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基于激光雷达回波的海洋光学参数反演研究

刘航  
【摘要】:近年来,海洋对全球气候变化的响应引起世界各国的关注。我国在十八大报告中指出要保护海洋环境、维护海洋权益、发展海洋经济、建设海洋强国。海洋水色遥感是探索海洋的重要手段之一,可以实现对海洋瞬时信息的大范围观测,还可以获取数年甚至数十年的长时间序列数据,为海洋环境保护、海洋权益维护以及海洋资源开发等研究提供了巨大的资料库。目前海洋数据已进入大数据时代,但主要贡献来自于海洋表层数据,海洋垂直剖面数据极度缺乏,因此新一代的海洋探测技术的突破变得极为迫切。海洋激光雷达对海洋垂直剖面探测的能力使得它有望成为实现“三维遥测”的重要技术手段。海洋激光雷达不依赖于太阳辐射,可以全天时全天候工作,不仅能够获取珍贵的海洋剖面数据,还可以穿透海洋次表层,揭示海洋动力学过程。本文利用海洋激光雷达在南海开展了海水光学参数探测和海洋次表层探测试验研究,结论如下:(1)基于激光在大气、海-气界面以及海洋中的传输性能,利用蒙特卡罗方法建立了海气双介质激光雷达辐射传输模型,分析了水体的光学特性、多次散射、风驱动海面条件、激光雷达入射角以及层化水体的影响,明确了激光雷达光学参数与海水光学参数、激光雷达系统参数之间的理论关系,为激光雷达反演算法提供了理论依据。(2)在Klett后向算法的基础上,结合生物光学模型,提出了一种新的基于激光雷达回波的海洋光学参数反演算法。该算法利用斜率法确定参考值,通过现场原位测量的叶绿素剖面数据计算的水体模型衰减系数作为收敛值,确定目标水体的最佳后向散射消光对数比,进而提高海洋光学参数剖面的反演精度。本文利用该方法对南海蜈支洲岛海域的激光雷达回波数据进行了反演,并通过实测数据进行验证,结果表明该算法能够准确反演海洋衰减系数。(3)提出一种以深度、厚度和强度为特征的海洋次表层探测方法,并在南海三亚湾海域和千岛湖进行了野外试验,分析了次表层特征因子的时空分布,并用实测叶绿素剖面数据进行了验证。此外,还分析了海洋次表层的季节变化以及引起季节变化的驱动因子。结果表明,激光雷达可以有效地探测到海洋次表层。


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