香港近岸海域表层海水悬浮颗粒物浓度的长时序Landsat卫星遥感制图文献综述

 2023-03-23 20:10:57


一、文献综述

基于多源的卫星遥感数据,国内外学者建立多种悬浮颗粒物定量反演模式,进行了诸多探究[1-3]

(一)国内外研究现状

1.1 卫星遥感数据

在卫星水色传感器出现之前,水色遥感的数据主要来源于气候卫星和陆地卫星[4]。Landsat系列卫星是美国地质勘探局USGS和美国国家航空航天局NASA联合管理的地球观测卫星项目,代表着世界上运行时间最长的中分辨率光学遥感卫星系统[5]。1972年,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)成功发射了地球资源技术卫星ERTS-1(于1975年更名为Landsat 1),在此后的7年里,为科学研究提供了重要的信息资源。作为最早的地球资源卫星,Landsat 1主要被用于全球土地覆被以及土地利用变化监测,在水质监测方面也发挥了一定的作用。1973年,Klemas等[6]以美国东海岸特拉华湾(Delaware Bay)为研究,发现Landsat 1 MSS传感器的红波段(波段5)最能反映悬浮泥沙的分布情况,而悬浮颗粒物能作为自然示踪剂呈现出整个海湾的表面环流情况。随后,其团队利用Landsat 1和Skylab卫星数据对特拉华湾的土地利用、海岸植被、水体浊度等进行了研究,进一步发现Landsat 1 MSS传感器亮度值与悬浮泥沙浓度呈对数关系[7]。1993年Tassan[8]以意大利那不勒斯湾(the Gulf of Naples)为研究区,基于Landsat TM影像数据和实测数据,通过数值模拟,得到了一种适用于近岸海域悬浮泥沙浓度反演的算法。王强等[9]基于2004年至2017年不同时期的28景Landsat ETM /OLI遥感影像,利用多波段逐步回归模型建立了海阳海域的悬浮泥沙反演模型,分析了该海域悬浮泥沙的空间分布特征和年际变化特征,并讨论了影响该地区悬浮泥沙时空分布的因素。

随着卫星遥感技术和海洋事业的发展,相关人员对专业水色遥感数据需求不断增加。1978年NASA发射了全球首个卫星水色传感器——海岸带水色扫描仪(Coastal Zone Color Scanner,CZCS),开创了海洋水色卫星遥感时代。Tassan[10, 11]基于数值模拟和灵敏度分析,获得了对叶绿素类色素敏感度性较低的反演变量,提出了利用CZCS数据反演浑浊近岸海域悬浮物含量的算法。CZCS的成功应用促使NASA发射了更多水色传感器,包括搭载在SeaStar(于1997年更名为OrbView-2)上的的宽视场水色扫描仪(Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor,SeaWiFS),以及搭载在Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectra-radiometer,MODIS)。这些传感器获取了长时序、高质量的海洋观测资料,在海洋叶绿素浓度监测[12]、悬浮颗粒物监测[13, 14]、海洋碳循环[15]等领域得到了广泛的应用。欧空局于2002年发射的环境卫星ENVISAT上搭载了中分辨率成像光谱仪(MERIS),其在水色波段设置、空间和光谱分辨率等方面优于SeaWiFS和MODIS [16]。2010年,韩国发射了全球首个静止轨道水色遥感器(Geostationary Ocean Color Imager,GOCI)。GOCI可在每日的8:30至15:30间,每隔1小时提供一景影像,实现了对东北亚海域的近实时监测[17]。利用该数据,国内外学者对海洋[18]、河口[19]、湖泊[20]等不同类型水体的悬浮泥沙进行了研究。此外,美国和欧洲航天局分别于2011年和2016年发射了MODIS的后继传感器——可见光红外成像辐射仪(Visible infrared Imaging Radiometer,VIIRS)和MERIS的后继传感器——海陆色度仪(Ocean Land Colour Instrument,OLCI)。近年来,越来越多学者利用新的传感器数据进行了悬浮物浓度研究。曹志刚等[21]基于星地同步数据,构建了单波段悬浮物浓度反演模型,并将其应用到了464景长时间序列的VIIRS无云影像上,分析了洪泽湖悬浮物浓度的时空分布特征。Vanhellemont和Ruddick[22]评估了不同的OLCI数据大气校正算法在反演离水反射率方面的性能,并反演得到了比利时浑浊近岸海域的悬浮颗粒物浓度。Xue等[23]用OLCI数据反演了长江和淮河中下游118个湖泊的悬浮颗粒物浓度,并分析了其时空变化的驱动因素。

虽然起步较晚,但经过多年建设,我国在海洋卫星方面取得了显著进展[24, 25]。2002年,海洋一号A星(HY-1A)的成功发射,代表着我国实现了水色卫星从无到有的突破,有力地推动了我国水色遥感事业的发展。目前,我国已拥有4颗用于海洋水色监测的海洋一号卫星(HY-1A/1B/1C/1D)、4颗用于海洋动力环境探测的海洋二号卫星(HY-2A/2B/2C/2D)和1颗用于海洋监视监测的“高分三号”卫星(GF-3)。其中HY-1C星和HY-1D星组网协同工作,2021年5月成功发射的HY-2D星与在轨的HY-2B星和HY-2C星组网,实现对海洋的全天候、高频次观测。除了专用的水色卫星外,我国的风云(FY)、资源(ZY)、环境(HJ)、高分(GF)系列卫星也具有一定的海洋观测能力。随着海洋遥感技术的不断发展,我国正逐步形成和完善以自主研制的卫星为主导的海洋空间监测体系[26, 27]。国内外学者利用我国的卫星开展了大量悬浮泥沙反演相关研究。1996年,潘德炉和Doerffer [28]发现了FY-1B的两个海洋通道数据在近岸水体悬浮泥沙浓度反演方面的应用潜力。陈晓翔和丁晓英[29]发现FY-1D海洋水色通道的数据与悬浮泥沙浓度之间相关性较高,建立了珠江口海域的悬浮泥沙反演模型。2013年,刘王兵等[30]以杭州湾为研究区,利用HJ 1A/1B的CCD影像的第3和第4波段进行了悬浮泥沙浓度的反演研究。王飞等[31]亦利用HJ 1A CCD数据反演得到了杭州湾的悬浮泥沙浓度,并分析了其变化动力。高分系列卫星凭借其高时空分辨率的优势,在高频率小尺度悬浮泥沙反演研究中得到了广泛应用[32-34]

从国外的陆地卫星传感器Landsat MSS/TM/ETM /OLI,到专门的水色传感器CZCS、SeaWiFS、MODIS、MERIS、GOCI、VIIRS、OLCI,再到国内的风云、资源、环境、高分系列卫星,卫星和传感器技术的不断进步,也推动着悬浮泥沙反演算法的不断更新和发展。

1.2 遥感监测方法

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