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多源卫星数据的光谱带宽和空间尺度对水色参数遥感的影响

沈宏  
【摘要】:随着海洋水色遥感技术应用以及需求的不断扩展与深入,对遥感数据质量的要求也不断提高,遥感数据的质量以及定量反演的精度已经成为当今海洋水色领域关注的热点。本文从卫星传感器的参数,主要包括传感器光谱波段的光谱带宽、光谱响应函数,以及空间分辨率的角度考虑,以长江河口光学复杂Ⅱ类水体为研究对象,分析卫星传感器光谱波段的光谱带宽、光谱响应函数,以及空间分辨率对水色参数遥感的影响,并在此基础上消除光谱带宽、光谱响应函数,以及空间分辨率对水色参数遥感造成的误差,从而达到提高遥感数据的质量和水色反演精度的目的。本文主要内容包括: (1)比较Landsat5/TM、Terra/Aqua/MODIS、ENVISAT/MERIS、FY-3A/MERSI以及COMS/GOCI五个卫星传感器的各参数,各传感器在水色参数遥感中各有优劣。Landsat5/TM的发射时间最早(1984年3月),空间分辨率最高(30m),但其4个可见光波段的光谱带宽范围在66-129nm,对于水色参数遥感不占有优势;Terra/Aqua/MODIS扫描宽度达2330km,可进行大海域范围的监测,9个水色波段的带宽在10-15nm,波段设置比较精细;ENVISAT/MERIS的波段设置最精细,15个水色波段的带宽在10nm左右(758.75-762.5nm波段带宽最小3.75nm),比较而言,可最好反映出Ⅱ类水体各水色组分在可见光至近红外的光谱特性;FY3-A/MERSI的第8-16波段为短波波段,为高信噪比窄波波段;COMS/GOCI是地球静止卫星轨道卫星上的传感器,具有1h重访时间频率,可以对短时间尺度的海洋现象(潮汐、潮流等)进行连续监测。 (2)以Terra/Aqua/MODIS和Landsat5/TM传感器光谱波段的光谱带宽和光谱响应函数为例,分析其对光学复杂Ⅱ类水体离水辐射反射率的影响。由于传感器波段光谱带宽和光谱响应函数的影响,波段的离水辐射反射率不能完全表征出水体的光谱特性;Terra/Aqua/MODIS光谱带宽和光谱响应函数对离水辐射反射率的影响远小于Landsat5/TM相应波段对离水辐射反射率的影响;光谱带宽和光谱响应函数在不同水体下对离水辐射反射率的影响程度不同。以Landsat5/TM为例,为了消除光谱带宽和光谱响应函数对水色参数遥感造成的误差,针对长江河口三种不同的水体类型,利用Landsat5/TM各波段的离水辐射反射率值来模拟整个波段范围内的离水辐射反射率,从而更明显地表征出波段内的长江口水体光谱特性,消除光谱响应函数和带宽的影响,提高水色参数遥感的精度。 (3)由于悬浮泥沙浓度的空间异质性,空间分辨率低的遥感数据在反演悬浮泥沙浓度的过程中会引起空间尺度效应,产生尺度误差。通过分析发现,半变异函数的参数(包括块金值、基台值以及变程等)可以有效地描述长江口悬浮泥沙浓度分布的空间异质性,且长江口悬浮泥沙浓度的空间异质性主要是由随机因素和空间自相关引起的;悬浮泥沙浓度的空间尺度误差主要是由空间异质性引起的;另一方面,随着悬浮泥沙浓度的增加,尺度误差也随之增大。通过尺度上推方法,利用同步Landsat5/TM数据对ENVISAT/MERIS进行尺度校正,经过尺度校正后的悬浮泥沙浓度Sscr更加接近象元尺度内悬浮泥沙浓度的平均值SSCmean,消除了反演的尺度误差。通过尺度下推方法,经过尺度校正后,在保证ENVISAT/MERIS反演精度的情况下提高了空间分辨率,更加细致地表现出长江口悬浮泥沙浓度的空间分布。


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