一、高光譜反演水深的原理

目前國內(nèi)外利用遙感測量淺海水深的原理主要是利用太陽光在水體內(nèi)部的穿透能力，通過遙感器采集水下一定深度范圍內(nèi)信息，再通過信息處理方法分離出水體厚度信息[1]。光波穿透大氣后到達(dá)水體表面,其中一部分能量在水氣交界面處產(chǎn)生反射，返回大氣中，其中絕大部分能量經(jīng)水面折射進(jìn)入水體，由于水體的吸收和散射，光波在傳播過程中不斷衰減，同時一部分散射光將被反射空氣中，很少一部分光到達(dá)水底，被水底反射后也將返到空氣中，又經(jīng)大氣被傳感器接收（光波在大氣和水體中傳播示意圖如圖1所示）。

圖1 光波在大氣和水體中傳播示意圖

水體表面直接反射的光信息量與水體表面狀況有關(guān),與水深無關(guān)。水體清澈且淺,不考慮大氣作用,傳感器接收的光信息量主要與水深、波長衰減系數(shù)及水體反射率有關(guān)。如水體中含有懸浮物質(zhì)或其他可以散射光信號的物質(zhì),傳感器接收到的信號與這些物質(zhì)濃度及前面分析的其他因素有關(guān)。

二、高光譜進(jìn)行水深反演的基本方法

目前，利用高光譜遙感進(jìn)行水深反演的方法主要有單波段模型、波段比值模型、光譜微分模型。

單波段模型：單波段模型又稱簡單衰減模型，該模型通過構(gòu)建該程，并通過簡單回歸分析求得方程系數(shù)解，得到水深簡單的衰減方程式。實(shí)際情況中難有水底均質(zhì)，水質(zhì)均一這樣的情況，因而單波段反演水深方法在水質(zhì)及水底變化大區(qū)域會有較大誤差。

大量研究表明：綠光在水體中的穿透能力zui強(qiáng)。因此單波段淺海水深反演模型通常采用綠色波段圖像數(shù)據(jù)[2]。

波段比值模型：波段比值模型是在單波段模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的另一模型。研究表明,雖然水體衰減系數(shù)和水底反射率值隨水體類型和底質(zhì)種類不同有很大差異,但通過兩個波段比值可以在一定程度上消除這種差異[3]。

單波段和波段比值模型主要基于底質(zhì)反射模型的光信號衰減規(guī)律，適用于水體混濁度小的海域。因為，對于水體混濁度變化較大的海域，采用單波段和波段比值方法會帶來較大誤差。

光譜微分模型：光譜微分技術(shù)是高光譜遙感中一種常用的技術(shù)手段，它可以用來去除部分線性或接近線性的背景、噪聲光譜對目標(biāo)光譜的影響[4]。Goodin[5]通過試驗研究認(rèn)為水體的一階微分可以消除水體的本身反射對光譜的影響。微分光譜反映了反射率隨著波長變化的速率[dR(λ)/dλ]，表示波長λ處的反射率曲線的傾斜度[6]。水體的底質(zhì)反射信號以及水體中后向散射信號，隨著水深的變化在可見光及近紅外波段的變化不是簡單的線性變化。一方面通過光譜微分技術(shù)可以去除線性背景信號的影響，另一方面以反射率隨著波長變化速率的微分光譜來反映水深變化，利用高光譜數(shù)據(jù)探求水深的敏感波段，減小混濁度變化帶來的影響。

三、“水色”浮標(biāo)固定式高光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

浮標(biāo)固定式高光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一款可以應(yīng)用于河流、湖泊、池塘等水域的非移動定點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定式水質(zhì)監(jiān)測儀、水質(zhì)大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺和水質(zhì)在線監(jiān)測平臺三部分。該系統(tǒng)可以在固定位置，定時地獲取水質(zhì)光譜，通過4G/5G模塊實(shí)時傳輸?shù)皆品?wù)平臺，在監(jiān)測平臺24小時實(shí)時在線顯示水質(zhì)檢測結(jié)果。

浮標(biāo)式水質(zhì)智能監(jiān)測儀（明星產(chǎn)品）HS-W-B(400-1000）

固定式水質(zhì)監(jiān)測儀由HyScan微型智能光譜儀、固定浮標(biāo)（浮筒等）組成。

大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺

大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺是中科譜光基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)自主開發(fā)的集合各類光譜分析應(yīng)用算法的共享服務(wù)平臺。

用戶可用客戶端上傳和下載智能光譜儀采集的高光譜數(shù)據(jù)，利用平臺預(yù)先集成的光譜分析算法，實(shí)現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)的快速分析與結(jié)果展示；平臺支持二次開發(fā)，支持上傳自定義算法模型、云分析和云計算。

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)大屏看板

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)手機(jī)APP

水質(zhì)在線監(jiān)測平臺是基于光譜分析技術(shù)研發(fā)的一款集水質(zhì)檢測、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、看板展示于一體的云產(chǎn)品。

該平臺將采集設(shè)備上傳的水質(zhì)光譜信息，通過云服務(wù)平臺集成的應(yīng)用分析算法進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演，反演后的結(jié)果以圖表形式展示在界面中。用戶可實(shí)時監(jiān)控其賬號下所有綁定設(shè)備的工作狀態(tài)與監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的變化狀態(tài)，也可選擇某一個設(shè)備或采集點(diǎn)位查看歷史采集記錄；用戶還可通過設(shè)置設(shè)備自動采集時間、閾值范圍，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測、超標(biāo)報警等功能。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 劉振,胡連波,賀明霞.衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)反演南沙島礁區(qū)海域淺海水深和光學(xué)參數(shù)[J].ZG海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,44(05):101-108.

[2] 張源榆,黃榮永,余克服,樊明順,周國清. 基于衛(wèi)星高光譜遙感影像的淺海水深反演方法[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報, 2020, 2020(07): 1567 -1577.

[3] Paredes J M, Spero R E. Water depth mapping from passive re-mote sensing data under a generalized ratio assumption[J]. Applied Optics, 1983, 22(8): 1134 -1135.

[4] 浦瑞良,宮鵬.高光譜遙感及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[5] Goodin D G, Han L H, Rolland NF. et al. Analysis of suspended solids in water using remotely sensed high resolution derivative spectra[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1993, 59(4):505 -510.

[6] Han L H. Estimating chlorophyll -a concentration using first -derivative spectra in coastal water[J]. International Journal of Remote Sensing, 2005, 26(23): 5235 -5244.

· 文稿：張燕

· 編輯：李雨彤

· 校對：張彩霞、藍(lán)梓月

· 審定：張立福、孫雪劍、黃瑤