本發(fā)明涉及海洋水色遙感領(lǐng)域，具體涉及一種覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、南北兩極是氣候變化的敏感地帶，尤其是北極區(qū)，其升溫速度是全球平均速度的兩倍以上。隨著冰蓋表面的消融、極端天氣事件的增加，南北極海洋生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)很大變化。葉綠素a(chla)是水體浮游植物生物量的常用指標(biāo)，通過衛(wèi)星遙感對(duì)水體chla長期連續(xù)大面觀測，是研究高緯度區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要手段。現(xiàn)有遙感chla標(biāo)準(zhǔn)算法是基于遙感反射率(rrs)藍(lán)綠波段比值的經(jīng)驗(yàn)算法。根據(jù)輻射傳輸理論，rrs是由水體吸收、后向散射信號(hào)所決定的。在廣闊的大洋水體，浮游植物為主要水色成分，浮游植物吸收主導(dǎo)了水體光學(xué)信號(hào)的變動(dòng)，而且浮游植物光吸收系數(shù)與chla的函數(shù)關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法具有較好的反演性能。然而，高緯度區(qū)水體環(huán)境特殊，由于長期適應(yīng)低溫、弱光照條件，浮游植物細(xì)胞內(nèi)色素濃度高，相同量級(jí)chla對(duì)應(yīng)的光吸收能力明顯低于其他海域。同時(shí)，和其他近海區(qū)域相似，高緯度區(qū)部分區(qū)域受徑流輸入影響，cdom含量高。受特殊水體光學(xué)性質(zhì)的影響，高緯度區(qū)標(biāo)準(zhǔn)遙感葉綠素chlaa產(chǎn)品存在嚴(yán)重的低值區(qū)高估、高值區(qū)低估現(xiàn)象。

2、基于高緯度區(qū)水體光學(xué)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場觀測，已有研究者發(fā)展了不同高緯區(qū)chla優(yōu)化算法。其中一種優(yōu)化算法是應(yīng)用匹配的藍(lán)綠波段rrs、chla對(duì)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法參數(shù)進(jìn)行修訂，提出適用于北冰洋水體的oc4l算法。另一種優(yōu)化算法是在大量現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將北冰洋海域進(jìn)一步細(xì)分為interior?shelves、inflow/outflow?shelves兩個(gè)區(qū)域，分區(qū)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法參數(shù)，建立ao.reg.emp算法；另外嘗試在多波段rrs、chla、吸收、散射觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用遺傳算法，對(duì)半分析算法gsm的參數(shù)進(jìn)行區(qū)域調(diào)整，優(yōu)化建立ao.gsm算法。這些高緯度區(qū)chla反演算法，基本是建立在算法參數(shù)區(qū)域優(yōu)化的基礎(chǔ)上，雖然解決了高緯度區(qū)水體光學(xué)性質(zhì)的特殊性問題，提高了高緯度區(qū)chla的反演精度，但算法均具有區(qū)域應(yīng)用局限性。迄今，仍缺乏即能覆蓋高緯區(qū)又可適用于全球其他區(qū)域的算法。

3、應(yīng)用多波段光譜代替藍(lán)綠波段光譜作為算法輸入，在近岸、湖泊等復(fù)雜水體已多有應(yīng)用。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)在非線性擬合的優(yōu)勢，藍(lán)、綠波段之外多波段遙感反射率的引入，特別是紫外波段rrs412，可以更好分離cdom或懸浮泥沙等非色素成分和浮游植物對(duì)遙感信號(hào)的貢獻(xiàn)，一定程度降低chla的反演不確定性。但僅利用多波段光譜反演chla，并不能消除水體光學(xué)特征時(shí)間、空間變化所帶來的反演不確定性(如高緯區(qū)與非高緯區(qū)浮游植物對(duì)光的吸收能力差異)。海表溫度(sst)是影響浮游植物種群結(jié)構(gòu)、色素組成及生長速率的重要因素。同時(shí)，sst受太陽輻射、風(fēng)、洋流等因素的影響，具有顯著的時(shí)空分布特征，是水團(tuán)分布的重要指示因子。有研究利用遙感sst和chla的關(guān)聯(lián)性，以遙感sst為輔助參數(shù)，應(yīng)用chla的時(shí)空貝葉斯最大熵特征建立算法，主要用于提高遙感chla的空間覆蓋率。直接聯(lián)合多波段光譜信號(hào)及sst、經(jīng)緯度信息，優(yōu)化反演遙感chla，則尚未有嘗試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于針對(duì)上述提到的技術(shù)問題提出一種覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法及裝置。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、構(gòu)建基于實(shí)測遙感反射率和實(shí)測葉綠素a濃度的實(shí)測數(shù)據(jù)集，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)集進(jìn)行海表溫度的時(shí)空匹配以提取得到實(shí)測數(shù)據(jù)集中每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的海表溫度，并集成構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含實(shí)測遙感反射率、海表溫度、經(jīng)度、緯度和實(shí)測葉綠素a濃度，實(shí)測遙感反射率包括412、443、490、555和670nm五個(gè)中心波段；

4、應(yīng)用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演模型，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值通過遺傳算法迭代求解優(yōu)化獲取，采用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)全球葉綠素a遙感反演模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到經(jīng)訓(xùn)練的全球葉綠素a遙感反演模型；

5、將待反演的衛(wèi)星遙感反射率及其匹配的海表溫度、經(jīng)度和緯度輸入經(jīng)訓(xùn)練的全球葉綠素a遙感反演模型，反演得到葉綠素a濃度。

6、作為優(yōu)選，實(shí)測遙感反射率選取seawifs傳感器中的412、443、490、555和670nm五個(gè)中心波段的+/-6nm范圍內(nèi)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)；實(shí)測葉綠素a濃度采用hplc測量結(jié)果或熒光法測量結(jié)果。

7、作為優(yōu)選，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)集進(jìn)行海表溫度的時(shí)空匹配以提取得到所述實(shí)測數(shù)據(jù)集中每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的海表溫度，具體包括：

8、將實(shí)測數(shù)據(jù)集中每個(gè)樣本的采樣時(shí)間、經(jīng)度和緯度在4km分辨率aqua-modis多年氣候態(tài)月平均海表溫度數(shù)據(jù)中進(jìn)行時(shí)間和空間匹配，得到實(shí)測數(shù)據(jù)集中每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的海表溫度。

9、作為優(yōu)選，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、第一隱藏層、第二隱藏層和輸出層，輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為8，輸入層的8個(gè)節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)412、443、490、555、670nm遙感反射率及其時(shí)空匹配的海表溫度、經(jīng)度和緯度，輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1，對(duì)應(yīng)葉綠素a濃度；第一隱藏層和第二隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)均為4。

10、第二方面，本發(fā)明提供了一種覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化裝置，包括：

11、訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建模塊，被配置為構(gòu)建基于實(shí)測遙感反射率和實(shí)測葉綠素a濃度的實(shí)測數(shù)據(jù)集，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)集進(jìn)行海表溫度的時(shí)空匹配以提取得到實(shí)測數(shù)據(jù)集中每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的海表溫度，并集成構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含實(shí)測遙感反射率、海表溫度、經(jīng)度、緯度和實(shí)測葉綠素a濃度，實(shí)測遙感反射率包括412、443、490、555、670nm五個(gè)波段值；

12、模型構(gòu)建模塊，被配置為應(yīng)用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演模型，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值通過遺傳算法迭代求解優(yōu)化獲取，采用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)全球葉綠素a遙感反演模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到經(jīng)訓(xùn)練的全球葉綠素a遙感反演模型；

13、反演模塊，被配置為將待反演的衛(wèi)星遙感反射率及其匹配的海表溫度、經(jīng)度和緯度輸入經(jīng)訓(xùn)練的全球葉綠素a遙感反演模型，反演得到葉綠素a濃度。

14、第三方面，本發(fā)明提供了一種電子設(shè)備，包括一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)程序被一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，使得一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)如第一方面中任一實(shí)現(xiàn)方式描述的方法。

15、第四方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如第一方面中任一實(shí)現(xiàn)方式描述的方法。

16、第五方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如第一方面中任一實(shí)現(xiàn)方式描述的方法。

17、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

18、(1)本發(fā)明提出的覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法充分考慮到cdom、懸浮顆粒在藍(lán)綠波段對(duì)葉綠素a反演的干擾以及水體光學(xué)特征(各組分吸收、后向散射)的時(shí)空差異，尤其是高緯度區(qū)水體光學(xué)特殊性問題，應(yīng)用多波段光譜聯(lián)合sst及經(jīng)度和緯度反演葉綠素a濃度，綜合利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性擬合的優(yōu)勢，可以有效提高葉綠素a全球遙感反演精度，其中，高緯度區(qū)的反演效果提升尤其顯著。本發(fā)明能夠?yàn)榘ǜ呔暥葏^(qū)的全球海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究提供有力的技術(shù)支撐。

19、(2)本發(fā)明提出的覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法建立在國際水色遙感領(lǐng)域認(rèn)可的開放現(xiàn)場數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)分布在全球各海域，覆蓋不同類型水體，全球反演采用統(tǒng)一的算法模型，避免了不同區(qū)域算法模型產(chǎn)生的反演不確定性問題。

20、(3)本發(fā)明提出的覆蓋高緯度區(qū)的全球葉綠素a遙感反演優(yōu)化方法中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中遙感反射率選取seawifs傳感器中的412、443、490、555和670nm這5個(gè)中心波段+/-6nm范圍內(nèi)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，即，默認(rèn)中心波段差距+/-6nm的遙感反射率不存在顯著差異。所以對(duì)其他水色衛(wèi)星傳感器，如modis、meris、viirs等傳感器，若具有412、443、490、555、670nm+/-6nm五個(gè)中心波段，該模型同樣適用，這有利于不同水色衛(wèi)星葉綠素a濃度反演產(chǎn)品的融合及產(chǎn)品應(yīng)用。