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原文传递珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法

专利名称：	珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法
摘要：	本发明公开了珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法，基于实测光谱数据，建立珊瑚礁典型底质类型的标准波谱库；基于辐射传输模拟的珊瑚礁白化遥感监测技术的适用性分析；环境因素对珊瑚礁白化遥感信号的影响分析。本发明的有益效果是能够准确高效的遥感监测珊瑚礁白化情况。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	国家海洋环境监测中心
发明人：	徐京萍;赵建华;王飞;张建丽
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-03T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910714287.7
公开号：	CN110411962A
代理机构：	北京汇捷知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	马金华
分类号：	G01N21/31(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	116023 辽宁省大连市沙河口区凌河街42号
主权项：	1.珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法，其特征在于按照以下步骤进行：一、基于实测光谱数据，建立珊瑚礁典型底质类型的标准波谱库；二、基于辐射传输模拟的珊瑚礁白化遥感监测技术的适用性分析；三、环境因素对珊瑚礁白化遥感信号的影响分析。 2.按照权利要求1所述珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法，其特征在于：所述步骤一包括 1、光谱数据采集针对珊瑚礁不同底质类型，选择在不同季节及不同覆盖度下不同科属种的底质类型，在天气晴朗、水面基本平静的天气进行野外光测量，利用Profiler II水下高光谱剖面仪分别在水表和水底测量水表的下行辐照度EdA和底质的反射辐亮度LrS，然后通过水深D和水体衰减系数K推算底质表面的下行辐照度EdS，并根据底质光谱反射率RS的定义，计算得到RS为：其中，T为水气界面的透过率；θ为太阳天顶角； 2、光谱数据统计分析及光谱特征分析对测量获取的珊瑚礁不同底质光谱曲线数据，对光谱数据进行归一化处理，统计计算350-900nm之间光谱反射率的最大值、最小值、均值、标准差、方差数值，还对该波段光谱曲线进行包络线计算、光谱斜率计算、一阶导数计算、二阶导数及光谱积分计算，分析不同底质类型的特征光谱，包括反射峰/谷位置、深度、斜率、面积及荧光高度； 3、不同色素含量及荧光特性对造礁石珊瑚光谱特性的分析 (1)造礁石珊瑚荧光特性参量测量利用PhytoFlash水下活性荧光仪测量和计算不同石珊瑚种类的光合作用荧光参量，包括初始荧光F0、最大荧光Fm、可变荧光Fv、光系统II最大光化学量子产量Fv/Fm； (2)珊瑚体内不同色素含量测量 e)珊瑚虫黄藻密度测量将经0.45μm滤膜过滤的清洁海水置于洗牙器中，冲洗珊瑚样品表面，使珊瑚软组织和骨骼分离，准确定量冲洗液体积V后，量取9ml冲洗液，加入1ml甲醛，摇匀，取3个重复样，3min后，用血球计数板在显微镜下计数虫黄藻密度C，珊瑚表面虫黄藻密度用以下公式计算： D＝[(C/90％)×V]/(M/G) (2) 式中，D为珊瑚表面虫黄藻密度，C为虫黄藻浓度，V为冲洗液体积，90％为固定液中原液比例，M为包裹珊瑚样品铝箔纸重量，G为铝箔纸单位面积重量；通过测量包裹在珊瑚表面铝箔纸的重量间接估算珊瑚的表面积； f)珊瑚叶绿素浓度测量取10-20cm2的珊瑚，放入装有10ml丙酮的离心管中，在黑暗中4℃萃取24h，然后4500r/min离心15min，取3个重复样，用分光光度计测定叶绿素a、叶绿素b和叶绿素c的浓度，比色皿的光程为1cm，用以下公式计算： CHLa＝10(11.85(A664-A750)-1.54(A647-A750)-0.08(A630-A750))/(M/G) (3) CHLb＝10(21.03(A664-A750)-5.43(A647-A750)-2.66(A630-A750))/(M/G) (4) CHLc＝10(24.52(A664-A750)-1.67(A647-A750)-7.6(A630-A750))/(M/G) (5) 式中，CHLa、CHLb和CHLc依次为珊瑚体内单位表面积的叶绿素a含量μg/cm2、叶绿素b含量μg/cm2和叶绿素c含量μg/cm2，A为不同波长下的吸光值； (3)荧光特性影响分析基于室内测量的珊瑚样本三维荧光光谱，确定其体内含有哪些荧光色素种类，进而分析荧光信号对反射光谱信号的影响作用，当不考虑水色物质的吸收散射作用时，传感器测量的底质总光谱信号包括珊瑚的非弹性散射信号和荧光信号： RS(D，515)＝[I(D)F+Ed(D，515)rS(515)]/Ed(D，515) (6) 其中，RS(D,515)是水深为D时，515nm波段处所接受到的珊瑚总光谱信号；Ed(D,515)为水深为D时，515nm波段处的向下辐照度；rS(515)为珊瑚在515nm的非弹性反射率；I(D)为Ed(D,λ)与515色素归一化激发光谱的乘积在整个激发光谱范围内的积分值，该值表征了荧光色素可吸收光能的大小，F为荧光色素的荧光效率，测量水表处珊瑚总光谱信号，则上式表示为：定义荧光信号对总光谱信号的贡献率为P(515)，则根据上式，求得F值为：当测量不同深度珊瑚的总光谱信息变化值，定义光谱变化率为：此时，将式(6)和(8)分别带进式(9)得：通过测量不同深度的向下辐照度及珊瑚的反射辐亮度，并计算M(515)和各深度处的I(D)值，就可以计算珊瑚荧光对总光谱信号的贡献率P(515)； (4)造礁石珊瑚色素组成浓度影响分析将不同造礁石珊瑚种类的反射光谱曲线值或光谱指数与各种色素浓度进行统计相关分析确定光谱反射率与不同色素组成及浓度之间的关系；运用因素分析法分析不同色素组成及浓度对珊瑚光谱的影响方式与影响程度。 3.按照权利要求1所述珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法，其特征在于：所述步骤二包括 1、珊瑚礁离水信号的模拟计算假设水体下垫面具有朗伯特性，且是平坦、同质时，基于辐射传输方程得到恰在水面下的上/下辐照度比值RA的近似解： RA≈Rw+(RS-Rw)exp(-2KD) (11) 其中，RS、K和D的含义参见公式(1)；Rw代表来自水体的辐照度反射比；进一步将RA转化为恰在水面以下的向上辐亮度与恰在水面以下的向下辐照度的比值rA得：继续利用上式计算水表遥感反射率，即恰在水面以上的向上辐亮度与向下辐照度之比RrsA：式中，T为水气界面的透过率，n是水体折射系数，T/n2一般取值为0.54，rw代表来自水体的遥感反射比，它可以表示为水体吸收散射特性函数：式中，f是关于太阳天顶角的函数，Q为光场分布参数，f/Q一般取值为0.0945；a为水体的总吸收系数，bb为水体的总后向散射系数，将现场测量的各类水体光学参数以及珊瑚礁底质的光谱反射率带入(13)式就可以模拟计算珊瑚礁水表面的遥感反射率； 2、卫星波段的模拟计算利用各卫星数据的光谱响应函数模拟计算珊瑚礁光谱信号在各卫星波段上的光谱响应值：式中，ρi是卫星第i波段的光谱响应值，Гi(λ)是第i波段的光谱响应函数； 3、基于模拟分析的白化珊瑚遥感信号分析通过模型模拟，将从水深和珊瑚白化率两方面来考察遥感技术在珊瑚礁白化监测方面的适用性，其中珊瑚白化率影响分析是将珊瑚礁典型底质类型标准波谱库中的健康珊瑚和白化珊瑚反射光谱曲线按照不同比例进行线性组合输入到模型中，然后模拟计算不同的信号输出值，分析不同波段、不同水深对白化珊瑚的可测性。 4.按照权利要求1所述珊瑚礁白化遥感监测机理分析方法，其特征在于：所述步骤三包括 1、水体特性影响分析在公式(11)中，Rw值的大小与水体固有光学特性及水色物质浓度有关：因此，通过测量同一底质类型在不同水深、不同样点的水体固有光学特性条件下的反射光谱曲线，并基于公式(11)模拟计算珊瑚礁的离水信号，就可以分析水深、水体吸收、散射、衰减特性对珊瑚礁光谱特性的影响关系； 2、太阳天顶角影响分析在公式(16)中，根据蒙特卡洛模拟结果，得出f与太阳天顶角存在下列函数关系： f＝0.975-0.629cosθ′ (17) 其中，θ′为光束从天顶角θ的方向入射气-水界面时，恰好在水面下的折射角，将公式(1)、(16)和(17)分别带入(11)式，得到：根据菲涅尔定律，θ′与θ存在下列关系： sin θ＝n sin θ′ (19) 其中，n为水体折射率，近似取值为1.34，因此，(18)式可以表示为太阳天顶角θ的函数，在分析太阳天顶角对珊瑚礁反射光谱的影响关系时，先根据公式(1)通过测量不同时间下不同太阳天顶角底质类型的反射光谱，分析各底质类型光谱曲线随太阳天顶角增加或减小的变化规律；然后再根据公式(18)分析珊瑚礁恰在水面下的辐照度比值随太阳天顶角增加或减小的变化规律。
所属类别：	发明专利