[发明专利]一种极地海洋冬季初级生产力遥感反演方法

说明书

本发明提供了一种极地海洋冬季初级生产力遥感反演方法，包括：获取有效数据量大于设定值的MODIS卫星图像；对获取的MODIS卫星图像进行处理得到瑞利校正辐亮度计算参数，基于所述计算参数得到瑞利校正辐亮度，基于瑞利校正辐亮度得到训练数据集；在处理后的MODIS卫星图像中筛选像元，筛选训练数据集；基于所述筛选训练数据集构建神经网络模型；对获取的目标卫星影像进行处理，得到模型输入参数，将所述模型输入参数输入神经网络模型，得到目标卫星影像的遥感反射率；基于所述目标卫星影像的遥感反射率得到叶绿素浓度；基于所述叶绿素浓度利用初级生产力模型反演极地海洋冬季初级生产力。达到准确的处理极地海洋冬季数据的目的。

技术领域

本发明涉及海洋遥感领域，具体的涉及一种极地海洋冬季初级生产力遥感反演方法。

背景技术

理清南大洋初级生产力区域分布和季节分布特征具有重要意义。水色卫星遥感具有视点高、视域广、数据采集快和重复、连续观察的特点，能够观测到人类难以到达的水域，提供充足的观测数据。然而，现存的相关研究都是围绕在南大洋夏季分布特征展开的，例如，Lesley等使用1998年3月在南大洋的实测生物光学参数，研究了混合层水色参数特征，研究表明，表层叶绿素浓度与混合层叶绿素浓度存在相关关系，随着纬度的增大相关关系下降，且SeaWiFS在南大洋的叶绿素浓度产品存在低估的现象。许苏清等基于中国南极考察第16和第21航次现场走航观测的数据，以及从卫星遥感获得资料分析了南大洋夏季海表层水的叶绿素和温盐在1999-2000年和2004-2005年间的年际月平均变化，结果表明：南大洋叶绿素分布呈现随时间变化向岸梯度递增，高值区主要在冰边缘，岛屿附近和陆架海域;海表层水温由南向北呈现明显的随时间变化梯度递增，从生产力和温盐三方面佐证了南大洋上升流的存在；Borrione等使用了12 年SeaWiFS（1997到2010）的卫星数据计算了南大洋的水华发生频率，发现南大洋叶绿素浓度存在季节性周期，一般在12月左右达到峰值。Arrigo等使用航次实测数据，研究了南大洋浮游植物生物群落结构以及CO₂输运过程，研究表明，由于气候变暖导致海洋上层分层增加，生物群落吸收大气 CO₂并将其输送到深海的能力可能会急剧下降。廖静思等利用第30次(2013~2014年)南极科学考察所获得的南大洋表层海水叶绿素a，温度以及盐度数据进行分析，发现南半球夏季，对于浮游植物生长来说，温度水平和光照水平都是很充足的，而限制因素主要是营养物质的缺乏；Prakash等2020年使用Bio-Argo 浮法观测首次估计了印度洋-南大洋连接区域叶绿素-a的季节性演变，研究发现，高生产力海域来源于富含营养的地下水的上涌、海洋表面溶解铁的供应及水平平流。总的来说，关于南大洋在碳循环过程中的作用的相关研究，无论是使用实测数据，还是卫星数据，都集中在12月到次年2月，这是由于冬半年（3月至9月）数据的缺失。如图1所示，NASA发布的MODIS/Aqua月均叶绿素浓度产品。可以看到，即使在冬季，南大洋也存在大量无海冰覆盖的区域，而NASA的月均叶绿素浓度产品却无有效值。这一现象的主要原因是，现行的大气校正算法无法有效处理太阳天顶角大于70度的水色资料。因此，需要开展大太阳天顶角下极地海洋水色卫星资料处理技术的研究，做到极地海洋冬季初级生产力遥感反演，从而能够理清南大洋冬季表层海水叶绿素a分布特征及其原因。

大太阳天顶角下极地海洋水色卫星资料处理技术的难点在于大气校正算法。卫星接收到的水色信号包含了大量的干扰信号，包括瑞利散射辐亮度，气溶胶散射辐亮度，太阳耀斑，白帽等，大气校正的过程即剔除这些噪音的过程。水色卫星接收到的总信号中大气信号占了很大的比重，在蓝光波段，大气信号能占到总信号的90%，大气校正的误差会严重影响卫星产品的精度。对于一类水体，离水辐射反演的误差要求为5%，我国海洋一号水色遥感计划中提出的二类水体离水辐射率反演的误差要求不大于15%。以412nm波段为例，10%的大气校正误差会造成100%的离水辐亮度反演误差，继而会造成更大的叶绿素产品，悬浮物产品误差。因此，保证大气校正的精度至关重要。