赤潮水体的红光波段高光谱特性监测机理研究

Recent remotesensing method of red tide detection has two major difficulties: 1) estimate of high chlorophyll concentration from remote sensing is inaccurate ；2）there are few methods for discriminate of species composition. In this study, we will analyze the spectral characteristics and difference of inherent optical properties (IOP) and chlorophyll fluorescence about typical harmful algae species in the East China Sea. Based on the numerical radiative transfer model, the apparent optical properties (AOP) of red tide waters are simulated. The spectral characteristics of red part of red tides reflectance spectra and their relationship with IOP and chlorophyll fluorescence are investigated. And we emphasize the mechanism of radiative transfer in the red spectrum. Finally, the quantitative relation between red spectrum spectral characteristics and chlorophyll concentration will be built, two algorithms for estimate of high chlorophyll concentration and toxic species discrimination are developed using hyperspectral characteristics of red spectrum. We expect that the knowledge of the mechanism of red spectrum hyperspectral red tide detection is an important reference for the band setup of next generation ocean color instrument and support the application of airborne hyperspectral remote sensing in discrimination of harmful algal species.

针对目前赤潮定量化遥感监测方面存在的赤潮水体高叶绿素反演精度差和赤潮水体优势藻种辨识算法缺乏两个主要问题，本项目通过研究我国东海典型赤潮藻类固有光学特性与荧光特性的光谱特征及其差异；以水体辐射传输数值模型为核心，开展赤潮水体表观光谱模拟研究；研究赤潮水体红光波段反射光谱特征形成的辐射传输机制，以及与藻类固有、荧光学特性之间的内在联系；分析与了解赤潮红光波段光谱特征与叶绿素浓度的定量关系，最终研究建立基于红光波段光谱特征的遥感高浓度叶绿素反演算法与高光谱优势藻种识别算法。本研究可望全面了解赤潮红光波段高光谱监测机理，为我国下一代海洋水色遥感器的波段设置提供理论参考，为航空高光谱遥感在赤潮水体藻种识别中的应用提供支持。

本研究针对东海赤潮定量化遥感监测精度差和赤潮水体优势藻种辨识算法缺乏的问题，从藻类固有光学特征入手，利用赤潮水体遥感反射率光谱的红光光谱特性建立东海赤潮卫星遥感业务化监测算法，以及基于卫星的东海赤潮优势藻种遥感识别方法。其中本研究（1）建立了基于分光光度计的悬浮颗粒吸收、散射和后向散射特性的精确测量方法，并利用上述测量方法开展了多种东海赤潮藻类固有光学特性测量，发现东海常见赤潮藻种东海原甲藻红光波段叶绿素比吸收系数低于硅藻而叶绿素c比重却大于硅藻，以及两者的特征色素的差异导致东海原甲藻和硅藻在红光和绿光波段的吸收散射光谱斜率都存在着明显差异；（2）根据上述固有光谱特征差异，本研究利用水体辐射传输模型开展了其赤潮水体红光波段反射峰位移机理和赤潮水体遥感光谱特征差异形成机制研究，发现上述差异最终导致东海原甲藻赤潮红光波段反射峰随叶绿素浓度增加而向长波段移动的速率大于硅藻赤潮，以及硅藻赤潮反射光谱在645nm附近存在一个肩峰而东海原甲藻赤潮反射率光谱在530nm附近光谱斜率明显大于硅藻；（3）基于上述反射率光谱特征，本研究建立了稳定的赤潮卫星遥感监测方法，其中包括基于红光和荧光波段的MODIS卫星遥感赤潮识别算法和基于波段比值的MERIS卫星遥感赤潮监测算法；并且在赤潮水体准确识别的基础上，在国内率先建立了基于红绿波段 东海原甲藻指数（PDI）和硅藻指数（DI）的东海原甲藻赤潮与硅藻赤潮识别方法，通过现场观测数据检验证明该算法具有较高的准确性；其中相关赤潮遥感监测算法已被国家海洋局东海环境监测中心采用作为业务化方法在其示范区海域的开展赤潮卫星遥感监测和《赤潮卫星遥感监测报告》的制作。