海洋环境监测 -海洋环境监测员

0引 言海洋是人类生存进步的重要空间资源，但受限于海洋大尺度和高动态的特征，我们对海洋的探索和认知还远远不够，遥感手段以其大范围、多时相、高频度和经济性的优势，成为海洋观测的一种主要手段。然而，海洋水体对电磁波的强吸收特性，使得海洋水体的回波信号在遥感影像中呈微弱状态，目前常用的多光谱遥感光谱分辨率较低，对海洋环境要素信息准确获取的能力稍显不足，在此情形下，以高光谱分辨率为主要特征的高光谱遥感技术成为开展海洋资源环境监测的新选择。

1 海洋水色反演

, k0 c( @( ~5 ~

1.1 水色要素反演

叶绿素、悬浮物和透明度是评价海水水质的几项主要指标，叶绿素 a 是浮游植物中普遍含有的色素，在蓝光和红光波段存在吸收峰，并且激发荧光，水体吸收光谱和荧光光谱随着叶绿素 a 浓度的变化而变化；水体悬浮物由有机和无机颗粒物组成，其含量可直接影响水体透明度、浑浊度以及水色，研究发现，在近岸海域，悬浮物浓度与长波段的遥感反射率或比值呈现良好的相关性；水体透明度与水体各组分含量及其吸收、散射特性直接相关，反映了水体的浑浊程度，研究表明，可见光的全波段漫射衰减系数和透明度具有较好的相关性，可通过反演来估计水体透明度。基于上述原理，即可利用遥感反射率数据开展水色要素的浓度反演。受限于数据源，目前的海洋水色反演多基于多光谱遥感影像展开，随着我国环境一号卫星 A 星（HJ-1A）的发射，众多学者进行了高光谱水色反演研究，他们基于 HJ-1A 超光谱成像仪（HSI）高光谱数据分别提取了悬浮物（见图 1）和叶绿素 a 浓度的混合光谱分解模型并开展实验，结果表明模型预测值与实测值的相关系数分别为 0.82、0.89，验证了模型的适用性；此外，面向 2018 年发射升空的 GF-5 卫星高光谱传感器，专家学者还开展了浑浊水体叶绿素 a 浓度的反演算法研究，根据 GF-5 卫星数据波段设置，将实测光谱数据转换为模拟 GF-5 光谱数据开展了相关实验。

7 E$ D% U4 s# y4 L( u3 t

图 1 基于 HJ-1A HSI 的混合光谱分解模型悬浮物反演结果

4 H2 J3 n9 k6 a0 |" r

1.2 浅海水深探测http://www.lisenoptics.cn/

6 a6 E9 o* X8 K$ {6 y2 s/ S# ]2 L2 q

水深是海洋环境的重要参数，是海洋资源开发和海洋环境保护的基础保障。然而在部分海岸带浅海和岛礁周边海域，船只无法到达，传统水深测量无法作业，在此情形下，基于水体的光学特征发展的水深遥感探测成为选择。高光谱遥感波谱信息丰富，是近些年来水深遥感反演研究的热点和前沿，形成了光谱微分统计、查找表、神经网络和半分析等模型，经实验验证其平均相对误差低于20%。其中，HOPE模型(Hyperspectral Optimization Process Exemplar)是目前影响最大且应用最为广泛的一种高光谱遥感水深反演模型，该模型由 Lee 1999 年提出，是一种联合反演浅海水深和固有光学性质的半分析模型，充分考虑了水体组分的吸收和散射因素，物理机制比较完备。其最大优势是无需实测水深，可直接进行水深反演，因而受到了国内外众多学者的青睐，并开展了大量的应用研究，研究结果精度普遍较高，0～25m水深段平均相对误差在15%左右。

2海洋灾害监测

2.1 赤潮

" x2 i5 s. |% B$ f4 ^. J- {. `+ i

赤潮是海洋中一些微藻、原生动物或细菌在一定环境条件下爆发性增殖，引起水体变色的一种生态异常现象，是我国主要的海洋生态灾害之一，对海洋生态系统、水产养殖业和滨海旅游业等构成较大影响。赤潮发生时，浮游生物的聚集会导致水体叶绿素浓度的升高，引起水体光谱特性的变化，进而产生有别于正常水体的光谱特征，如赤潮发生海域水体往往在荧光波段（685 附近）具有较高的遥感反射率。通过对高光谱影像光谱特征差异的分析，可以实现对赤潮的检测和监测。目前常用的高光谱赤潮检测方法有基于赤潮水体反射率的分析函数算法、基于光谱特征和小波的识别算法、基于现场赤潮海水和正常海水的波谱数据的 SVM 算法等，专家学者提出了基于高光谱图像解混的海洋藻类监测算法，实验验证算法能有效克服高光谱图像分辨率不足造成的面积估算不准问题，实现亚像素水平的面积估计；也提出了基于子空间划分和耀斑抑制的赤潮高光谱高精度快速检测方法，并实验验证了方法的可行性。

2.2 溢油

与赤潮类似，海上溢油也是一种我国近海常见的海洋灾害，近几年发生的几次海上溢油事件对我国近海环境造成了很大的破坏。溢油发生后会在海面形成油膜，不同厚度的油膜会在可见光影像上表现出不同的特征，尤其在近红外波段表现出与清洁海水明显的光谱差异，同时，油膜平滑了海表面的微尺度波，使油膜与海水在影像中的纹理表现存在差异，介于此，可利用光学影像对海上溢油进行检测。高光谱图谱合一的优势，可以通过目标的光谱和纹理特征剔除颜色和外观与油膜相似的假目标，获取更精准的海上溢油信息，目前常用的方法有基于多尺度特征深度学习的高光谱溢油检测、小波变换及深度学习等，另外专家学者还提出了通过分区混合端元计算海洋溢油覆盖度的探测方法，并采用仿真数据与真实高光谱影像数据相结合进行实验，验证了算法的有效性。

" O( y( H: g3 D3 t4 u: V

2.3 海冰

* {% G( w, z& x4 g3 N. `

海冰是典型海洋生态灾害之一，常发生于我国渤海和黄海北部，对航道通行、海上石油开采及渔业资源开发造成较大的影响。目前的海冰遥感监测主要集中在海冰分布和海冰厚度计算上，部分技术已较为成熟，并开展了业务化应用。受限于影像的光谱分辨率，目前的海冰遥感监测主要是对海冰分布范围的提取，而海冰厚度的研究成果较少，提取算法尚不够成熟。但研究表明，不同类型的海冰在一定的光谱范围内，表现出显著的反射率差异和强烈的可分离性，海冰厚度与海冰反照率之间呈现良好的指数关系，尤其对于一年冰或冰厚小于 1m 的海冰。高光谱影像较高的光谱分辨率可以获得近乎连续的光谱信息和丰富的海冰图像信息，可为海冰更深一步的探测提供重要信息。

* h1 f G4 q# U) I/ `

3海滨湿地遥感监测滨海湿地是重要的鸟类等陆地动物的栖息地和鱼类等水生动物的繁育场所 , 地物类型复杂多样，且大部分区域人为无法进入，现有的多光谱遥感技术在滨海湿地地物类型分布方面有较多的应用，但无法开展高精度的复杂地物类型分类和定量遥感监测，如植被生物量和盖度等。高光谱影像的高光谱分辨率，能够更精细地展现地物的光谱特征，在滨海湿地负责地物类型分类和定量监测中可发挥独特的优势。目前滨海湿地典型地物分类的方法多为基于现场调查数据的监督分类，常用方法有 SVM、神经网络算法、最大自然分类法等，同样，高光谱影像遥感监测也可对不同地物光谱特征波段进行遴选，建立基于高光谱植被指数的定量信息提取方法和模型，开展基于高光谱遥感影像的地物类型和植被定量信息提取。某学者基于 SVM 方法，利用珠海一号高光谱影像对黄河三角洲国家级自然保护区的水体、盐地碱蓬、潮滩、芦苇沼泽、互花米草、潮滩芦苇、柽柳灌丛等 7 种典型地物进行了分类研究，总体分类精度为 86.02%，kappa 系数为 0.83，其中，水体和盐地碱蓬的分类精度最高，分别为 98.96%和 95.94%。实验所用影像及分类结果图参见图 2。

- R$ @! W* P3 O; O) C! I

（a）实验区 OHS 假彩色合成图像

$ B$ v" v0 Q& u/ e( \0 O

（b）OHS 假彩色合成影像和地物真实分布图

& C' G# J% x# V& K/ j' {

) i9 h9 Y2 t) L) l6 @

（c）OHS 影像 SVM 分类结果

5 Y% F- V* F: r; b# U- f7 g. h

图 2 基于 OHS 影像的黄河口滨海湿地地物分类

4结 语

: f2 C; F0 V4 E6 W) z. t7 j; k6 F

高光谱遥感作为光学定量遥感发展的必然趋势，虽然光谱分辨率有了较大的提升，但其空间分辨率与多光谱影像仍有较大差距，导致影像中存在较多的混合像元，影像质量仍需进一步改善；同时，现有的高光谱卫星主要应用对象为陆地地物，多采用陆地定标场及内陆湖泊等开展辐射定标，并未开展专门的海上定标，其定标系数在海洋中未必适用，这也给高光谱影像海洋监测增加了难度。

3 f: q6 N, W- w

推荐：

& ?% z. D8 R/ v2 \! l# {* w: ~

莱森光学- iSpecHyper-VM系列无人机机载高光谱成像系统

莱森光学-多旋翼无人机高光谱成像系统iSpecHyper-VM系列是一款基于小型旋翼无人机的高性能机载高光谱成像系统。

3 z% Q% }9 Q2 ~( p0 i

莱森光学-多旋翼无人机高光谱成像系统光谱范围400-1000nm/900-1700nm，由高性能高光谱相机、稳定云台、高清相机、GNSS模块、机载控制与数据采集模块、机载供电模块、地面站模块等部分组成。核心载荷高光谱相机完全自主研发，采用1英寸大靶面CCD图像传感器具有高光谱分辨率、高灵敏度、大视场及优异的成像性能，配合定制开发的高性能稳定云台，能够有效降低飞行过程中无人机抖动引起的图像扭曲与模糊；同时与GPS同步触发，实现可见光照片匹配同步GPS信息；通过地面实时数据平台实时观测飞行器采样点并可利用地面端设置采集的航线预览及矫正功能；有辐射度校正、反射率校正、区域校正等批处理能力。辅助相机可实时可见、监控拍摄效果，有图像实时回传功能；有辐射度校正、反射率校正、区域校正等批处理能力，光谱相机控制、数据采集、自动曝光、自动扫描速度匹配、辅助摄像头功能、支持远程遥控、支持巡航、惯导采集模式，数据支持Envi等主流遥感软件，实时常用植被指数计算功能、光谱及图像数据预览、建库、建立指标解译库等功能。

; I) l0 x4 M* C$ B2 |1 @

莱森光学-多旋翼无人机高光谱成像系统与大疆M600 pro/M300RTK无人机完美适配，支持同类型的多种无人机；系统支持配件升级及定制化开发，为教育科研、智慧农业、林业调查、水环境监测、目标识别、军事反伪装等行业高端应用领域提供高性能解决方案。

& q* ?( C0 F+ R- f7 y9 T

莱森光学- iSpecHyper-VS系列高光谱成像相机/便携式高光谱成像系统

1 k, C" _8 O8 B

莱森光学-iSpecHyper-VS系列高光谱成像相机是莱森光学（LiSen Optics）专门用于公安刑侦、物证鉴定、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、独有高光通量分光设计、信噪比灵敏度高、大靶面探测器、高像质等特点。iSpecHyper-VS采用了透射光栅外置推扫或内置原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。iSpecHyper-VS系列高光谱成像相机，广泛应用于公安刑侦、物证鉴定、精准农林、遥感遥测、 工业检测、 医学医疗、采矿勘探等各领域。

1 B) K& u/ f. I- h9 ~6 w+ Y7 E

莱森光学-iSpecHyper-VS系列高光谱成像相机/便携式高光谱成像系统主要技术特点

光谱范围400-1000nm或900-1700nm，分辨率优于3nm

独有高光通量分光成像设计、信噪比灵敏度高

高性能CMOS/CCD/InGaAs（TE Cooled）图像传感器，数据格式支持ENVI，支持多区域ROI

可选配电控自动对焦技术、自动曝光、自动成像扫描匹配

全靶面高成像质量光学设计，点列斑直径小于0.5像元

多种焦距物镜镜头（12.5/25mm/35mm/75mm）可根据用户需求更换物镜

{: Y9 Q1 | W4 ?

多种光学附件可选：户外太阳光源、实验室太阳匀化光源工作台、三脚架（野外专用）、数据线、电源线、电源（外置电源模块）、仪器便携式手提箱（定制三防箱）、专业高光谱采集软件

' f* z) X9 x" s/ o3 l' j

& f% K5 V( a8 f1 D

莱森光学- iSpecField-系列手持式/便携式地物光谱仪

$ u+ f0 ]- x4 J

莱森光学-iSpecField系列地物光谱仪是莱森光学（LiSen Optics）专门用于野外遥感测量、土壤环境、矿物地质勘探等领域的最新明星产品，由于其操作灵活、便携方便、光谱测试速度快、光谱数据准确是一款真正意义上便携式地物光谱仪。iSpecField系列地物光谱仪光谱范围250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，采用了工业级触控显示屏手柄探头，手柄探头同时采用了独有光学设计内置摄像头（相机）、GPS、激光指示器、内置光学快门控制，同时地物光谱仪主机与工业级触控显示屏手柄探头一体化设计，可野外现场直接进行地物光谱操作测量，野外操作更加便捷方便，非常适合复杂的野外地物光谱测量。

莱森光学-iSpecField系列地物光谱仪主要技术特点

; |, |6 k# \% c, G9 G0 }$ w5 q& o( i

光谱范围250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光栅一次性快速扫描分光

2048像素面阵BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素双路探测器同步测量，光谱精度高、分辨率高

' O) n# R5 v' x6 N# R

主机与工业级触控显示手柄探头一体化结构，野外测量无需额外电脑，操作灵活

最短积分时间30微秒，测量动态范围大，7吋高清触控显示远程触发一键测量

3 d& X6 j4 h2 r g6 Z* q1 D4 H

内置＞800万像素自动对焦摄像头（相机）、GPS、激光指示器、内置光学快门控制

- m( x& Y$ L6 u6 f8 n- N

GPS定位、地物图像、角度测量、距离测量、空气温湿度测量与光谱实时对应同步

SpecAnalysis专用地物分析软件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具软件，嵌入了USGS数据库和NDVI等13个植被指数

丰富测量光学配件：标准白板/灰板、叶片透射夹、矿物土壤专用探头、手枪式光纤探头、室内太阳光源、视场角镜头、BRDF测量附件、透反射实验室支架装置、远程触发器等可满足野外和实验室测量需求，可实现透射反射率、辐照度、辐亮度等测试

! m6 y, g' s; `5 }+ }( Y+ |

大容量电池，续航时间4-5小时，供电电池模块可拆卸，可配置备用电池模块，满足长时间野外测量

1 w3 I9 [. q7 Z2 m m

莱森光学（深圳）有限公司是一家提供光机电一体化集成解决方案的高科技公司，我们专注于光谱传感和光电应用系统的研发、生产和销售。

# c5 n% h9 _8 m- n