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    海洋白帽的高空間分辨率光學(xué)遙感估算分析

    2023-02-26 07:43:08趙碧丁靜劉建強(qiáng)焦俊男唐君陸應(yīng)誠(chéng)
    遙感學(xué)報(bào) 2023年1期
    關(guān)鍵詞:白帽覆蓋率海面

    趙碧,丁靜,劉建強(qiáng),焦俊男,唐君,陸應(yīng)誠(chéng)

    1.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023;

    2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081;

    3.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

    1 引 言

    海面在風(fēng)的作用下產(chǎn)生海浪,隨著海表風(fēng)速增加到某一臨界值,海浪破碎并在波峰處產(chǎn)生大量的氣泡,從而形成目視特征顯著的白色氣泡水體,被稱為海洋白帽或白冠(Oceanic whitecaps,本文中統(tǒng)稱為白帽)(Raizer 等,1994;Melville,1996;Pivaev等,2021)。海洋白帽是海面波浪破碎的直觀表現(xiàn)(Callaghan 等,2008a;Salisbury 等,2014;Paget等,2015),是海氣交換的重要媒介和通道(Frouin 等,1996 和2001;Callaghan 等,2008a),在海氣通量交換(Asher 和Wanninkhof,1998;Goddijn-Murphy等,2016;Monahan等,1983)、海洋能量傳遞(Phillips,1985;Melville,1996)、海浪發(fā)展及波形破碎(Hanson 和Phillips,1999;Melville,1996;Myrhaug 和Holmedal,2008)等方面具有指示作用,是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的重要對(duì)象。

    描述海洋白帽的屬性參數(shù)主要有白帽反射率、白帽覆蓋率等,海洋白帽在光學(xué)到微波譜段內(nèi)的反射特性基本得到闡明(Koepke,1984;Kokhanovsky,2004;Moore 等,2000;Nicolas 等,2001),其在可見(jiàn)光、近紅外波段的反射率高于背景水體,因此海洋白帽在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料中易于目視識(shí)別和提取(Koepke,1984;Frouin 等,1996,2001)。海洋白帽的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析基于原位觀測(cè)的照片或視頻資料,通過(guò)統(tǒng)計(jì)一定范圍內(nèi)白帽面積和發(fā)生頻率等特征,從而揭示該區(qū)域環(huán)境動(dòng)力的現(xiàn)象與影響因素(Monahan等,1983;Goddijn-Murphy等,2011;Callaghan 等,2008a;Jia 和Zhao,2019;Zhang 等,2015)?;诂F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料能進(jìn)一步給出白帽覆蓋率,即白帽面積占總觀測(cè)面積的比例(Whitecap coverage 或Whitecap fraction)從而可建立起白帽覆蓋率與風(fēng)速之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型(Monahan 和Muircheartaigh,1980;Callaghan 等,2008b;Lafon等,2004)。不同海域的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”模型研究,進(jìn)一步揭示了風(fēng)對(duì)海面(波浪破碎、海面粗糙度、海氣交換等)的作用機(jī)制、影響程度及區(qū)域分異特點(diǎn)(Monahan等,1983;Goddijn-Murphy等,2011;Callaghan等,2008a;Jia和Zhao,2019;Zhang等,2015)。

    衛(wèi)星光學(xué)遙感技術(shù)開(kāi)展海洋白帽的觀測(cè)分析,是厘清不同區(qū)域海洋白帽的分布變化、揭示海洋環(huán)境動(dòng)力特征的有效技術(shù)支撐(Koepke,1984;Kokhanovsky,2004;Moore 等,2000;Nicolas 等,2001)。在海洋白帽遙感研究中,除了云霧的影響,圖像空間分辨率、海洋水色差異、海面耀光反射、海洋環(huán)境動(dòng)力等均會(huì)產(chǎn)生影響(Monahan等,1983;Goddijn-Murphy等,2011;Callaghan等,2008a;Myrhaug 和Holmedal,2008)。如在粗空間分辨率的MODIS 數(shù)據(jù)中,難以直接從圖像中鑒別海洋白帽,目前多利用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)估算白帽反射信號(hào)貢獻(xiàn),提高M(jìn)ODIS 數(shù)據(jù)的大氣校正精度(Gordon和Wang,1994;Hu等,2000),因此,要從海洋遙感的高空間分辨率數(shù)據(jù)中(海洋遙感與陸地遙感在空間分辨率的需求與認(rèn)知上存在差異,不展開(kāi)討論)進(jìn)行白帽的識(shí)別提取、厘清海洋白帽的光學(xué)遙感特征。海洋白帽能在美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat 8)30 m 空間分辨率的陸地成像儀OLI(Operational Land Imager)圖像中清晰識(shí)別(Kubryakov 等,2021),也能在歐空局哨兵2 號(hào)衛(wèi)星(Sentinel-2 A/B)10 m 空間分辨率的多光譜成像儀MSI(Multi Spectral Instrument)圖像中清晰展現(xiàn)(如圖1所示)。

    圖1 海洋白帽的照片與遙感影像Fig.1 Oceanic whitecaps in photograph and remotely sensed images

    開(kāi)展高空間分辨率海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中海洋白帽的識(shí)別提取與定量反演研究,挖掘光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境動(dòng)力(如風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)等)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力,能拓展海洋光學(xué)遙感的研究范疇。本研究基于Sentinel-2 MSI 高分辨率數(shù)據(jù),進(jìn)行海面白帽覆蓋率的光學(xué)遙感反演,探索白帽覆蓋率對(duì)海面環(huán)境動(dòng)力背景的響應(yīng),分析白帽覆蓋率反演算法的適用條件、不確定性和干擾因素;面向中國(guó)首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座(海洋一號(hào)C/D衛(wèi)星,HY-1C/D)的高空間分辨率光學(xué)載荷——海岸帶成像儀CZI(Coastal Zone Imager),開(kāi)展不同風(fēng)速背景下,CZI 圖像中白帽的可識(shí)別性研究,分析白帽反射信號(hào)在CZI各波段中的信號(hào)貢獻(xiàn)差異,討論海洋白帽在CZI數(shù)據(jù)中的存在特點(diǎn);從而為國(guó)產(chǎn)自主海洋光學(xué)衛(wèi)星的精細(xì)應(yīng)用、海洋環(huán)境動(dòng)力與海氣交互監(jiān)測(cè)提供參考。

    2 數(shù)據(jù)與方法

    2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

    選用Sentinel-2 衛(wèi)星的MSI 數(shù)據(jù),其10 m 空間分辨率的影像上能夠清晰識(shí)別出海洋白帽。相對(duì)應(yīng)的背景風(fēng)速數(shù)據(jù),選擇歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的ERA5 再分析風(fēng)速產(chǎn)品,其空間分辨率為0.25°、時(shí)間分辨率為1 h。數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理需基于如下幾點(diǎn)考慮:(1)先根據(jù)背景風(fēng)速優(yōu)選MSI 數(shù)據(jù)。白帽的產(chǎn)生需要一定的風(fēng)速條件,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì),在6 m/s 以上的風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生海洋白帽,風(fēng)速大于7—8 m/s 時(shí)白帽迅速增多(Monahan 和Zietlow,1969),為了保證在MSI 影像中檢測(cè)到白帽,本研究選擇8 m/s 以上風(fēng)速條件的影像。(2)對(duì)于高空間分辨率數(shù)據(jù),太陽(yáng)耀光反射的影響較粗空間分辨率數(shù)據(jù)更為復(fù)雜(Wu 等,2022)。為了盡量避免耀光反射的影響,選擇MSI數(shù)據(jù)的θm大于40°的影像。θm為海面太陽(yáng)鏡面反射角與傳感器觀測(cè)角度之間的夾角,由傳感器與太陽(yáng)的幾何角度決定,是海面耀光反射強(qiáng)弱的直接指針,其大小可表征平均耀光反射的強(qiáng)弱,θm越大表示耀光反射越弱(Hu 等,2009;Lu 等,2016;Wen等,2018),θm的計(jì)算公式如下:

    式中,θ0、θ和φ分別為太陽(yáng)天頂角、傳感器天頂角和相對(duì)方位角。(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用ACOLITE(版本20190326)軟件對(duì)MSI L1C 級(jí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利校正獲得10 m 分辨率的數(shù)據(jù)(Rrc)。鑒于云會(huì)明顯干擾白帽覆蓋率的估算,因此選擇無(wú)云或少云的影像,對(duì)圖像中少量的云進(jìn)行掩膜,并對(duì)掩膜結(jié)果進(jìn)行5個(gè)像元的膨脹處理。

    對(duì)中國(guó)東黃海2021年MSI 數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,研究主要使用MSI 842 nm 波段生成Rrc反射率產(chǎn)品,可忽略背景水體差異,具體區(qū)域和影像時(shí)間如圖2所示。圖2(a)、2(b)、2(c)分別由2景、5景、2 景MSI 影像拼接而成。由于影像數(shù)據(jù)的成像時(shí)間在2:16—2:41 UTC,因此將風(fēng)速產(chǎn)品2:00 UTC 及3:00 UTC的數(shù)據(jù)取平均。

    2.2 海面白帽覆蓋率估算

    光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中,大氣頂層總輻亮度Lt可表示為

    式中,Lr、La和Lra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射輻亮度,LWC示白帽反射輻亮度,Lw表示離水輻亮度,Lg表示耀光反射輻亮度,T、t分別為大氣直射、散射透過(guò)率(Gordon和Wang,1994)。根據(jù)公式:

    可將輻亮度轉(zhuǎn)換為反射率,式(3)中R為反射率,L為輻亮度,F(xiàn)0為太陽(yáng)輻照度,θ0為太陽(yáng)高度角。海面反射率又分為受白帽影響及不受影響部分(Koepk,1984),結(jié)合式(2),海面反射率可表達(dá)為

    式中,Rr、Ra和Rra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射反射率,Rwc示白帽反射率,Rw表示離水反射率,Rg表示耀光反射率,T、t分別為大氣直射、散射透過(guò)率,W為白帽覆蓋率(Whitecap coverage),表示海面被白帽覆蓋的部分占總面積的比例,由式(4)可得

    式中,Rb=Ra+Rra+tRw,代表了來(lái)自背景海水與大氣的反射率貢獻(xiàn)。由于近紅外波段(842 nm)中離水輻亮度可以忽略(即tRw≈0),且忽略耀光反射的影響(圖2 中數(shù)據(jù)的θm均大于40°,則TRg= 0)。因此,針對(duì)圖2 中白帽覆蓋率可根據(jù)下式(6)進(jìn)行估算:

    圖2 Sentinel-2衛(wèi)星MSI近紅外波段Rrc(842 nm)影像圖Fig.2 Sentinel-2 MSI near infrared Rrc(842 nm)images

    近紅外波段白帽的反射率(Rwc)約為0.55(Koepke,1984;Frouin 等,1996 和2001),海洋白帽的光學(xué)特征相對(duì)穩(wěn)定,具有較為明確的光譜反射率特征(Kokhanovsky,2004;Garaba 和Dierssen,2018),而圖像上白帽反射率變化則是與圖像中白帽覆蓋率密切相關(guān)。近紅外波段大氣散射透過(guò)率(t)為0.7—0.8(Kneizys 等,1981),上述值僅可用于背景海水與大氣均勻穩(wěn)定且不受海面耀光反射干擾的區(qū)域。此外,利用式(6)進(jìn)行白帽覆蓋率(W)反演的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的背景反射信號(hào)Rb的獲取。本研究中,假定在4 km×4 km的區(qū)域內(nèi),海水和大氣的光學(xué)屬性是均勻的,對(duì)圖像進(jìn)行400×400(4 km×4 km)的窗口濾波,獲得窗口內(nèi)的最小值作為背景反射率,可進(jìn)一步計(jì)算得出圖像的白帽覆蓋率(W)。特別需要說(shuō)明的是,上述公式和參數(shù)有著嚴(yán)格的適用條件,本文原理分析中的數(shù)據(jù)邊界清楚,可以適用,但是在未來(lái)的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中,還需要發(fā)展業(yè)務(wù)化應(yīng)用算法。

    3 基于MSI影像的白帽覆蓋率估算與分析

    3.1 白帽覆蓋率

    基于MSI 842 nm 波段Rrc數(shù)據(jù)(圖2)反演的白帽覆蓋率如圖3所示,其中云、陸地、輻射沙脊等已經(jīng)被掩膜處理。白帽覆蓋率作為海面波浪破碎狀況的直觀體現(xiàn),一方面反映了風(fēng)速這一主要?jiǎng)恿σ蛩?,與風(fēng)速大小呈正相關(guān);另一方面,又受到海洋渦旋、內(nèi)波、鋒面等的調(diào)制(Monahan等,1983;Goddijn-Murphy 等,2011;Callaghan等,2008a)。如在圖3(a)中,2021年1月13日的白帽覆蓋率的變化主要受到海面風(fēng)速的影響,而在圖3(b)和3(c)中,在2021年1月27日和2021年2月21日的白帽覆蓋率在局部區(qū)域又受到海洋鋒面、渦旋等的影響(具體分析見(jiàn)3.3 節(jié))??傮w而言,圖3 中平均白帽覆蓋率在1%上下(對(duì)應(yīng)風(fēng)速8—12 m/s),這與白帽的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)(基于海面實(shí)拍照片或視頻等資料)分析結(jié)果較為接近(Blanchard,1983)。

    圖3 基于MSI數(shù)據(jù)的白帽覆蓋率估算結(jié)果Fig.3 MSI images derived whitecap coverage

    為了驗(yàn)證白帽覆蓋率算法的估算精度,本文針對(duì)圖2(a)中紅框框選出的12 個(gè)區(qū)域開(kāi)展精度評(píng)價(jià)。12 個(gè)500×400 像元驗(yàn)證區(qū)域的842 nm 波段Rrc圖像見(jiàn)圖4 第一和第三列,對(duì)這12 個(gè)區(qū)域圖像采用人工目視解譯的方法,通過(guò)選取合適閾值分割出圖像中的海洋白帽,并計(jì)算出該區(qū)域中的白帽覆蓋率(圖4 第二、第四列)。將12 個(gè)驗(yàn)證區(qū)域的算法反演結(jié)果與目視解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(如圖5所示),算法反演的白帽覆蓋率與目視解譯的白帽覆蓋率具有較好的一致性(R2=0.85),說(shuō)明提取結(jié)果的精度可靠驗(yàn)證擬合線低于1∶1 線,說(shuō)明本研究算法在弱耀光條件下存在一定的低估。

    3.2 基于白帽覆蓋率的海面風(fēng)速反演

    海面白帽是風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn),在其他海洋環(huán)境動(dòng)力影響較為均勻的區(qū)域,白帽覆蓋率與海面風(fēng)速(海面10 m 高處的風(fēng)速,U10)具有密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(Monahan 和Muircheartaigh,1980;Anguelova 和Webster,2006;Anguelova 和Bettenhausen,2019)。基于海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型,有利于對(duì)區(qū)域海洋環(huán)境動(dòng)力等的深入研究。需要指出的是,本研究的重點(diǎn)在于能否反演出海面風(fēng)速,并與已有風(fēng)速產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析,但基于本區(qū)域海面實(shí)測(cè)結(jié)果的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型缺乏,因此選擇Monahan 和Muircheartaigh(1980)的白帽覆蓋率—風(fēng)速模型來(lái)反演海面風(fēng)速。模型公式如下:

    式中,W代表白帽覆蓋率,U10為風(fēng)速,對(duì)其進(jìn)行變換可以給出風(fēng)速反演模型如下:

    利用式(8)結(jié)合圖3(a)的海面白帽覆蓋率提取結(jié)果,可以得到該區(qū)域風(fēng)速反演結(jié)果(如圖6(a),空間分辨率為4 km),圖6(b)為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5 海面再分析風(fēng)速產(chǎn)品(時(shí)間差<15 min,空間分辨率為0.25°)。對(duì)比圖6(a)和6(b),整體風(fēng)速為東北方向風(fēng)速高,向西南方向風(fēng)速遞減,MSI推導(dǎo)的風(fēng)速結(jié)果因?yàn)榻K沿海輻射沙脊的影響會(huì)出現(xiàn)一些反演異常值(見(jiàn)圖6(a)左下角)。總體上,基于MSI 白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5海面風(fēng)速產(chǎn)品的空間變化趨勢(shì)與風(fēng)速變化區(qū)間基本一致。給出二者的頻率累計(jì)曲線對(duì)比如圖6(c),用于進(jìn)一步評(píng)估風(fēng)速反演的精度。海面風(fēng)速的頻率累計(jì)曲線圖可以說(shuō)明,MSI白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5 海面風(fēng)速產(chǎn)品變化基本一致,但MSI 反演的海面風(fēng)速略低于ERA5 風(fēng)速產(chǎn)品的值,二者之間的差異在風(fēng)速為10 m/s左右達(dá)到最大,為1.6 m/s,大部分差異在1 m/s 以內(nèi),這主要是由于算法對(duì)MSI圖像中白帽覆蓋率的低估造成(圖5)。

    圖5 目視解譯與算法估算白帽覆蓋率對(duì)比圖Fig.5 Comparison of visual interpretation and algorithmic estimation of whitecap coverage from MSI images

    圖6 MSI白帽反演風(fēng)速及其與ERA5風(fēng)速產(chǎn)品的對(duì)比Fig.6 Comparison between whitecaps derived wind speed based on MSI images and wind speed product of ERA5

    3.3 其他環(huán)境動(dòng)力對(duì)白帽覆蓋率的調(diào)制

    海洋白帽主要反映的是風(fēng)生波浪的破碎過(guò)程,雖然海面風(fēng)場(chǎng)是白帽產(chǎn)生的首要因素,但風(fēng)生波浪也會(huì)被渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動(dòng)力所調(diào)制,從而改變白帽的發(fā)生概率(Thorpe 等,1987;Romero,2019)。圖7分別反映了海洋鋒面、渦旋、內(nèi)波和船只尾跡對(duì)白帽覆蓋率的影響:圖7左列為MSIRrc(842 nm)影像(圖7(a)與圖7(b)左列分別為圖2(b)和2(c)中紅框區(qū)域,圖7(c)左列為圖8(a)中紅框區(qū)域);圖7右列為白帽覆蓋率。

    MSI 842 nm 的開(kāi)闊海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)中,雖然該數(shù)據(jù)的觀測(cè)角度避開(kāi)了強(qiáng)耀光反射(圖2中數(shù)據(jù)的θm均大于40°),但在高空間分辨率光學(xué)影像中,海面耀光反射差異實(shí)際上仍存在,并對(duì)影像總信號(hào)有貢獻(xiàn)(Wu 等,2022)。如圖7(a)所示,海洋鋒線(圖中紅色虛線)兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的水團(tuán)圖像特征差異,圖7(a)中白帽覆蓋率在不同水團(tuán)之間也表現(xiàn)出類(lèi)似的差異,雖然海水離水輻亮度差異可以忽略,但是白帽覆蓋率差異和耀光反射差異同時(shí)存在;圖7(b)和(c)反映了受海洋渦旋與內(nèi)波的影響,白帽覆蓋率會(huì)存在一定程度的升高。易于理解的是,相同風(fēng)速條件下,內(nèi)波的波峰處較其他位置,波浪更易于破碎而產(chǎn)生白帽(Thorpe等,1987;Kubryakov等,2021)。

    圖7 不同海洋環(huán)境動(dòng)力對(duì)白帽的影響Fig.7 Influence of different marine environmental dynamics on whitecaps

    海洋白帽是風(fēng)生波浪破碎的產(chǎn)物,這種波浪破碎也受到海面鋒面、渦旋、內(nèi)波等各種其他海洋動(dòng)力因素的調(diào)制,在高空間分辨率的MSI 影像上,海洋白帽及其覆蓋率所反映的海洋與大氣背景動(dòng)力特征能清晰展現(xiàn)。

    3.4 耀光反射對(duì)白帽覆蓋率估算的影響

    海面耀光反射差異一直是海洋光學(xué)遙感研究關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題(Cox 和Munk,1954;Jackson 和Alpers,2010;Kay 等,2009;Harmel 等,2018)?;诮?jīng)典統(tǒng)計(jì)模型(Cox 和Munk,1954)估算的耀光反射率,雖可以準(zhǔn)確描述粗空間分辨率衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)(如250 m 的MODIS 數(shù)據(jù))中耀光反射的強(qiáng)弱;但在高空間分辨率的海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中(如10 m 的MSI數(shù)據(jù)),耀光反射規(guī)律會(huì)有所不同(Wu 等,2022),表現(xiàn)出較大的離散性,無(wú)法通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型或簡(jiǎn)單的空間濾波進(jìn)行剔除(Jackson 和Alpers,2010)。本研究白帽覆蓋率估算算法中的4 km × 4 km 窗口濾波方法,本質(zhì)是一種平滑處理(主要用于消除海水和大氣的影響),不能直接從總體反射率中有效消除耀光反射的影響,因此無(wú)法處理強(qiáng)耀光反射的圖像。

    為了闡明耀光反射對(duì)海面白帽覆蓋率估算的影響,選擇2021年6月2日的6 景MSI 數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)預(yù)處理與圖2 和圖3 一致)。如圖8(a)中所示,θm從左到右逐漸減小(由32°減小到16°),耀光反射不斷增強(qiáng);圖8(b)為算法估算的白帽覆蓋率,與耀光強(qiáng)度空間變化相似;圖8(c)為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速產(chǎn)品,在無(wú)明顯水團(tuán)、渦旋等海洋動(dòng)力環(huán)境的調(diào)制下,風(fēng)速與白帽覆蓋率的空間分異顯然不同(圖8(b))。此外,在相似風(fēng)速下(8—12 m/s),圖8(b)中強(qiáng)耀光反射下的白帽覆蓋率較圖3(a)的結(jié)果有一個(gè)數(shù)量級(jí)上的差異;對(duì)圖8(a)與圖8(b)做采樣分析,以θm為橫軸(圖8(d)),不難發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)的Rrc(842 nm)反射率與白帽覆蓋率(W)的變化趨勢(shì)一致。

    圖8 Sentinel-2 MSI影像中白帽覆蓋率與耀光變化分析Fig.8 Whitecap coverage and sunglint variation in Sentinel-2 MSI images

    海面耀光反射是白帽識(shí)別估算的主要干擾,本研究算法只適用于弱耀光反射下(θm大于40°)的MSI圖像,如何有效消除耀光反射的影響,也是今后亟待關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

    4 CZI數(shù)據(jù)中海洋白帽的響應(yīng)

    HY-1C/D 是中國(guó)首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座,CZI載荷能提供星下點(diǎn)空間分辨率為50 m、中心波長(zhǎng)位于460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm 的4 波段海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)(沈亞峰 等,2020)。本文所用的CZI 數(shù)據(jù)均為L(zhǎng)2A 級(jí)的瑞利校正反射率產(chǎn)品(Rrc),由于像元的混合效應(yīng),相對(duì)較低風(fēng)速條件下的白帽難以被CZI圖像有效識(shí)別,隨著風(fēng)速的增加,海洋白帽逐漸被有效檢測(cè)出,即CZI圖像中檢測(cè)出海洋白帽的最低風(fēng)速要大于MSI圖像。

    圖9 為選取的開(kāi)闊海洋CZIRrc(825 nm)圖像,圖像都為海面弱耀光反射條件,海洋環(huán)境動(dòng)力影響不明顯,且涵蓋不同風(fēng)速條件下的影像,該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速均已經(jīng)標(biāo)注在Rrc(825 nm)圖像上。對(duì)CZI圖像上的海洋白帽進(jìn)行識(shí)別并計(jì)算其覆蓋率,圖9(a)和圖9(b)中海洋白帽不能被有效識(shí)別;在較高風(fēng)速下(圖9(c)、(d)、(e)、(f))海洋白帽能夠從CZI 圖像上檢測(cè)出。50 m 空間分辨率CZI圖像中可識(shí)別的海面白帽,其所對(duì)應(yīng)的海面風(fēng)速約9 m/s 以上,隨著風(fēng)速的增加,其白帽覆蓋率也隨之增加(圖9(c)、(d)、(e)、(f)),這也反映了CZI數(shù)據(jù)具有對(duì)高風(fēng)速下的海面白帽覆蓋率進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)與估算的應(yīng)用潛力。

    圖9 不同風(fēng)速條件下HY-1C/D CZI影像中的白帽及其目視解譯結(jié)果Fig.9 Whitecaps in HY-1C/D CZI images and corresponding visual interpretation results at different wind speed(U10)

    為了進(jìn)一步分析闡明CZI圖像中的海洋白帽反射率與背景海水反射率的差異,本研究對(duì)圖9 中4 幅CZI 圖像(圖9(c)、(d)、(e)、(f))的4 個(gè)波段(460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm),對(duì)其海洋白帽反射率與背景海水反射率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖10所示。CZI 的4 個(gè)波段圖像中,白帽反射率均明顯高于背景海水反射率,反射率差異分別為5.8%、7.8%、8.3%和7.3%。

    圖10 HY-1C/D CZI不同波段的海洋白帽與背景海水反射率差異Fig.10 Reflection difference between whitecaps and background seawater in different HY-1C/D CZI bands

    5 結(jié) 論

    海洋白帽是海面風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn),其區(qū)域性特征參數(shù)——白帽覆蓋率,不僅與海面風(fēng)速有著密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,也會(huì)受到其他海洋環(huán)境動(dòng)力的調(diào)制。海洋白帽對(duì)入射光具有較高的反射散射特征,是海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的大氣校正一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的提高,海洋白帽能被有效的探測(cè),從而開(kāi)展更為豐富的研究與應(yīng)用探索。本文針對(duì)Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù),分析海面白帽反射率的信號(hào)貢獻(xiàn),利用一種用于弱耀光反射條件下的白帽覆蓋率估算方法,開(kāi)展MSI圖像上白帽覆蓋率反演?;贛SI圖像估算的不同區(qū)域海面白帽覆蓋率,與海面風(fēng)速的變化具有良好的空間一致性和統(tǒng)計(jì)關(guān)系,基于白帽覆蓋率估算的海面風(fēng)速與ERA5再分析海洋風(fēng)速產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證表明,其相對(duì)偏差不大于1.6 m/s。此外,不同水團(tuán)、鋒面、渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動(dòng)力對(duì)海面白帽的調(diào)制作用,能顯著改變遙感數(shù)據(jù)反演的白帽覆蓋率;與此同時(shí),MSI圖像中耀光反射對(duì)海面白帽遙感的干擾與影響也不容忽視。最后,基于HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷數(shù)據(jù)開(kāi)展海面白帽的響應(yīng)分析,結(jié)果表明:海面風(fēng)速大于9 m/s 時(shí),在無(wú)其他海洋環(huán)境動(dòng)力的調(diào)制下,海面白帽可被50 m 空間分辨率的CZI 載荷所探測(cè),且白帽覆蓋率隨著風(fēng)速的增加而增加;不同CZI波段圖像中,白帽反射率與背景海水反射率有5.8%—8.3%的差異。這表明,HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷可成為海洋白帽深入研究的可用數(shù)據(jù)源,能用于較高風(fēng)速下的海面風(fēng)速反演??傊S著海洋光學(xué)遙感載荷空間分辨率的提升,通過(guò)海洋白帽的有效探測(cè),能為海面風(fēng)場(chǎng)及其他海洋環(huán)境動(dòng)力監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)方法參考,也必將在海面風(fēng)場(chǎng)反演、海氣交換、海洋動(dòng)力環(huán)境研究等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

    志 謝感謝美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院胡傳民教授、武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田禮喬教授、中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所邢前國(guó)研究員對(duì)本研究的指導(dǎo);感謝歐空局和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的MSI和ERA5數(shù)據(jù)(https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home,https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=form);感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的CZI 數(shù)據(jù)(http://www.nsoas.org.cn/)。

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