水体颜色蕴含丰富的水体环境信息,对于水体颜色的监测研究对海洋环境保护、维持海洋生态平衡具有着非常重要的意义。基于水体颜色提取水色要素信息,可以加深对水环境构成的了解。对于水体颜色的研究,学者们已开展了一定研究,但多数对水体颜色的研究是以水色指数(Forel–Ule index,FUI)作为度量参数。针对我国近海复杂多变的水环境,FUI可能无法更加细致描述水体颜色信息,表达水体环境信息。而在CIE(Commission International de I Eclairage)颜色系统中,色度角(α)作为连续变量,可以较好地表示水体光学特征,继而实现对水色要素的提取。本研究结合多个调查航次实测遥感反射率数据,构建基于多光谱遥感反射率的色度角获取方法,获取研究区域长时序α与FUI数据集,比较分析二者水体颜色信息的获取能力与水环境信息表达能力,对比发现连续变量色度角是更优的水体颜色度量参数,并以此作为本研究对水体颜色的衡量参数,开展研究区域水体颜色长时序时空分布特征研究并讨论其与水色要素共变关系。基于航次透明度(Secchi Depth,Zsd)数据、悬浮颗粒物浓度(Suspended Particulate Matter,SPM)数据与叶绿素a(Chlorophyll a,Chl-a)浓度数据,分别构建了基于色度角的Zsd、SPM及Chl-a反演模型并基对模型进行精度分析。最后,结合现场收集水体颜色高清影像、对地观测卫星数据及水色卫星数据,对模型进行多源数据的示范性应用,展示模型的普适性与应用价值。结论如下1)基于Moderate–resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)与Sea–viewing Wide Field of View Sensor(Sea WiFS)水色卫星数据,构建多光谱遥感反射率的色度角获取方法,该方法精度较高,相关系数(R2)均大于0.95,平均绝对百分误差(MAPE)均小于5%,表明色度角易于准确获取且可移植性强。结合卫星数据、FUI查找表,得到色度角长时序数据集与FUI数据集。从水体颜色信息的获取以及水环境信息表达能力两方面对两种水体颜色衡量参数进行对比分析。由于FUI是离散分级,基于FUI的水体颜色信息提取造成了一定的遗漏,而色度角作为连续参数可以更加细致捕捉水体颜色信息。相较于FUI,色度角与Zsd、SPM与Chl-a都表现了更强的相关性(R2=0.79、0.81、0.79),表明色度角是优于FUI的水色度量值,并以此开展对研究区域的水体颜色分布特征研究。结果显示,研究区域色度角时空分布特征为近岸处色度角最高,并离岸递减,冬季高,夏季低。渤海海域最高(α=180°),黄海次之(α=100°),东海色度角值最低(α=60°)。分析其长时序变化趋势,发现在渤海、北黄海和长江口等近岸色度角较高区域,具有减小趋势,而在东海和连云港附近海域具有增加趋势。选取特征海域发现色度角与水色要素Chl-a、SPM表现出一定的共变性。在色度角较大区域,色度角与SPM存在较强共变关系;在色度角较小区域,色度角则与Chl-a、SPM共同表现了较强的共变关系。(2)基于航次数据,将CIE–XYZ三原色光谱与高光谱遥感反射率积分得到XYZ三刺激值,继而得到色度角数据。将色度角数据集与Zsd、SPM与Chl-a数据匹配,使用留一法构建反演模型,进一步挖掘水体颜色蕴含的水环境信息,并结合多种精度指标评估模型精度。结果表明,色度角与水色要素具有较高的相关性,模型具有一定的精度(R2均高于0.7,MAPE均低于40%),为基于水体颜色监测水环境奠定了基础。(3)分别使用现场通过相机获取的水体颜色高清图像、Landsat对地观测卫星数据以及MODIS水色卫星数据对模型开展基于多源数据的模型示范性应用。结果表明,基于现场高清图像可以实现点对点的信息获取;基于对地观测卫星数据,看实现高分率下的水质监测;基于水色卫星数据,可以实现对水色要素的长时序大范围时空分异研究。基于色度角的水色要素反演模型降低了数据获取门槛,面向了更多的数据源。可以实现在微观上,精准数据的获取,也可以实现在宏观上,不同空间、不同时间尺度下的水环境研究,可以满足不同监测研究的需求,具有一定的应用价值。
发表于 2023-3-10 17:25:14
1)基于Moderate–resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)与Sea–viewing Wide Field of View Sensor(Sea WiFS)水色卫星数据,构建多光谱遥感反射率的色度角获取方法,该方法精度较高,相关系数(R2)均大于0.95,平均绝对百分误差(MAPE)均小于5%,表明色度角易于准确获取且可移植性强。结合卫星数据、FUI查找表,得到色度角长时序数据集与FUI数据集。从水体颜色信息的获取以及水环境信息表达能力两方面对两种水体颜色衡量参数进行对比分析。由于FUI是离散分级,基于FUI的水体颜色信息提取造成了一定的遗漏,而色度角作为连续参数可以更加细致捕捉水体颜色信息。相较于FUI,色度角与Zsd、SPM与Chl-a都表现了更强的相关性(R2=0.79、0.81、0.79),表明色度角是优于FUI的水色度量值,并以此开展对研究区域的水体颜色分布特征研究。结果显示,研究区域色度角时空分布特征为近岸处色度角最高,并离岸递减,冬季高,夏季低。渤海海域最高(α=180°),黄海次之(α=100°),东海色度角值最低(α=60°)。分析其长时序变化趋势,发现在渤海、北黄海和长江口等近岸色度角较高区域,具有减小趋势,而在东海和连云港附近海域具有增加趋势。选取特征海域发现色度角与水色要素Chl-a、SPM表现出一定的共变性。在色度角较大区域,色度角与SPM存在较强共变关系;在色度角较小区域,色度角则与Chl-a、SPM共同表现了较强的共变关系。(2)基于航次数据,将CIE–XYZ三原色光谱与高光谱遥感反射率积分得到XYZ三刺激值,继而得到色度角数据。将色度角数据集与Zsd、SPM与Chl-a数据匹配,使用留一法构建反演模型,进一步挖掘水体颜色蕴含的水环境信息,并结合多种精度指标评估模型精度。结果表明,色度角与水色要素具有较高的相关性,模型具有一定的精度(R2均高于0.7,MAPE均低于40%),为基于水体颜色监测水环境奠定了基础。(3)分别使用现场通过相机获取的水体颜色高清图像、Landsat对地观测卫星数据以及MODIS水色卫星数据对模型开展基于多源数据的模型示范性应用。结果表明,基于现场高清图像可以实现点对点的信息获取;基于对地观测卫星数据,看实现高分率下的水质监测;基于水色卫星数据,可以实现对水色要素的长时序大范围时空分异研究。基于色度角的水色要素反演模型降低了数据获取门槛,面向了更多的数据源。可以实现在微观上,精准数据的获取,也可以实现在宏观上,不同空间、不同时间尺度下的水环境研究,可以满足不同监测研究的需求,具有一定的应用价值。