利用GF-1和MODIS準同步光學(xué)遙感圖像反演內(nèi)波參數(shù)的研究?

梅 源， 張旭東， 孫麗娜， 孟俊敏， 王 晶? ?

(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.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

利用GF-1和MODIS準同步光學(xué)遙感圖像反演內(nèi)波參數(shù)的研究?

梅 源1， 張旭東1， 孫麗娜2， 孟俊敏2， 王 晶1? ?

(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.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

高分一號(GF-1)光學(xué)遙感衛(wèi)星的發(fā)射為海洋內(nèi)波的研究提供了精細的觀測資料，利用其圖像高空間分辨率的優(yōu)勢，結(jié)合高時間分辨率的中分辨率成像光譜儀(MODIS)的匹配數(shù)據(jù)，能夠?qū)δ现袊|沙島附近的內(nèi)波開展特征參量的反演。本文處理了GF-1和MODIS的準同步圖像，選取東沙島附近的相鄰時刻的同一條內(nèi)波進行分析，提取其空間位移，計算出內(nèi)孤立波傳播的群速度。分析GF-1和MODIS圖像上同一條內(nèi)波的灰度剖面，計算了明暗條紋間距，結(jié)合當?shù)厮詈蜏佧}數(shù)據(jù)，應(yīng)用非線性薛定諤方程反演內(nèi)孤立波的振幅，探究大陸架附近內(nèi)孤立波的振幅演變。研究結(jié)果表明：內(nèi)孤立波的群速度在東沙島附近向西傳播過程中逐漸變?。辉谙嗨频臏佧}條件下，遙感圖像中內(nèi)波的明暗條紋間距和振幅呈現(xiàn)負相關(guān)，在深海區(qū)水深和振幅呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在淺海區(qū)由于非線性作用增強會出現(xiàn)振幅隨水深變小反而增大的現(xiàn)象。

海洋內(nèi)波；光學(xué)遙感；群速度；振幅；準同步

目前，遙感是大范圍觀測內(nèi)波的重要手段。我國高分專項近期成功發(fā)射的高分一號(以下簡稱GF-1)光學(xué)遙感衛(wèi)星的空間分辨率達到米級。而以中分辨率成像光譜儀(以下簡稱MODIS)為代表的中分辨率光學(xué)遙感器，有著圖像覆蓋范圍大、時間分辨率高、數(shù)據(jù)公開免費的優(yōu)勢。將GF-1和MODIS兩者相結(jié)合，為深入研究內(nèi)波精細結(jié)構(gòu)的反演提供了可能。

衛(wèi)星遙感觀測表明海洋中的內(nèi)孤立波活動十分活躍，普遍存在于世界各大洋[1]。Alford等[2]根據(jù)SAR遙感圖像和實測數(shù)據(jù)，對南中國海內(nèi)波的生成和傳播路徑進行長期深入研究，得出南中國海內(nèi)波產(chǎn)生于呂宋海峽周期性的內(nèi)潮，其傳播伴隨著能量流的傳遞，并且黑潮影響內(nèi)波的傳播方向。針對南中國海北部海域的內(nèi)波動力學(xué)特征[3]和大振幅內(nèi)波能量屬性[4]的研究也從未停止。同時，大量遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計了該海域的海洋內(nèi)波時空分布，并且建立模型進行信息反演[5-9]。楊頂田[10]利用中巴資源衛(wèi)星研究內(nèi)波在海南島附近海域的分布和傳播方向，反演了內(nèi)波的振幅、相速度等參數(shù)信息。Chen等[11]利用兩層模型和多層模型下的KDV/BO方程的系數(shù)對應(yīng)相等，從而得到了最合適的上下層水深及密度，再結(jié)合MODIS圖像反演出內(nèi)波的振幅。Liu等[12-13]利用MODIS和SAR探測到的中國南海的同一條內(nèi)波，計算了內(nèi)波的相速度，并發(fā)現(xiàn)內(nèi)波的相速度與水深成正比。次年，通過Envisat和ERS-2同步衛(wèi)星相鄰30 min的三對SAR圖像追蹤了13列內(nèi)孤立波的軌跡，由空間位移和時間間隔計算出內(nèi)孤立波的相速度，與當?shù)厮詈驮露葰夂驅(qū)W海洋分層數(shù)據(jù)得出的理論值相吻合。黃曉冬等[14]基于MODIS圖像，對位于南海北部水深3 000 m左右的內(nèi)波個例進行了研究，他們采用Zheng等[15]提出的Peak-to-Peak方法反演了內(nèi)波振幅和相速度。總之，學(xué)者們利用SAR和MODIS等觀測不同海域內(nèi)波并進行了參數(shù)反演。SAR雖然具有全天候、全天時探測能力，但重訪時間過長，而以MODIS為代表的光學(xué)遙感傳感器雖然時間分辨率較高，但最好的空間分辨率只有250 m，都無法實現(xiàn)內(nèi)波精細結(jié)構(gòu)和準連續(xù)時間演變的探測。GF-1光學(xué)遙感圖像的空間分辨率達到米級，彌補了MODIS空間分辨率的不足，我們以此為切入，結(jié)合MODIS的高時間分辨率，選取東沙島附近內(nèi)波為研究對象進行觀測和參數(shù)反演。

本文采用2013年7月—2014年6月的GF-1和MODIS數(shù)據(jù)，分析南中國海東沙島(20°N～22°N，116°E～118°E)附近的同一條內(nèi)波，計算內(nèi)波傳播的群速度并反演內(nèi)波振幅，探究內(nèi)波在近海大陸架的特征參數(shù)變化規(guī)律。

1 東沙島內(nèi)波光學(xué)遙感圖像收集與處理

GF-1是我國“高分系列項目”第一顆高分辨率對地觀測光學(xué)遙感衛(wèi)星，于2013年4月26日發(fā)射升空，其上搭載兩臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機、四臺16 m分辨率多光譜相機，時間分辨率為4 d。GF-1的軌道參數(shù)表明，衛(wèi)星每日于北京時間11時左右穿過南中國海區(qū)域，為我們觀測該海域內(nèi)波提供了有利條件。我們選取16 m分辨率的GF-1圖像對東沙島內(nèi)波進行研究。

MODIS是搭載在美國Terra和Aqua衛(wèi)星上的重要光學(xué)傳感器，是觀測內(nèi)波的主要數(shù)據(jù)來源。MODIS采用掃描式成像，圖像刈幅可達2 330 km，三種空間分辨率為250、500和1 000 m，時間分辨率為1～2 d。Terra衛(wèi)星于10時30分降軌經(jīng)過赤道，在其時間段附近可以收集覆蓋南海的大量MODIS圖像。我們選取250m分辨率的MODIS圖像分析東沙島的內(nèi)波。

本文收集了2013年7月至2014年6月累計一年的東沙島地區(qū)(20°N～22°N，116°E～118°E)GF-1和MODIS圖像作為研究對象，由于光學(xué)遙感圖像受到天氣影響較大，能夠同時在高分辨率的GF-1圖像和中分辨率的MODIS圖像上追蹤到清晰的內(nèi)波軌跡，獲得3對(6景)圖像。由于空間位置固定，成像時間相近，可以確定遙感圖像中為同一條內(nèi)波的傳播。

對GF-1和MODIS圖像進行幾何校正和添加經(jīng)緯度后，獲取了南海東沙島分別在2014年4月18日，2014年3月20日和2013年9月7日3對GF-1與MODIS圖像，追蹤了6列內(nèi)波的軌跡，如圖1所示。

2 計算內(nèi)波傳播的群速度

基于GF-1和MODIS獲得的東沙島內(nèi)波空間位置信息(見圖1)，從波峰線的推移可以看出內(nèi)波在東沙島海域從東向西傳播。由于GF-1和MODIS拍攝的時間差Δt是確定的，測量出同一條內(nèi)波的空間位移Λ，就可以得出內(nèi)波傳播的群速度Cg。即

Cg=Λ/Δt。

(1)

本文采用的GF-1圖像分辨率為16 m，MODIS圖像分辨率為250 m，GF-1圖像分辨率較MODIS圖像分辨率更高，讀取內(nèi)波明暗條紋間距中心點經(jīng)度時更精確。

對于圖1(a)(b)2014年4月18日的內(nèi)波A和B圖像，GF-1上內(nèi)波A1和B1成像于03:14:10 UTC，MODIS上內(nèi)波A2和B2成像于02:45 UTC，(c)(d)2014年3月20日的內(nèi)波C、D和E圖像，GF-1上內(nèi)波C1、D1和E1成像于03:05:43 UTC，MODIS上內(nèi)波C2、D2和E2成像于03:15 UTC，(e)(f)2013年9月7日的內(nèi)波F圖像，GF-1上內(nèi)波F1成像于03:18:15 UTC，MODIS上內(nèi)波F2成像于03:25 UTC，東沙島所在緯20°N區(qū)域每個經(jīng)度值間隔約104.31km，同一條內(nèi)波的空間位移Λ由準同步的GF-1和MODIS圖像上明暗條紋的中心點經(jīng)度差乘以一個經(jīng)度對應(yīng)的距離得出，計算出東沙島附近內(nèi)波傳播的群速度(見表1)。

(GF-1圖像(a)(c)(e)與MODIS圖像(b)(d)(f)相匹配對應(yīng)，A～F表示追蹤的6列內(nèi)波軌跡。GF-1 images (a) (c) (e) match MODIS images (b) (d) (f), A～F represent paths of 6 internal waves in track.)

圖1 東沙島內(nèi)波的GF-1和MODIS圖像Fig.1 GF-1 and MODIS images of internal waves near Dongsha Atoll表1 追蹤的6列東沙島附近內(nèi)波傳播的群速度Table 1 The group velocity of 6 internal waves in track near Dongsha Atoll

Note: ①Internal wave；②Latitude；③The central longitude of bright-dark stripes on GF-1 images；④The central longitude of bright-dark stripes on MODIS images；⑤Spatial displacement；⑥Time difference；⑦The group velocity

由時間可以看出，GF-1和MODIS都于北京時間上午11時左右經(jīng)過東沙島上空，圖像顯示南中國海內(nèi)波自東向西傳播，傳播至東沙島附近分裂。按上述方法，得出在東沙島周圍，內(nèi)波傳播群速度約1～1.5 m/s；東沙島的東部，內(nèi)波傳播的群速度約2～2.5 m/s。在此海域范圍，Liu等[16]研究2006年5月三處CTD站點的實測數(shù)據(jù)，計算得出自東向西水深分別為1 100、650和320 m時，內(nèi)波傳播的群速度依次為2.139 4、1.511 5和1.062 2 m/s的結(jié)論。得出的東沙島海域內(nèi)波傳播速度與該學(xué)者的實測結(jié)果一致。

基于兩星數(shù)據(jù)的時間間隔較短，同一條內(nèi)波在兩景圖像的位置接近，此時測量空間位移的誤差是傳播群速度誤差的主要來源。結(jié)合追蹤的6列內(nèi)波A～F所在位置的水深數(shù)據(jù)，分析三組不同圖像，東沙島東部水深較深處，內(nèi)波A、B、C、F的傳播速度接近或大于2 m/s，東沙島周圍水深較淺處，內(nèi)波D、E的傳播速度小于2 m/s；分析同一組圖像，以2014年3月20日為例，東沙島東部的內(nèi)波C，東沙島南部的內(nèi)波D和東沙島北部的內(nèi)波E水深依次變淺，其傳播速度也依次變小。因此，上述結(jié)果表明東沙島附近內(nèi)波的群速度隨水深變淺而減小。

3 內(nèi)波振幅的反演

采用高階完全非線性薛定諤方程描述內(nèi)波[17]：

(2)

式中：α是頻散系數(shù)；β是非線性系數(shù)；并且引進了兩個修正項；α1是高階頻散系數(shù)；β1和β2是高階非線性系數(shù)，公式中第2、3項為頻散項，第4、5、6項為非線性項。

采用方程(2)描述內(nèi)波傳播，結(jié)合遙感圖像的成像機理，可以得到如下反演模型[18]。當αβ<0 時，內(nèi)波半寬度與遙感圖像中內(nèi)波的亮暗間距的關(guān)系為

D=1.32l。

(3)

當αβ>0時，可以得出

D=1.76l。

(4)

式中：間距D代表的是能夠從遙感圖像上直接測量的內(nèi)波亮暗條紋間距；l代表內(nèi)波的半寬度，內(nèi)波的振幅為

(5)

反演內(nèi)波的振幅需要明暗條紋間距D，頻散系數(shù)α和非線性系數(shù)β。首先，α和β可由總水深，上層水深，上層平均密度和下層平均密度算出，將從地形高程數(shù)據(jù)官網(wǎng)Etopo1和溫鹽數(shù)據(jù)集下載所需經(jīng)緯度范圍內(nèi)的水深數(shù)據(jù)和溫度鹽度數(shù)據(jù)進行處理可得以上參量；其次，明暗條紋間距D可從GF-1和MODIS圖像上直接提取內(nèi)波信息；最后，按如上公式(5)可得內(nèi)波的振幅值A(chǔ)0。

在GF-1和MODIS圖像中選取一個無云的子圖像，將子圖像沿垂直于內(nèi)波傳播方向取灰度剖面曲線。

((a)GF-1圖像的灰度剖面曲線；(b)MODIS圖像的灰度剖面曲線。(a) Gray level profile curve of GF-1 images; (b) Gray level profile curve of MODIS images.)

圖2 2014-04-18東沙島內(nèi)波A于20°50′N的灰度剖面曲線
Fig.2 Gray level profile curve of internal wave A near Dongsha Atoll at 20°50′N on April 18, 2014

圖2是2014年4月18日東沙島內(nèi)波A在緯度20°50′N處提取的灰度剖面曲線。對比GF-1和MODIS圖像的灰度剖面曲線可以看出，GF-1的灰度剖面曲線像素點密集，峰谷之間包含的像素點較多，曲線比較平滑；MODIS的灰度剖面曲線像素點稀疏，峰谷之間包含的像素點較少，曲線比較波折。因此，GF-1提取的明暗條紋間距D較MODIS更精確。圖2(a)GF-1圖像成像于太陽耀斑區(qū)，灰度剖面圖先暗后亮，2(b)MODIS圖像成像于非耀斑區(qū)，同一條內(nèi)波灰度剖面圖先亮后暗[19]。

為了反演內(nèi)波振幅，分別提取圖1中三組內(nèi)波圖像的當?shù)販佧}水深數(shù)據(jù)，得出如下參數(shù)。對于圖1(a)(b)的內(nèi)波A和B圖像，上層水深為40m，上層密度為1 022.2 kg/m3，下層密度為1 024 kg/m3，(c)(d)的內(nèi)波C、D和E圖像，上層水深為25 m，上層密度為1 022.3 kg/m3，下層密度為1 024 kg/m3，(e)(f)的內(nèi)波F圖像，上層水深為50 m，上層密度為1 022.4 kg/m3，下層密度為1 023.8 kg/m3，根據(jù)上述方法反演的東沙島附近內(nèi)波振幅結(jié)果見表2。

表2 東沙島附近GF-1和MODIS圖像6列內(nèi)波振幅的反演Table 2 Inversion of 6 internal waves amplitude on GF-1 and MODIS images near Dongsha Atoll

由于GF-1空間分辨率較MODIS更高，圖像灰度剖面圖下像素點更密集，峰、谷的位置更精確，而MODIS讀取的明暗條紋間距比GF-1的偏大。對于準同步的內(nèi)波B1和B2、D1和D2、F1和F2，MODIS圖像上讀取的明暗條紋間距比GF-1的大100～300 m，而內(nèi)波A1和A2、C1和C2、E1和E2，MODIS圖像上讀取的明暗條紋間距比GF-1的大400～600 m。分析表2中三組圖像的參數(shù)，追蹤的6列內(nèi)波A～F在GF-1和MODIS圖像上位置接近，其中內(nèi)波A、D、E和F在相匹配的圖像上水深近似相同，相差不超過20 m，MODIS圖像的明暗條紋間距大于GF-1圖像的明暗條紋間距，MODIS圖像的反演振幅小于GF-1圖像的反演振幅，可以看出內(nèi)波的明暗條紋間距和振幅呈負相關(guān)。分析同一組圖像，以2014年4月18日為例，東沙島東部的內(nèi)波A和B，明暗條紋間距相差不大，內(nèi)波A位于內(nèi)波B的西側(cè)，A處水深小于B處，內(nèi)波A反演振幅小于內(nèi)波B反演振幅；分析不同組圖像，以2014年3月20日東沙島南部的內(nèi)波D和2013年9月7日東沙島東部的內(nèi)波F為例，明暗條紋間距相差也不大，D處水深大于F處，內(nèi)波D反演振幅卻小于內(nèi)波F反演振幅?？梢妰?nèi)波的振幅和水深的關(guān)系比較復(fù)雜，反演振幅決定于頻散系數(shù)α和非線性系數(shù)β，明暗條紋間距相近情況下，在深海區(qū)水深和內(nèi)波的反演振幅呈正相關(guān)，在淺海區(qū)非線性作用增強會導(dǎo)致水深變小振幅增大的情況。

4 結(jié)語

本文利用2013-07—2014-06的GF-1和MODIS數(shù)據(jù)，對比分析南中國海東沙島的同一條內(nèi)波的參數(shù)特征。經(jīng)過大數(shù)量GF-1圖像的篩選，結(jié)合同時間段的MODIS圖像，得出了東沙島內(nèi)波傳播的群速度。同時，基于高階完全非線性薛定諤方程，結(jié)合內(nèi)波在遙感圖像上的明暗條紋間距反演振幅，得出東沙島所在的大陸架附近內(nèi)波振幅。

南中國海的東沙島內(nèi)波自東向西傳播，其群速度隨水深的變淺而減小。東沙島所在大陸架附近反演的內(nèi)波振幅量級都為幾十米，這與甘錫林等[20]的遙感統(tǒng)計數(shù)據(jù)相吻合:在東沙島附近,內(nèi)波相速度在1.5～2 m/s左右,振幅在20～80 m左右。總水深相近情況下，內(nèi)波的明暗條紋間距和反演振幅呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系；明暗條紋間距相近情況下，反演振幅決定于頻散系數(shù)α和非線性系數(shù)β，在南海深水區(qū)域總水深和內(nèi)波的反演振幅呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在淺水區(qū)域非線性作用增強會導(dǎo)致水深變小振幅增大。

由GF-1和MODIS圖像數(shù)據(jù)得到的內(nèi)波在東沙島傳播的群速度和反演振幅，可以清晰地看出內(nèi)波在近海大陸架傳播速度和振幅的變化。由于MODIS遙感圖像的分辨率低導(dǎo)致反演內(nèi)波振幅偏小，誤差較大。無疑，高分辨率的GF-1光學(xué)遙感為海洋內(nèi)波的研究提供了精細化的觀測資料，大大提高了探測內(nèi)波的精度。

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StudyonInversionofInternalWaveParameterUsingGF-1andMODISQuasi-SynchronousOpticalRemoteSensingImages

MEI Yuan1, ZHANG Xu-Dong1, SUN Li-Na2, MENG Jun-Min2, WANG Jing1

(1.College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

“GF-1” optical remote sensing satellite provides detailed data for the study of ocean internal wave. Combine the high spatial resolution images from GF-1 with the matching data of high temporal resolution from moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS), inversion of the internal wave characteristic parameter near Dongsha Atoll in the South China Sea was studied. In this paper, GF-1 and MODIS quasi-synchronous images with the same internal wave in adjacent time near Dongsha Atoll were processed. Then the spatial displacement was extracted and thus the group velocity of internal solitary wave was calculated. In addition, gray level profiles of the same internal wave in GF-1 and MODIS images were analyzed, and the distance between the positive and negative peaks were calculated. Combining with the local bathymetry and data of temperature and salinity, the evolution of internal solitary wave amplitude near the continental shelf was studied with the application of nonlinear Schrodinger equation for amplitude inversion. Results showed that the group velocity becomes smaller with internal solitary wave near Dongsha Atoll propagating westward. Under the similar condition of temperature and salinity, the distance between the positive and negative peaks in remote sensing images and the amplitude present negative correlation, water depth and amplitude present positive correlation in the deep sea area. In shallow sea, however, amplitude of internal waves will increase with the decreasing depth of water because of the strong nonlinear effect.

ocean internal wave; optical remote sensing; group velocity; amplitude; quasi-synchronous

P731.24，P236

A

1672-5174(2018)02-113-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20150373

梅源， 張旭東，孫麗娜， 等. 利用GF-1和MODIS準同步光學(xué)遙感圖像反演內(nèi)波參數(shù)的研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 48(2): 113-119.

MEI Yuan, ZHANG Xu-Dong, SUN Li-Na, et al. Study on inversion of internal wave parameter using GF-1 and MODIS quasi-synchronous optical remote sensing images[J]. Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(2): 113-119.

國家自然科學(xué)基金項目(61171161)資助

Supported by the National Natural Science Foundation of China(61171161)

2015-06-15；

2016-02-16

梅源(1990-)，男，碩士生，主要從事光學(xué)遙感方面的研究。E-mail：yuanmei.register@gmail.com

? ? 通訊作者：E-mail:wjing@ouc.edu.cn

責任編輯 陳呈超