基于客觀分析的多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品融合方法研究

施英妮,張亭祿,石立堅,胡曉華,南明星

（1 .中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100；2 .北京5111信箱,北京100094；3 .國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京100081；4 .國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室,北京100081；5 .北京市2433信箱,北京100081）

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基于客觀分析的多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品融合方法研究

施英妮1,2,張亭祿1,石立堅3,4,胡曉華2,南明星5

（1 .中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100；2 .北京5111信箱,北京100094；3 .國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京100081；4 .國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室,北京100081；5 .北京市2433信箱,北京100081）

摘要:本文基于Aqua/M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M E RIS多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品,研究了客觀分析融合方法,制作了西北太平洋海域（0°～50°N,100°～150°E）葉綠素a濃度融合產(chǎn)品,并從有效數(shù)據(jù)空間覆蓋率和產(chǎn)品精度兩個方面對融合方法進(jìn)行了評價。與單傳感器以及歐洲太空局發(fā)布的GS M模型業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品相比,客觀分析融合產(chǎn)品空間覆蓋率明顯提高；與收集的2002 - 2012年間葉綠素a濃度實測數(shù)據(jù)比較,GS M模型業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品的匹配數(shù)據(jù)點為578個,偏差為- 0.20 mg/m3,均方根誤差為0.37 mg/m3,客觀分析法融合產(chǎn)品的匹配數(shù)據(jù)點為1 432個,偏差為- 0.21 mg/m3,均方根誤差為0.36 mg/m3。結(jié)果表明:本文研究的客觀分析融合方法在保證融合產(chǎn)品精度的同時可顯著提高產(chǎn)品的空間覆蓋率,在海洋水色融合應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞:客觀分析法；融合；葉綠素a濃度；空間覆蓋率；產(chǎn)品精度

1 引言

葉綠素a（chlorophyll a ,簡稱Chl a）濃度是浮游植物生物量的表征,而浮游植物是海洋生物鏈的基礎(chǔ)。濃度高表征浮游植物大量繁殖,會使海水水體中的氧氣大量被消耗,造成海洋生物窒息死亡［1］。某些浮游植物的突發(fā)性增殖和聚集還會形成赤潮,引起一定范圍內(nèi)水體變色,影響部分海域的水質(zhì)［2］。因此海洋葉綠素a濃度已成為衡量浮游植物的生物量和評價海洋水質(zhì)、有機(jī)污染程度的重要參數(shù)［3］,監(jiān)測葉綠素a濃度對了解海區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要意義。

目前海洋水色衛(wèi)星已成為監(jiān)測葉綠素a濃度全球分布的標(biāo)準(zhǔn)工具。據(jù)國際海色組織（International Ocean Colour Coordinating Group,簡稱IO CC G）統(tǒng)計,截至2014年底,搭載海色傳感器的在軌衛(wèi)星共有10余顆。這些衛(wèi)星除了韓國G O CI（Geostationary Ocean Color Imager）屬于靜止衛(wèi)星,其余都是極軌衛(wèi)星。極軌海色衛(wèi)星在運行過程中會受到太陽耀斑和云的影響,有效數(shù)據(jù)空間覆蓋率有限,提取的信息往往不完整,不能滿足實際應(yīng)用的需求。遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)可將多源傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和復(fù)合,產(chǎn)生比單一數(shù)據(jù)源更完整、更可靠、更精確的結(jié)果,有效提高遙感數(shù)據(jù)的利用率,擴(kuò)大遙感產(chǎn)品的空間和時間覆蓋率,成為近些年來世界范圍內(nèi)遙感應(yīng)用領(lǐng)域中的研究熱點［4］。國外在海色遙感資料融合方面的研究起步較早。1997年美國N ASA（National Aeronautics and Space Administration）正式提出SIM BIOS（Sensor Intercomparison and M ergerfor Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies）研究計劃［5］,隨后,歐洲空間局又提出G L O BColour研究計劃［6］。這些計劃利用平均法、GS M（Garver Sie-gel M aritorena）生物光學(xué)模型法等技術(shù),對多顆衛(wèi)星觀測的水色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,建立了高質(zhì)量的海色數(shù)據(jù)集合。國內(nèi)在水色遙感資料融合方面起步較晚,中國海洋大學(xué)利用小波分析融合方法計算了2001年Sea WiES和M O DIS葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的年平均可利用率［7］。雖然目前國際上使用平均法、GS M生物法進(jìn)行葉綠素融合產(chǎn)品的發(fā)布,但這兩種方法對空間覆蓋率的改善十分有限,如GS M融合產(chǎn)品的全球覆蓋率約為25 %［8］,難以滿足實際應(yīng)用的需求。客觀分析融合算法由于使用時空差值可以有效提高產(chǎn)品覆蓋率和精度,目前已在海面溫度和高度計融合產(chǎn)品制作中廣泛應(yīng)用［9—10］,但在海色融合方面應(yīng)用較少。

本文基于Aqua/M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M E RIS多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品,研究了客觀分析融合方法,制作了西北太平洋海域的融合產(chǎn)品。文章首先介紹了研究中用于算法研究的衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及用于評價融合結(jié)果的實測數(shù)據(jù)和歐洲太空局發(fā)布的GS M業(yè)務(wù)化葉綠素a融合產(chǎn)品；然后對不同傳感器之間的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉校準(zhǔn),為后續(xù)數(shù)據(jù)融合奠定基礎(chǔ)；詳細(xì)介紹客觀分析融合算法,并從空間覆蓋率和產(chǎn)品精度兩個方面對融合產(chǎn)品進(jìn)行評價；最后得出結(jié)論。

2 數(shù)據(jù)

2 .1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)為美國的Aqua/M O DIS、Terra/M O DIS和歐洲太空局的Envisat/M E RIS 3個傳感器的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)。3個傳感器主要參數(shù)如表1所示,3個傳感器的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)均可在美國N ASA的O CE A N C O L O R網(wǎng)站［11］免費獲取,數(shù)據(jù)產(chǎn)品為Level 3標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為H DE格式（Hierarchical Data Eormat）,空間分辨率采用4 k m。

表1 Aqua/M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M ERIS海色傳感器性能參數(shù)Tab .1 The main characteristics of Aqua/M O DIS,Terra/M O DIS and Envisat/M ERIS

2.2 浮標(biāo)數(shù)據(jù)

浮標(biāo)數(shù)據(jù)用于驗證融合產(chǎn)品的精度,由美國N ASA海洋生物光學(xué)數(shù)據(jù)庫（Sea WiES Bio-optical Archive and Storage System,簡稱SeaB ASS）［12］提供。本文收集了數(shù)據(jù)庫中2002 - 2012年5 844組葉綠素a濃度測量數(shù)據(jù),與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,生成試驗驗證的匹配數(shù)據(jù)集。匹配的時間間隔為1 d,空間間隔為4 k m。

3 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)交叉校準(zhǔn)

不同的海色傳感器在儀器校準(zhǔn)和反演算法等方面具有不同的差異,為消除傳感器之間在時間、空間及反演精度等方面的差異,獲取具有較高一致性的葉綠素a融合產(chǎn)品,需要進(jìn)行各傳感器之間的數(shù)據(jù)交叉校準(zhǔn),即用定標(biāo)精度較高的傳感器作為參考傳感器,建立參考傳感器輸出和待定標(biāo)傳感器輸出之間的關(guān)系,利用參考傳感器的觀測值和兩個傳感器輸出之間的關(guān)系確定待定標(biāo)傳感器的觀測值,進(jìn)而將多個傳感器平臺的觀測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)到同一基準(zhǔn)［13］。交叉校準(zhǔn)中參考傳感器的選擇很重要,Aqua/M O DIS具有完善的星上定標(biāo)系統(tǒng),星上定標(biāo)系數(shù)的不確定度在2 %左右,且重訪周期短,近年來的研究工作也印證了Aqua/M O DIS數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性［14—15］,因此本文使用Aqua/M O DIS傳感器作為交叉校準(zhǔn)中的參考傳感器。

以2010年西北太平洋海域每日Aqua/M O DIS傳感器葉綠素a濃度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),分別與Terra/ M O DIS和Envisat/M ERIS的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,參照Campbell的方法［16］,對匹配的葉綠素數(shù)據(jù)取以10為底的對數(shù)運算,匹配數(shù)據(jù)點的密集度分布如圖1所示。由圖1可見,Terra/M O DIS、Envisat/M ERIS的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)與Aqua/M O DIS葉綠素a濃度數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.97和0.96,由此匹配數(shù)據(jù)集建立的相關(guān)關(guān)系如式（1）和（2）:

圖1 不同傳感器葉綠素a濃度匹配數(shù)據(jù)密集度分布Eig .1 Probability density distribution of the matched data between different sensors a .Aqua/M O DIS與Terra/M O DIS,b .Aqua/M O DIS與Envisat/M E RIS a .Aqua/M O DIS versus Terra/M O DIS,b .Aqua/M O DIS versus Envisat/M E RIS

4 客觀分析融合方法

客觀分析算法基于Gauss- M arkoff理論,采用時間空間窗口內(nèi)的觀測數(shù)據(jù),確定插值范圍內(nèi)各個觀測值的權(quán)重,使得插值誤差最小,給出插值網(wǎng)絡(luò)上的估計值［17］。在分析之前,首先要對以分析日期為中心的n天內(nèi)的各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、質(zhì)量控制,再以各衛(wèi)星的空間分辨率和有效數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度劃分優(yōu)先選取順序,根據(jù)順序先后選用各種觀測數(shù)據(jù)。以葉綠素濃度a產(chǎn)品為例,假設(shè)各種衛(wèi)星資料空間分布是不規(guī)則的并有時間間隔,在點（x,y）處、時間t的葉綠素a濃度的線性最小平均平方估計為［9］:

式中,Chl aest為葉綠素a濃度的估計值,Φobs為葉綠素a濃度衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),為衛(wèi)星觀測值自相關(guān)矩陣的逆矩陣,M為觀測數(shù)據(jù)的反距離加權(quán)平均值,C為估計值與觀測值二者的互相關(guān)矩陣,Δx、Δy、Δt分別為估計值與觀測值的緯向距離、經(jīng)向距離、時間差,L、T分別為空間和時間相關(guān)尺度,融合的具體流程如圖2所示。首先,將3個傳感器葉綠素a濃度數(shù)據(jù)在預(yù)定義的插值窗口搜索數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；然后,求空間窗口內(nèi)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)的逆矩陣,如果存在則采用式（3）給出估計值,如果不存在,直接采用觀測數(shù)據(jù)的反距離加權(quán)平均值（M）給出估計值；最后輸出融合結(jié)果。本文空間相關(guān)半徑L選為1°,時間相關(guān)尺度T選為3 d。

圖2 客觀分析法融合葉綠素a濃度產(chǎn)品流程圖Eig .2 Elow chart of the objective analysis for merging chlorophyll a data

5 融合結(jié)果評價

5 .1 空間覆蓋率比較

為了評價融合產(chǎn)品的空間覆蓋率,本文以2010 年2月24日A qua/M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M E RIS 3個傳感器在西北太平洋海域（0°～50°N,100°～150°E）葉綠素a濃度數(shù)據(jù)為例,計算單個傳感器及歐洲太空局G S M生物光學(xué)模型和客觀分析算法融合產(chǎn)品的空間覆蓋率,如圖3所示。A qua/M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M E RIS單傳感器有效值在該海域空間覆蓋率分別為13.45 %、14.86 %和9.13 % ,G S M生物光學(xué)模型融合產(chǎn)品的空間覆蓋率為31.11 % ,客觀分析法融合產(chǎn)品空間覆蓋率可達(dá)61.80 %?？梢?利用客觀分析算法對海洋水色資料進(jìn)行融合,相比與單傳感器及G S M生物光學(xué)模型融合產(chǎn)品,顯著提高了資料的空間覆蓋率。

5 .2 融合產(chǎn)品精度

圖3 西北太平洋不同海域葉綠素a濃度產(chǎn)品分布（2012年2月24日）Eig .3 Comparison of Aqua/M O DIS,Terra/M O DIS,Envisat/M E RIS and merged chlorophyll a data in the northwest Pacific region a .Aqua/M O DIS產(chǎn)品,b .Terra/M O DIS產(chǎn)品,c .Envisat/M E RIS產(chǎn)品,d .GS M生物光學(xué)模型融合產(chǎn)品,e .客觀分析法融合產(chǎn)品a . Aqua/M O DIS,b .Terra/M O DIS,c .Envisat/M E RIS,d .GS M merged,e .objective analysis merged

歐洲太空局發(fā)布的GS M模型業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品和本文客觀分析法融合產(chǎn)品分別與SeaB ASS現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的對比,結(jié)果如圖4所示。歐洲太空局發(fā)布的GS M模型業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品的匹配數(shù)據(jù)點為578個,相關(guān)系數(shù)為0.73,偏差為- 0.20 mg/m3,均方根誤差為0.37 mg/m3；應(yīng)用本文客觀分析法融合產(chǎn)品的匹配數(shù)據(jù)點為1 432個,相關(guān)系數(shù)為0.75,偏差為- 0.21 mg/m3,均方根誤差為0.36 mg/m3；通過對比發(fā)現(xiàn),客觀分析融合產(chǎn)品與GS M業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品的精度基本一致,但與實測數(shù)據(jù)的匹配點明顯增加,表明空間覆蓋明顯增加。

圖4 GS M模型業(yè)務(wù)化融合產(chǎn)品（a）和客觀分析法融合結(jié)果（b）分別與實測數(shù)據(jù)比對的散點圖Eig .4 Scatter diagram of merged chlorophyll a data and in-situ chlorophyll a data（a .GS M merged data,b .objective analysis merged data）

6 結(jié)論

目前海色衛(wèi)星大都是極軌運行,產(chǎn)品日有效覆蓋率有限,為了提高產(chǎn)品有效覆蓋率,本文基于Aqua/ M O DIS、Terra/M O DIS和Envisat/M E RIS多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品,詳細(xì)研究了客觀分析融合方法,實現(xiàn)了多源海洋水色遙感資料的融合。通過空間覆蓋率分析發(fā)現(xiàn),客觀分析融合方法可顯著提高有效數(shù)據(jù)空間覆蓋率；與現(xiàn)場測量資料對比發(fā)現(xiàn),基于客觀分析方法的融合產(chǎn)品與歐洲太空局業(yè)務(wù)化GS M融合產(chǎn)品的精度基本一致?？陀^分析融合方法在保證融合產(chǎn)品精度的同時可顯著提高產(chǎn)品的空間覆蓋率,在海洋水色融合應(yīng)用前景廣闊。

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中圖分類號:T P79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-4193（2016）03-0082-06

收稿日期:2015-04-01；

修訂日期:2015-07-15。

基金項目:國家國際科技合作專項資助（2011 DE A22260）；國家基金委——山東省聯(lián)合基金項目“海洋環(huán)境動力學(xué)和數(shù)值模擬”（U1406404）,高分專項。

作者簡介:施英妮（1979—）,女,山東省煙臺市人,博士研究生,工程師,主要從事海洋遙感應(yīng)用研究。E-mail:nini0303 @ 163 .com

施英妮,張亭祿,石立堅,等.基于客觀分析的多源衛(wèi)星葉綠素a濃度產(chǎn)品融合方法研究［J］.海洋學(xué)報,2016,38（3）:82 - 87,doi: 10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.008

Shi Yingni,Zhang Tinglu,Shi Lijian,et al.Objective analysis for merging multisensory chlorophylla data［J］. Haiyang Xuebao,2016,38 （3）:82 - 87,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.008

Objective analysis for merging multisensory chlorophyll a data

Shi Yingni1,2,Zhang Tinglu1,Shi Lijian3,4,H u Xiaohua2,Nan Mingxing5
（1 .Collegeof Information Science & Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China；2 . Mailbox NO 5111,Beijing 100094,China；3 . NationalSatellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China；4 . Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Application,State Oceanic Administration,Beijing 100081,China；5 . Mailbox NO 2433,Beijing 100081,China）

Abstract:In this paper,the objective analysis method is studied to merge the daily chlorophylla concentration products over the northwest Pacific from three ocean color sensors:M oderate Resolution Imaging Spectroradiometer （M O DIS）on the Aqua platform,M O DIS on the Terra platform and the M ediu m Resolution Imaging Spectrometer （M E RIS）on the E N VISAT platform . The objective analysis method is evaluated from the spatial coverage ratio and the accuracy of the merged result. The evaluation result showed that the spatial coverage of objective analysis method products is much larger than that of the single sensor products and the GS M merged products . Through validation with thein-situ data during periodsfrom 2002 to 2012,the matched data ofthe GS M merged data and the Objective Analysis method merged datais 578 and 1 432,respectively . The correlation coefficient and the root mean square error（R M SE）ofthe GS M merged data are - 0.20 mg/m3and 0.37 mg/m3. The same evaluation parameters of objective analysis are - 0.21 mg/m3and 0.36 mg/m3. The results show thatthe objective analysisis an effective method for merging chlorophyll a data and the product of this method has the similar accuracy with other products and higher spatial coverage ratio .

Key words:objective analysis method；data merge；chlorophyll a concentration；spatial coverage；validation