绿素浓度和悬浮泥沙浓度的分布图。 2 0 0 2 年发射了第一颗海洋实验卫星h y - 1 ，其上搭载有c o c t s 水色扫描装置，它 主要是用于探测海洋水色要素( 叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度和可溶性有机物浓度) 和温度场等。并将海洋一号卫星用于海洋资源开发与管理、海洋环境监测、海洋 灾害监测、海洋科学研究及国际与地区合作等多个领域，并取得了初步成果，大 大地促进了我国海洋水色遥感的研究与应用。在未来的几年里，将有 几颗卫星 i 利时对整个海洋进行观测，共同为利用和保护我们的海洋做出贡献。 同时对整个海洋进行观测，共同为利用和保护我们的海洋做出贡献。 袁1 1 卫星上的海洋水色传感器 1 4 - 1 6 2 0 i t a b l e l i o c e a n c o l o r s e n s o r o n s a t e l l i t e s 竺兰里窒兰墨 兰翌! 竺：燮鲎兰垦竺兰竺兰! c z c su s a n i m b u s 一7 o c t s j a p a n a d e o s p o l d e rf r a l i c ea d e o s m o s g e r m a n y i r sp 3 m o s g e r m a n y p r i r o d a s e a w i f su s ao r b v i e w - 2 o c l j a p a n r o c s a t - 1 m o d i su s ae o sa m 1 m i s r u s ae o s a m 1 0 c mi n d i ai r s p 4 g l i j a p a n a d e o s - 2 m e r i s e u r o p e e n v i s a t - 1 o s m ik o r e ak o m ps a t p o l d e r 一2f r a n c ea d e o s 2 s - g l i j a p a n a d e o s - 3 o c c t sc h i n ah y - 1 2 4 1 0 7 8 2 2 6 8 6 1 7 8 9 6 1 7 9 7 1 7 8 ，9 6 1 n | 2 1 b 悖6 2 3 # 4 9 6 1 8 9 7 1 9 9 9 - 8 1 9 9 9 8 1 9 9 9 8 1 9 9 9 5 2 0 0 0 6 2 0 0 0 1 1 1 9 9 9 8 2 0 0 0 6 2 0 0 3 - 3 2 0 0 2 1 5 5 68 2 564 3 3 1 2 5 0 0 1 4 0 07 0 01 2 2 4 0 06 k m9 2 0 05 0 01 8 8 56 5 01 7 2 8 0 61 1 0 08 6 9 0 8 2 5 6 2 3 3 0 2 5 0 0 - 1 0 0 3 6 3 6 0 2 5 04 1 4 2 0 3 6 08 1 6 0 02 5 0 1 0 0 0 3 6 1 1 5 03 0 0 1 2 0 01 5 8 0 0 8 5 06 2 4 0 06 k m9 1 6 0 0 7 5 01 1 1 6 0 0 1 1 k m1 0 4 0 2 1 2 5 0 0 4 4 3 9 1 0 4 0 8 1 6 0 0 4 0 8 。1 0 1 0 4 0 2 8 5 5 4 3 3 1 2 5 0 0 4 0 5 - 1 4 3 8 5 4 4 6 8 6 7 4 0 2 8 8 5 3 7 5 - 1 2 5 0 0 4 1 2 1 0 5 0 4 0 0 9 0 0 4 4 3 9 1 0 4 1 2 8 6 5 4 0 2 1 2 5 0 1 ，2 3 国内外海洋水色研究状况 海洋水色变化是常见的海洋现象之一，也是人们用来描述海洋环境和现象的 一个重要参量，世界上不少海区以其水色而得名，如渤海、黄海、黑海1 2 2 1 等。本 文水色遥感的研究主要以近岸及近海i i 类水体的叶绿素和悬浮泥沙为研究对象。 自从7 0 年代以来，海洋水色遥感的基础研究工作绝大部分圈绕建立悬浮泥沙 遥感定量模式和算法以及叶绿素遥感算法研究开展。早在1 9 7 0 年c l a r k 等人【2 2 j 首 先提出用最大吸收波长和最小吸收波氏处的水体辐射比值估算海洋表层叶绿素含 4 量的概念以及1 9 7 7 年n e v i l l e 和g o w e r 通过对叶绿素荧光光谱研究提出6 8 5 n m 波 长的激光峰测定海面叶绿素的新方法荧光高度法f 1 9 , 2 2 j ，从而激发了美国n a s a 海 岸带水色扫描仪( c z c s ) 计划的产生和国际上卫星水色遥感研究的兴起。成立于 1 9 8 4 年的国际卫星对地观测委员会( c e o s ) 在1 9 9 6 年授权签署建立了国际海洋 水色协调工作组( i n t e m a t i o n a lo c e a nc o l o rc o o r d i n a t i n gg r o u pi o c c g ) ，其主要职责 在海洋水色领域成为数据提供者和用户之间联系的桥梁，提供海洋水色用户的共 同需求，在海洋水色数据获取、定标、验证、分发和使用方面进行国际间协调等 方面的工作 2 3 】，大大促进了海洋水色遥感的发展。 到目前为止，水色遥感针对大洋的一类水体进行研究，取得了较大的进展， 已经有统一的模型运用于全球大洋的水色提取研究。主要的经验算法【9 , 1 6 2 4 - 2 6 l 如下： 1 1g o r d o n 双通道法 g o r d o n 等提出的适合于i 类水体的双通道算法，利用绿( 5 2 0 n r r 9 5 5 0 n m ) 与 蓝( 4 4 3 n m ) 波段的比率来确定叶绿素的浓度，这比值反映了随叶绿索浓度增加 海色由蓝到绿的变化趋势： c 1 = 1 1 3 l 。( 4 4 3 ) “( 5 5 0 ) 1 “7 1( 1 1 ) c 2 = 3 3 3 l 。( 5 2 0 ) l 。( 5 5 0 ) 1 。2 4 4 ( 1 2 ) c = c 2 当c 2 ，c 1 1 5 ( m g m 3 ) c = c ，其他情况 2 ) c l a c k 三通道算法 c = 5 5 6 x ( k 。+ l 。2 ) l 。3 】_ 2 ”2( 1 3 ) g o r d o n 算法在c = 1 5 m g m 3 处产生跃变，使色素浓度直方图产生畸变，并影 响了色素浓度的统计特性。c l a c k 算法能产生较平滑的叶绿素浓度分布。 3 ) k 算法 a u s t i n 等人介绍了上层水域( 第一衰减深度) 漫射率减系数和算法。该算法在 大气校正准确的条件下，精确可达到船测量的精度。 k ( 4 9 0 ) = 0 0 2 2 + o 0 8 8 3 上。( 4 4 3 ) l 。( 5 5 5 ) 1 1 。”1( 1 4 ) k ( 5 2 0 ) = 0 0 4 4 + 0 0 6 6 3 1 l , 。( 4 4 3 ) k ( 5 5 5 ) 1 。”8 ( 1 5 ) 式中，l 。= ( n 2 k ) 0 一p p ) ) ，月为折射率，p 为海面反射率。 多通道法的优点是：一可消除因太阳高度角、观测角不同造成的误差；二可 部分地抵消大气效应。 4 ) m o d i s 的经验算法 满足m o d i s 的生物光学经验产品的基本形式为： y ；监垫：! 塑! 监坠! 兰! 虫鱼鱼! ：塑竺 w 2 ，5 5 0 ) ( 1 6 ) 式中的中间参变量 x ；坠垒! 塑2 堡血竖! ! ! 殳! 丝塑坠! 型( 1 k ，( 岛：，5 5 0 ) 7 ) ( a ) 是由式l w q ) = 工。( z ) e x p ( 一( 生字) + ( 旯m 苌) 定义的标准化离水辐射 度，a = 4 9 0 r i m 为m o d i s 的第i 个波段，波段9 、1 0 、1 1 和1 2 的中心波长分别是 4 4 3 n m 、4 9 0 r i m 、5 3 1 n m 和5 5 0 r i m ，a 、b 、c 、d 和e 是回归系数，常数a 、b 、c 是0 或1 ，它们用来对不同产品选择波段。这种算法用于计算在第1 类水体条件下 的如下产品：c z c s 色素( 叶绿素a 和褐色素) 、s e a w i f s 色素( 叶绿素生物量) 、 叶绿素a 和漫衰减系数以( a 一4 9 0 r i m ) 。 5 ) 绿比值经验算法 蓝绿比值经验算法是利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰从 蓝波段向绿波段偏移的机理二提出的。最初是用来处理和解释c z c s 图像的。实 践证明，此方法对i 类水体来说很有用。蓝绿比值建立的基础是离水辐射度的高精 度海上现场测量和色素浓度的同步测量。为了方便耦合测量数据，常用色素浓度 ( 或叶绿素浓度) 表示浮游植物生物量。 尽管类水体取得了较大进展，但是由于二类水体的复杂性，通过水色卫星 资料反演叶绿素浓度的标准算法对二类水体并不适用。到目前为止，对二类水体 叶绿素信息提取还没有统一的模式或可靠的模型参数，即使在同一地区电是如此， 而且大多是在前人的基础上改进的模型【州。目前正在运用发展的模式算法主要有 代数方法、非线性优化方法、主成分方法和神经网络方法旧簿2 9 l 等。 悬浮泥沙遥感研究方面，早在l a n d s a t 1 刚刚发射成功，w e i s b l a t te a 和y a r g e r h l 等就提出了用l a n d s a t 一1m s s 遥感数据定量计算水体悬浮泥沙含量的统计模 型，这无疑是最早采用陆地卫星影像进行的遥感定量工作之一，此后很多学者在 这方面进行了很多实验，采用的遥感手段有m s s 、t m 、a v h r r 、c z c s 、s e a w i f s 、 m o d i s 和m e r i s 等传感器，采用的方法有相关分析、回归分析等方法。k l e m a s 等人在1 9 7 4 年采用l a n d s a t 多光谱扫描仪m s s 数据探测d e l a w a r e 湾的悬浮物浓 度，r o b e rj v o s 等尝试在北海地区建立了数据集成模型用以监测该海区悬浮物的 季节变化【6 , 2 2 , 3 0 1 。h i r o s h ik a w a m u r a 等【3 2 】利用o c t s 数据对亚洲区域的海洋水 色进行了研究。 我国海洋水色遥感的基础研究起步较晚，一些研究者从2 0 世纪八十年代初期 开始在沿海地区进行海洋水色遥感定量研究，基于信息源及研究手段的限制，绝 大部分利用陆地卫星( m s s 、t m 、s p o t ) 和气象卫星( n o a a ) 多时相遥感图像，近 年来随着s e a w i f s 、m o d i s 和m e r i s 等卫星遥感传感器的升空，大多数都用专 门的水色遥感卫星图像，根据特定区域的现场实测资料( 与卫星同步或准同步) 建立 统计相关关系，对我国沿海水色进行相关研究，并对某些海域的浓度分布做了有 关的特征分析。 1 9 7 9 年国家海洋局第一海洋研究所及第二海洋研究所等单位先后在青岛胶州 湾、长江口及杭州湾开展航空遥感实验，取得了叶绿素等遥感信息【2 2 1 。1 9 8 0 年， 由中国科学院组织的天津、渤海湾地区环境污染航空遥感联合实验也取得了叶绿 素的遥感信息。“七五”期间重点开展了海洋水色遥感技术与模式研究，取得了重 要成果：在全面测试海洋浮游植物光谱吸收曲线和海水反射率光谱曲线的基础上， 发现不同海区的叶绿素含量与海水光学性质变化有关，并提出了6 8 5 n m 波段的荧 光效应。特别是近些年，随着众多的海洋水色卫星的升空以及国家对海洋开发利 用力度的增加，有关海洋i i 类水体叶绿素的研究明显增多。陈楚群等【33 】利用 s e a w i f s 数据，s e a d a s 的叶绿素a 浓度估算模式，做了南海海域叶绿素浓度分布 特征的卫星遥感分析；陈晓翔【3 4 】等利用s e a w i f s 数据估算珠江口海域表层叶绿素 浓度的研究，丛巫福等【3 5 1 利用海洋卫星h y - 1 数据和n d p i 算法获得大面积的叶绿 素a 的浓度；邹亚荣，邹斌【3 6 】等做了渤海叶绿素季节g i s 空闻分析；黄海清，何贤 强，官文江等【3 7 - 3 8 1 也做了相关的叶绿素方面的研究工作。 国内悬浮泥沙方面的研究，1 9 8 0 1 9 8 1 年期间，恽才兴等选择长江口幅 l a n d s a t - 3m s s 遥感图像胶片数字化的灰度值，直接与地面同步水文测验的表层水 体含沙量建立相关关系1 2 烈。 1 9 8 3 1 9 8 5 年期间，国家海洋局组织有关单位对“六五”国家科技攻关项日“遥 感技术在海洋环境与资源调查中开发的研究”进行安排时，专门组织力量选择长 江口及杭州湾两个海区对悬浮泥沙遥感定量模式进行科技攻关。在技术路线上， 提出了含沙水体反射率或反射函数f ( r ) 概念。通过理论计算、含沙水体光谱发射率 实验测试及现场同步测量数据验证相结合的方法，分别获取了三种不同信息源的 悬浮泥沙遥感定量模式： 气象卫星a v h r r 第- - 通道( o 5 8 0 6 8 u m ) j 匿感图像定量模式； 陆地卫星m s s 多波段比值逐步回归模式； 陆地卫星t m 多波段反射率与水体悬浮泥沙经验关系式。 1 9 8 6 1 9 9 0 年“七五”国家科技攻关兢间，国家海洋局第一海洋研究所以长江 口及黄河口含沙水体为研究对象，以海洋光学理论为基础，以实验室和现场测量 为手段，着重讨论含沙水体的固有光学性质、反射率波谱特征和最佳遥感波段， 在此基础上提出适合于我国河口高浓度含沙水体遥感定量模式和基本算法。在此 期间，李京等利用n o a a 卫星的a v h r r 数据监测杭州湾海域悬浮泥沙含量时 空分布，并探讨了水域悬浮固体含量的遥感定量模式。胡嘉敏等1 2 2 1 于1 9 8 7 年6 月 在渤海湾大口河海区亦采用n o a a 卫星过境地面同步实测含沙量资料，建立了适 用于渤海湾海域的悬浮泥沙遥感定量模式。赵太初利用l a n d s a tm s s 和t m 遥感影 响信息结合实测含沙量数据建立了闽江口的悬浮泥沙遥感定量应用模式1 2 “。 近年来，潘德炉院士等以s e a w i f s 数据建立了反映中国海岸带悬浮泥沙特征 的监测模型1 9 】；李四海等【3 9 】在长江口以a v h r r 、s e a w i f s 数据对泥沙进行监测， 建立了该区域的监测模型；唐军武等根据2 0 0 3 年春季黄东海水色联合实验中获 取的高质量现场数据，建立了由遥感反射率反演三要素浓度的神经网络( n n ) 模 型，取得了较理想的结果；廖迎娣等运用潘德炉院士的模型进步推导了利用 p 。( x ) 来得出悬浮泥沙含量的公式并得到长江 j 的泥沙监测图。 尽管我国海洋水色发展较快，在我国沿海海域做了大量的研究工作，但对渤 海海域水色浓度分布的研究较少，而且一般是局部的研究。到目前为止，公开发 表对整个渤海海域水色浓度分布的研究的文献来看，邹亚荣等【5 7 1 做了渤海叶绿素 浓度分布的研究，李四海的博士论文1 2 2 l 做了叶绿素与悬浮泥沙。 1 3 国内外大气校正算法研究 由于海洋水色卫星传感器接收到的辐射能量8 5 以上来自大气的干扰，而来 自海面的辐射率不到1 5 【2 7 , 3 4 , 4 1 掣l ，因此在海洋水色遥感中，关键就是如何准确地 去除大气对传感器探测到的辐射率的影响，这一过程通常被称为大气校正【4 3 1 。 g o r d o n l 4 1 】和w a n g 4 3 】开发了针对s e a w l f s 资料的大气校正方法，并被写入s e a d a s 软件包里。由于这种算法在处理浑浊水体的s e a w i f s 资料时存在一些问题，其大 气校正模块不适台浑浊水体的特定条件。鉴于此种情况，国内外专家根据所研究 区域的不同，提出了多种大气校工f 方法【4 4 郴】。在国外1 9 9 6 年l a n d 和h a i g h 等， 1 9 9 9 年s i e g e l 等，2 0 0 0 年r u d d i c k 等仅用6 7 0 ，7 6 5 和8 6 5 s e a w i f s 波段评估气溶 胶散射率的方法，开发出不同的适合浑浊水体和内陆湖泊的大气校正算法；美国 s t e n n i s 空间中心的a r n o n e 迭代法i d o e r f f e r 等人提出的神经网络n n 法等。k r a w c z y k n e u m a n n 等提出的主成分分析p c a 方法等在国内，潘德炉、毛志华等利用光谱 辐射传输理论，结合海上同步实测资料，开发出我国海区s e a w i f s 资料的大气校 正模型；韦钧，陈楚群等提出了一种实用的二类水体s e a w i f s 资料的大气校正方 法：何贤强等利用4 1 2 波段来评估8 6 5 波段的气溶胶散射的方法，开发出一种适 合浑浊海域和内陆湖泊的s e a w i f s 大气校正方法。 1 。4 本文的工作路线： 渤海海域水色信息的提取，首先是m o d i s 数据大气校正，大气校正主要是 m o d i s 传感器接收到的总辐射信号除去大气辐射的影响，这里主要考虑了瑞利散 射，气溶胶散射和多次散射，最后剩下来自带有海洋水体信息的辐射，然后运用 经验的叶绿素和悬浮泥沙信息提取模型，在s e a d a s 提供的自定义编程环境下运用 i d l 语言编程，实现叶绿素和悬浮泥沙信息的提取。研究技术路线如图1 1 去除瑞利散射 囊面禹i 订么刊兰竺兰竺竺坚翌 总辐射除、r 去除多次散射 去除臭氧等影响 大气校正 后的离水 辐射率 叶绿素提取卜刊叶绿素分布图 ；兰堂望兰堡竺h ! 竺量坌皇里 图1 1 研究技术路线 f 培1 - lt h es t r u c t u r eo fr e s e a r c h 1 。5 本论文的主要工作 中等分辨率成像光谱仪( m o d i s ) ，在1 9 9 9 年发射以来在海洋水色的研究上已 经做出了巨大贡献。通过s e a d a s 软件对m o d i s 数据可以很方便的对一类水体进 行大气校正和水色提取，而且取得较好效果。但对于二类水体，特别对于我国的 沿海的水色提取，由于其悬浮物浓度过大等特征，s e a d a s 软件对沿岸二类水体 水色的提取无能为力。即使有一些经验算法也都是基于s e a w i f s 的算法，这对于 m o d i s 数据对我国沿海的应用是个瓶颈。本文根据光谱辐射传输理论及适用于 s e a w i f s 的“清洁水体”二类水体大气校正方法理论，将考虑了g o r d o n 的传统大 气校正方法所忽略掉的大气分子与气溶胶相互作用的多次散射，并结合m o d i s 标 准产品中的气溶胶产品( m o d 0 4 ) 、臭氧( m o d 0 7 ) 等信息，将其改进运用到渤 海海域的m o d i s 数据的大气校正处理，通过与s e a d a s 软件传统处理的离水辐射 率进行比较，试图得到较理想的效果。在此基础上，利用经验的叶绿索和悬浮泥 沙提取算法，提取渤海海域的叶绿素和悬浮泥沙的信息，并对渤海的叶绿素和悬 浮泥沙的时空特征进行分析。 本文的主要工作： l ，本文首先介绍了海洋水色提取的目的和意义，然后系统的介绍国内外海洋 水色遥感的发展、研究进展以及大气校正研究的进展情况。 2 论述了海洋水色遥感的基本原理，包括水体分类、海洋水色遥感机理、水色 遥感的物理基础等。 3 大气校正是海洋水色遥感的最关键的一环，本文系统介绍了大气校f 的基 本理论，然后改进了传统的g o r d o n 大气校正方法。得到渤海海域近岸的二类水体 的离水辐射率。本章是本论文的重点。 4 第四章也是本论文的重点内容。首先介绍了研究区域的概况，所用海洋卫 星数据m o d i s 的特点，然后选取适合于二类水体叶绿素和悬浮泥沙的提取本方 法，通过运用海洋水色遥感s e a d a s 专用软件的用户自定义功能，通过i d l 编程， 得到渤海海域四个季节的叶绿素和悬浮泥沙的空间分布。 第2 章海洋水色遥感基本原理 海洋水色遥感是利用机载或星载遥感探测与海洋水色有关的参数( 如本论文的 叶绿素等) 的光谱辐射，经过大气校正，根据生物光学特性求得海水中叶绿素等 海洋环境要素的一种方法。海洋水色遥感涉及的内容相当丰富。本章将主要介绍 水体分类以及水色遥感所涉及的一些基本概念、遥感机理等基础知识。 2 1 水体分类 2 1 1 海洋水色被动遥感 水色遥感是唯一可穿透海水一定深度的卫星海洋遥感技术吼它利用在可见光 外扫描辐射计接受海面向上光谱辐射，经过大气校正，根据生物光学特性，获取 海中叶绿素浓度及悬浮物含量等海洋环境要素。 组成遥感信号的主要有以下几种光【6 , 1 6 , 1 8 】如图2 1 所示。 a 经过大气光子散射后到达传感器的光； b 太阳直射光到达海面后被直接反射的光； c 在水体中经后向散射后来自海表面的上涌光； 图2 l ：海洋遥感的光学路径( 据s a t h y e n d r a n a t h1 9 8 6 ) f i 9 2 1 ：l i g h tr o a do fr e a c h i n gs e n s o r 这三种光只有第三种光上涌光能够反映出水体中的信息。而前两种则构 成了背景噪声，必须加以纠正和消除。通常情况下卫星的传感器可以避免探测到 来自太阳的光谱反射，但对于大气散射却毫无办法。实际上，在卫星传感器的高 度，到达的光线超过8 0 是富含有大气影响的。因此在估算水中成分时候如果大 气影响估算中出现很小的误差都会导致显著的偏差。而且，如果在水体和传感器 之间没有大气的话，来自水体的上涌光也必须经过处理来评价离水组分。仔细研 究离水辐射信号的一些细节问题，我们就会发现影响信号的几个因子。( 如图2 2 ) 图2 2 影响海面上涌光的因子 f i g 2 2e f f e c t i n ge l e m e n t so fu p w e l l i n gr a d i a n c e 注：a 悬浮无机物的向上散射；b 米自水分子的向上散射；c 黄色物质的吸收；d 海底 反射；e 浮游植物的向上散射 太阳直射光和穿过海表面的散射光可能被水分子、水中各悬浮物或溶解物所 吸收。在清澈的浅水中，来自太阳的光很大一部分可能直达水底，在底部形成反 射。而某些散射或反射的光子最终到达了传感器。遥感则是对离水辐射的尺度大 小和光谱质量的变化进行分析。这些离水辐射中便包含了水体中各物质的类型和 含量的大量信息。我们在分析媒介的光学属性时候我们必须把水体本身和水体中 的悬浮物和溶解物的光学影响区分开来。 2 1 2 一类水体和二类水体 1 9 7 7 年m o r e l 和p r i e u r 引用二分法，将海水分为一类水体s n - - 类水体【1 8 】。后 来g o r d o n 和m o r e l ( 1 9 8 3