环境遥感

原文作者 Xianqiang He^a,e, Yan Bai^a, Delu Pan^a, Ningli Huang^b , Xu Dong^c, Jinshun Chen^c ,Chen-Tung Arthur Chen^d,e, Qianfang Cui^a

单位

a State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou, China

b Shanghai Marine Meteorological Centre, Shanghai, China

c State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Xiamen University, Xiamen, China

d Institute of Marine Geology and Chemistry, National Sun Yat-sen University, Kaohsiung, Taiwan

e Department of Ocean Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, China

摘要：近海水体中总悬浮颗粒物（TSM）有着高浓度和显著的日动态变化特征。空间和时间分辨率的不足限制在沿海地区巡航采样和极地卫星遥感在观测TSM日动态。然而，在世界上第一个地球静止卫星海洋水色传感器的轨道运行中，GOCI提供了覆盖区域的每小时观测结果。研究中，提出了一种实用的GOCI数据大气校正算法。浑浊的水验证结果表明，验证结果表明，GOCI检索了归一化离水辐射在数量和光谱形状上都很好地匹配原位值。我们还开发了区域经验。以大气校正为基础的极端浑浊的TSM算法和区域TSM算法，我们从GOCI Leal-1B数据生成逐时TSM图。潮期间日变化幅度不同，杭州湾中部最高可达5000 mg/L。强风事件，如台风，可以显著增加海湾中的TSM；然而，两者都GOCI观测和浮标测量表明，这种增加是短暂的，持续时间很短，台风过后一天内恢复正常。我们的结果表明，GOCI可以成功地映射TSM在浑浊的近海水域的日动态。此外，在每小时GOCI观测中揭示的显著日动态意味着使用巡航采样和常规极化卫星数据应该谨慎地在沿海水域中映射TSM，因为时间分辨率不足以捕捉日变化。

1.介绍

沿海水域通常由于陆地输入和沉积物再悬浮具有高浓度的总悬浮颗粒物（TSM）。沿海水域中的此类物质由于潮汐作用，可以限制可用的水下光，影响上层浮游植物的生产率和底栖生态系统（Cloern，1987;米勒和克鲁斯，1995）。TSM的动力学直接影响碳、营养物、污染物和其他物质的运输（ILIAEAET AL，2006；Mayer-et al，1998），并因此监测这些动力学。具有极大的兴趣和重要性。然而，TSM的大的时空变异性使得传统的野外采样方法难以在海岸带上进行同步映射。在过去的几十年中，极地轨道卫星海洋色数据已经被用于在不同的沿海地区测绘TSM（FETTWEIS等人，2007；胡等人，2004；Melts等人，1993；Miel＆McKee，2004；Mytand Walk，2002；PeTUS等人，2010；TasaN，1994；沃里克等人，2004；张等人，2010。）和传感器，如海视宽视场传感器（SeaWiFS）、中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）和中分辨率成像光谱仪（MEIS）。虽然这些极地轨道卫星可以同步地映射TSM以足够的精度，但它们只能观察到一天一次，每颗卫星在中纬度低纬度地区，这仍然很远。低于日变化监测的需求。与极轨卫星相比，地球同步卫星具有独特的成像能力，能够将地球表面从约70°到70°N成像，具有较高的重访频率；因此，它们具有显著更大的时间采样能力，极大地增强了我们监测和评估T的能力。最近的一些研究已经尝试使用地球静止气象卫星（例如旋转增强可见光和红外成像仪（SEVILI）辐射计在气象卫星第二代（MSG）卫星平台上）来映射日TSM变化。在沿海水域中，展示了地球同步卫星在监测高动态近海水域的优势（Nokman等，2009, 2012；SalaMa＆Sin，2010）。然而，地球静止气象卫星被设计为观测云和其他气象信息，这限制了它们精确监测近海水域低海洋色信号的能力。这在小规模河口和海湾尤其如此。卫星辐射灵敏度低，频带少，空间分辨率差。

2010年6月27日，韩国成功地发射了世界上第一个地球静止卫星海洋水色传感器——静止海洋彩色成像仪（GOCI）。与其他极轨卫星海洋水色传感器相比，GOCI具有独特的监测能力。短期和区域海洋现象（例如潮汐动力学、赤潮、河流羽流和输沙），具有高空间分辨率（500米）和非常高的时间分辨率（1小时，八幅图像）（RYU等人，2011），这使得它非常有助于监测沿海地区的物质日动态。为了用GOCI绘制浑浊的近海TSM或其他物质的日动态，必须解决两个关键问题：浑浊水域的大气校正和GOCI的TSM（或另一种材料）的相应算法。

在海洋水色遥感中，浑水中的精确大气校正仍然具有挑战性。为了解决浑水中的大气校正问题，提出了基于水光学和空气溶胶性质的空间均匀性假设的几种方法（Hu等人，2000；RoudCutal，2000）。一种更合适的方法是使用短波红外（SWIR）带代替近浑浊水域中的近红外（NIR）带（王氏，2005）。然而，GOCI没有SWIR波段。王等。（2012）最近提出了一个区域近红外大气校正算法在GOCI数据在西太平洋地区，包括浑浊的水，根据区域经验关系的光谱归一化水离开辐射和漫衰减系数在490纳米。这些混浊水大气校正方法强烈地依赖于局部水和气溶胶光学性质，然而，在潮汐动力学，陆地输入和人为气溶胶效应的许多沿海水域中，水和气溶胶的光学特性往往是高度不均匀的。

一般来说，TSM的反演可以是分析性的，半分析性的经验。但是，由于TSM组件的高度变化和沿海水域的水光学特性（Binding等，2005）仍然难以实施适用的分析和半分析模型（Zhang等人，2010）。许多经验算法都有基于TSM与遥感反射率带比之间的关系，开发了各种河口和海岸（或甚至一个频带）不同的卫星（Curran等，1987; Doxaranet al，2002a，2003; Larouche＆Boyer-Villemaire，2010; Tassan，1994;Zhang等人，2010）。 这种经验算法非常依赖原地数据集，因此只适用于区域。

在这项研究中，以杭州湾（HZB）为样本区域，我们旨在开发和验证大气校正和区域TSM算法使用GOCI数据映射TSM昼夜动力学。在强劲的潮汐和巨大的地面投入的驱动下，HZB水域极其浑浊，并且表现出明显的日照动力学（谢等人，2009），这使他们测试对地静止卫星的观测能力应用于TSM昼夜沿海水域的动力。

2.数据和方法

2.1研究网站

HZB是中国东南沿海最大的海湾，如图所示，在长江口以南进行编辑在图1（a）中。HZB是一个宽阔的浅水漏斗状河口，面积约8500平方公里，宽约100公里，口长86公里（Guo等，2009）。平均水深海湾在低潮期间是8-10米。HZB是世界上的一个最强烈的潮汐海湾，口的振幅为3〜4 m，上游4〜6 m，最高9 m（Lin et al。，2005; Xie et al，2009）。长江和钱塘两条大河流入海湾。长江是世界排量第五大的河流，排沙量排名第四，平均排水量为925 km³yr^-1，平均排水量为4.8times;10⁸ t yr^-1。长江口的部分水体和沉积物进入HZB，对流体动力学和沉积都有深远的影响（Xie et al，2009）。钱塘江河与河南省周边较小的河流一起考虑时，直接输入河南黄河，平均流量42 km³yr^-1，河流泥沙输沙量7.9times;10⁶t yr^-1（Xie et al，2009）。

图1.（a）HZB的位置和周围大陆架等势线（米的单位）。 （b）“908”号两次巡航期间TSM的现场采样站项目“，分别对应夏季和冬季巡航的蓝色圆圈和红色三角形。 （c）浮标“小洋山”港口和“潭湖”潮测站。 阴影表示测深。

2.2 现场样品

进行了几次相同采样站的两次巡航在中国发起的“908工程”期间在东海举行国家海洋管理局（SOA）。这两艘邮轮覆盖120-128°E和29-33°N，包括HZB，长江口和渤海湾东海搁板，如图1（b）所示。 夏季巡航发生2006年7月18日至8月23日，冬季巡航发生2006年12月23日至2007年2月4日。TSM、遥感反射率等环境参数同步进行在两次航行中的取样站进行测量。

2.2.1 TSM的测量

在预称重的乙酸纤维素膜过滤器（直径47mm，孔径0.45mu;m）上重量测量TSM。通过花环Niskin采样器收集足够多的表层水样品（固定在2米深度处），并在每个站点过滤以确定颗粒物质的重量。用50ml蒸馏水冲洗样品三次以除去溶解的盐。将过滤器冷冻并储存在-20℃以下直到实验室处理。在实验室中，将过滤器在40℃的烘箱中干燥6-8小时，然后置于硅胶干燥器中6-8小时，最后重新称重以获得TSM浓度。每个台站至少有一个空白样品进行空白校正。共采集了377个TSM样本，不仅在白天，而且在晚上：190个样本夏季巡航和187次冬季巡航。

2.2.2测量遥感反射率

遥感反射率是在船上使用测量的ASD FieldSpec手持式光谱辐射度计（FSHH，325-1075 nm）。在白天电台，在适当的太阳照射下（一般从上午9点到下午3点），我们测量了向上的辐射

海面（L t）和标准反射板（L p）病房天空的光芒（L天空）。为了避免太阳闪烁污染，天顶用于测量L t的方位角约为40°和135°（参考 - 环太阳取向）分别。另外，我们选择了最优尽量减少船舶阴影和泡沫的影响。我们设置积分时间根据入射辐射强度进行校正，积分时间每次变化的暗电流。巡航之前，使用NIST在实验室中进行绝对校准可追溯的灯。根据ASD FSHH测量的辐射率单位为mW /（cm ²·mu;m·sr），遥感反射率（R _rs单位为sr ^-1）可以计算为

R _rs(lambda;)=beta;_p(lambda;)[L_t(lambda;)-beta;_s(lambda;)L_sky(lambda;)]/[pi;L_p(lambda;)] （1）

其中beta;_p和beta;_s分别是最标准的膜 - 反射面反射率。beta;_s受天空条件，海面粗糙度、观看和照明几何形状，并且也可以是波长依赖二重性向天空分布图，然而用上述方法测量水的含量在晴朗或阴天的条件下约40°和135°，beta;_s的长度依赖性很小（Mobley，1999）。一般来说，beta;s是变化的从0.022到0.05（Lee等，1996）。在这项研究中，我们用beta;来估计beta;_s在参考的NIR波长处假设黑海，长度独立性（Doxaran等，2002b）。值得一提的是参考的NIR波长随水浊度而变化;那是较长的NIR波长用于较高的浊度。另外，在极其浑浊的水域，估计值beta;_s固定为0.05，0.05以上因为远程感应反射，在白天保持晴朗天空下，有效数字是远低于TSM测量值，具有35个测量值在夏季邮轮和冬季巡航期间采取了31。

除了上述两次巡航之外，还设计了一个浮标监测海洋环境停泊在HZB口（在122.3625°E和30.5509°N，如图1（c）所示）大洋中央气象台。以3小时的频率，浮标瞬间测量地表水盐度和温度 - （Alex Compact-CTW），精确度为0.05°C和0.05 mS / cm电导率），浊度（Alec CLW使用红外背散射方法精度为2％），电流（Alec AEM精确度为1厘米/秒和2°分别为速度和方向），风（R.M。年轻人，精度为0.3米/秒，速度和方向为3°，）和其他海洋参数（如叶绿素，水生植物）pCO 2）。 由于。浮标周围的地形非常复杂北部和南部岛屿的存在，以及等值线西部和东部，其变化很快，如图1（c）所示。

我们在2011年6月26日至27日的浮标附近进行了测量校准浮标数据（主要用于水生pCO ₂）。我们到了在A站（122.3610°E和30.5503°N，如图2（a）所示）在6月26日下午9点附近的浮标附近，测量了TSM（在白天和晚上）和离水辐射（只在过程中当天），直到6月27日中午12:00，以3小时的频率进行比赛浮标测量。因此，有六个TSM样本和两个A站的水剩余辐射样本。大约在12:30 PM，我们在A站完成测量，并开始向西到B站（122.1200°E和30.5463°N，如图所示）图2（a））。 我们在下午3点左右到达B站，拿了一个TSM样品和一个水分离辐射样品。它应该是就在我们测量之前，台风Meari通过了在6月25日晚通过HZB的口，可能改变了海湾内的环境条件。

图2.GOCI检索与原位值之间的L wn比较。 （a）

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