海洋论坛▏海岸带海洋水色遥感研究发展与展望
海岸带是人类开发程度较高的地区，资源丰富但生态环境相对比较脆弱。随着社会经济的发展，海岸带生态环境发生了明显的变化，海岸带地区的海洋环境监测受到了越来越多的关注。卫星遥感技术可实现对大范围海域进行全方位、多时相的连续监测，能够适应复杂多变的海岸带环境，弥补了传统监测方法的不足。近年来随着传感器和海洋遥感技术的发展，目前已经具有卫星遥感监测、水下探测、海洋浮标监测、近海测绘等多种海洋观测手段，并积累了大量实测数据、卫星遥感数据，建立了多种数值模型，形成了一个比较全面的海洋观测系统，为海岸带环境监测提供了可靠的手段和方法，对海岸带生态环境治理和社会经济可持续发展提供了有力支持。海洋遥感技术在海岸带管理与规划、海洋初级生产力估算、海洋环境监测、海洋通量研究、海洋渔业开发等方面得到了广泛应用。本文对遥感技术在海岸带环境监测中的主要研究应用和进展进行论述和总结，并对今后的海洋水色遥感研究工作提出展望。
一、海洋水色遥感的应用
⒈悬浮泥沙方面
悬浮泥沙和叶绿素是影响海洋水色的重要物质，是影响河口海岸地区生态环境的重要指标。悬浮泥沙携带大量的污染物，在河口和近岸区域扩散并严重影响水质，改变水体的光学性质。对水体悬浮泥沙的反演研究是分析河口海岸冲淤变化、估算入海泥沙通量、研究海洋环境的重要环节。但是由于海水环境的复杂性，入海径流和潮汐等因素的变化使得海水中悬浮泥沙的分布和运动也时常发生变化。研究学者们针对水体中悬浮泥沙的反演已经进行了大量研究工作，遥感反演水体悬浮泥沙浓度从定性研究发展到定量研究。1976年，Thomson根据影像灰度值就可以区分水体含沙量。随着遥感技术的发展，基于水体光谱特性的定量反演方法也应用到水体悬浮泥沙含量的研究，其中，对水体光谱特性分析和泥沙遥感反演参数是建立反演模型的基础和关键。李洪灵等基于实测光谱数据，将Landsat ETM+的第四波段和第一波段的比值建立线性模型，模型相关系数为0.96.Doxaran等利用SPOT数据对法国La Gironde进行水体悬浮泥沙浓度反演研究，认为前3波段对悬浮泥沙变化敏感，同时还建立了基于SPOT单波段影像的对数关系和泥沙参数Rrs(850)/Rrs(550)关系。不断发展悬浮泥沙反演模型和方法，追求高质量的反演精度已经成为学者们研究的重点。Ramakrishnan 等基于实测泥沙数据和OCM数据，利用AWSS算法反演了印度坎贝湾的悬沙含量，实验证明这种算法能够区分高浓度含沙水体悬浮泥沙浓度变化的细小差异。秦平等优化了HJ－1CCD模型的悬浮物和叶绿素反演模型，结构相对简单并且反演精度较高，改变了以往模型结构复杂且难度高的特点，对我国黄海、东海的水色反演研究具有重要价值。
⒉海洋初级生产力方面
海洋叶绿素是海水中浮游植物含量的表征，通过叶绿素浓度的研究能够了解海水中浮游植物的生长情况，能够用来评价水体的富营养程度、水质和预测赤潮。利用海洋遥感技术研究海洋初级生产力，有助于了解海洋碳循环，对渔业资源管理等具有重要意义。近年来，研究学者们将研究重点放到与人类活动密切相关的近岸海域，建立海洋初级生产力遥感估算模型，反演得到研究区的叶绿素浓度信息，为海洋初级生产力的遥感估算奠定了基础。研究学者们在不同水域进行了大量研究。例如，Ondrusek等基于高斯分布模型和SeaWiFS的叶绿素反演数据，从光、浮游植物生长和混合层深度等因素研究，估算出北冰洋的初级生产力；Lee 等进一步研究了北冰洋的初级生产力影响因素，并对其反演结果进行了进一步的分析讨论。利用遥感技术估算海洋初级生产力的研究日益广泛，研究者们还建立了基于浮游植物碳的遥感估算方法。颗粒物的碳浓度与浮游植物碳生物量会随着光的散射一同发生变化。基于这一特点，Behrenfeld等利用颗粒的后向散射系数对浮游植物碳进行估算，通过对叶绿素和碳的比值估算海洋初级生产力。与基于叶绿素浓度的方法相比，这种方法不仅可以了解浮游植物的生长状态，还可以用来估算全球海洋初级生产力。
二、近岸海洋水色遥感反演算法研究
⒈水体光学特性研究
水体光学特性是海洋水色遥感的前提，海水的光学特性分为表观光学量(AOP)和固有光学量(IOP)。水体表观光学量依赖于水体固有光学量，当光照条件发生变化时，水体表观光学量也发生变化，只有进行归一化后才可以进行分析比较。水体固有光学量只与水体中的物质组成有关，因此纯净水体的光学特性与海水的光学特性有明显不同。水体固有光学量在实际测量中根据表观光学参数进行推算，进而用于模型的创建。水色遥感研究中，通常采用归一化后的表观光学参数来描述水体光学特性，并发展出多种描述水体成分与水体光学通量之间的经验模型和半分析模型。针对二类水体的水色遥感研究，随着传感器的不断发展和实测数据的积累，水色遥感算法也得到了不断发展，出现了一些新的模型算法，如生物－光学模型、神经网络算法等，用来解决非线性组合问题。
国内外学者对海水固有光学特性进行了许多研究，研究发现：不同海域的水体浮游植物组成成分明显不同，海水中浮游植物的吸收系数也会发生相应的改变，富营养化程度较高的水体浮游植物吸收系数相对较小；由于浮游植物的后向散射系数很小，一、二类水体中浮游植物的后向散射系数通常相同。关于水体中悬浮泥沙吸收特性，研究学者们对于悬浮泥沙后向散射系数的说法不一。
⒉悬浮泥沙反演研究进展
水体中的悬浮泥沙是影响海洋水色的重要物质，水体中悬浮泥沙的浓度变化是河口海岸地区海洋环境监测的重要内容。针对水体中悬浮泥沙的遥感反演研究，国内外学者利用遥感数据与实测数据建立了不同的悬浮泥沙反演模型，主要包括经验模型、理论模型和半分析模型。
⑴经验模型的建立要求大量的实测数据和水体光谱数据，模型建立过程中分别采用线性函数、指数函数和幂指数函数对遥感参数和悬浮泥沙浓度进行分析，选择最优模型。统计分析算法是最普遍的经验模型，操作简单方便。随着研究方法的不断发展，主成分分析法和神经网络算法也广泛应用于悬浮泥沙反演研究。主成分分析法简单稳定，不需要大气校正，但对先验模拟数据依赖程度高。曹文熙等基于主成分分析法对南海悬浮泥沙浓度进行反演，研究精度为0.91。神经网络算法反演精度高，但是方法复杂。Wang等基于MODIS 数据，利用神经网络模型反演了杭州湾悬浮泥沙浓度，研究结果具有较高精度。
⑵理论模型是模拟光在大气和水体中的传输特性而建立的关系式，主要包括代数法和非线性最优化算法。代数法在二类水体的悬浮泥沙繁衍研究中有较高反演精度，但是对实测数据的数量和质量有较高要求。非线性最优化算法通常是在已知水体固有光学特性的基础上，对实测数据进行迭代从而求出悬浮泥沙浓度，需要大量数据进行模拟和重复计算，比较得出最优结果。
⑶半分析模型主要基于经验模型和理论模型实现多个水体组分的反演，主要包括Gordon模型、负指数模型、对数模型和幂指数模型。Gordon模型适用于低含沙量和高含沙量的水域，反演精度较低。李京等利用负指数模型对杭州湾悬浮泥沙浓度进行反演，并建立了定量反演模型。李四海等在长江河口建立了对数模型来反演悬浮泥沙的浓度．半分析模型算法需要考虑多个未知量，且对光谱数据要求高，不适用于叶绿素浓度高的水体。
⒊叶绿素反演研究进展
叶绿素a的浓度是影响海洋生态系统状况的重要因素，在一定程度上可以反映水体浮游植物量和水质状况，也是近海二类水体水色的主要影响物质。基于遥感的海洋叶绿素浓度反演一直是国内外学者们的研究热点。关于叶绿素a的反演算法主要有叶绿素荧光法、经验统计算法、非线性映射法和分析模型。
⑴经验统计算法主要是蓝绿波段比值模型。Yang等利用SPOT卫星近红外波段与红光波段的比值法得出叶绿素估算模型(XS3/XS2)，能够很好地估算叶绿素的浓度．随着水色遥感传感器的发展，波段的组合方式更加灵活，反演精度也逐渐提高。刘大召等利用珠江口叶绿素浓度与一阶导数光谱值的三次多项式进行反演，决定系数可达到0.7815。叶绿素荧光法也是一种常见的叶绿素反演方法，叶绿素的荧光信号明显区别于悬浮泥沙和黄色物质，且位于受大气影响较弱的红光波段，对赤潮水体和浑浊水体中叶绿素a的反演精度较高。Gower等利用MODIS数据验证了荧光基线高度算法精度优于蓝绿波段比值法，在格鲁吉亚海域得到验证。马万栋等利用归一化荧光法对烟台近岸海域叶绿素浓度进行反演，反演精度较为理想。
⑵非线性映射法基于水色要素的组成成分，利用人工神经网络等非线性算法反演水体中叶绿素a的浓度，具有非线性和随机性的特点。该方法的反演精度与特征波段的参数有关，训练样本的代表性决定了模型的反演精度。Sun等建立了最优三波段的支持向量机模型;吴志峰等基于粒子群和神经网络算法反演了珠江口叶绿素a的浓度；沈春燕等利用神经网络方法对珠江口海域的叶绿素浓度进行反演，结果表明决定系数是0.8848时反演精度最高。
⑶分析模型利用光学机理研究水质参数与光谱之间的关系，反演精度相对较高。Ampe等提出小波增强的生物－光学模型，提高了浑浊水体中叶绿素a反演的精度．但不同研究区有不同的参数，针对我国复杂的近海环境而言，国外的生物－光学模型并不适用．国内学者韩留生等利用实测数据优化近岸水体参数，提高模型的应用精度。
三、发展趋势与展望
海洋水色遥感经过几十年的发展已经取得一定的成绩，学者们从海洋环境复杂多变的特点出发，积极尝试多种方法以求得更精准的研究结果。但仍然存在很多的问题，例如不同水体光谱差异较大，对海洋水色反演模型的精度要求更高，不能获得水体中的悬浮泥沙和叶绿素a浓度的实时监测数据，强光照遥感受天气影响大等。这些问题对今后的海洋水色研究提出了更大的挑战，期待在以下四个方面得到发展和完善：
⑴发展静止水色卫星，实现对同一地区的日内动态变化监测。海洋监测的需求日益提高，迫切需要发展多源遥感技术融合，实现海岸带的实时遥感监测。
⑵发展弱光照遥感。对于静止轨道水色卫星的连续观测和极轨水色卫星在高纬度的观测，当前的临近中午的强光照遥感技术已经满足不了观测的需求。发展弱光照遥感技术需要建立快速计算的球面矢量辐射传输模型、精确大气校正模型和水色要素反演模型。
⑶发展高光谱遥感。高光谱遥感可以提供10nm左右的高分辨率的连续的波段信息，可以更加精准地获得海洋水体的有用信息，为复杂多变的海洋环境监测提供可靠的研究数据。
⑷提高海洋水色遥感信息的服务水平。水色卫星遥感产品已经实现了业务化，但是卫星产品的应用却微乎其微，海量的遥感数据没有被有效的利用。应该充分利用海洋水色遥感信息，建立便捷、实用的信息服务系统。
【作者简介】文/姜丽君 王庆 姜丽丽 郑志惠 战超 王红艳，分别来自鲁东大学海岸研究所和烟台鲁达环境影响评价有限公司。第一作者姜丽君，女，1993年出生，山东威海人，硕士研究生，研究方向为河口海岸过程分析与应用；通信作者王庆，男，1968年出生，山东沂南人，教授，博士研究生导师，博士，研究方向为山东半岛及邻近地区河口海岸地貌与环境研究。文章来自《鲁东大学学报(自然科学版)》（2018年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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