核心提示：
卫星水色遥感是研究北冰洋海洋生态系统及其气候变化响应的重要技术手段。本次报告介绍了水色遥感的基础背景知识，指出水色遥感在北冰洋这一“特殊”的水体所面临的问题与挑战，并对目前广泛使用的水色产品进行简单介绍。
人物介绍：
李娟，武汉大学中国南极测绘研究中心2016级地图学与地理信息系统博士，2017年赴加拿大拉瓦尔大学联合培养，目前主要从事北冰洋水色遥感算法的相关研究。2018年 曾参加加拿大北冰洋科考暑期夏令营和IOCCG组织的系列水色课程，相关成果发表于Remote Sensing of Environment、 Remote Sensing等期刊。
报告详情：
2021年3月31日晚上8点，由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的第35期“智汇极地”学术沙龙在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办。本期讲座嘉宾为李娟博士，报告主要介绍水色遥感以及应用，与会者都表示收获颇丰。
李娟博士的报告聚焦于北极水色遥感的研究，主要从五个方面进行介绍：什么是水色、水色遥感能做什么、水色传感器的发展、水色遥感在北极面临的挑战以及水色遥感的应用。
1、什么是水色
水色学（ocean color sciences）是一门研究海洋光学机理与模型，水色遥感原理与方法以及现场与遥感光学数据的处理、分析与应用的自然科学与信息工程科相融合的交叉学科。水色三要素包括Chl(浮游植物)、CDOM(有色可溶解有机物)、NAP(非藻类颗粒物质)，如图1所示。
图1 水色三要素
水体一般分为两类，一类水体指水体固有光学参数的变化基本由浮游植物的变化决定；其他成分的贡献，如降解后的NAP和CDOM，则基本与浮游植物的贡献协变。二类水体指水体固有光学参数的变化不再主要由浮游植物的变化决定；特别是NAP和CDOM的贡献不再与浮游植物的贡献协变。
2、水色遥感能做什么
（如图2所示），水色遥感是研究海洋生物化学物理过程的有力工具，可以用来反演浮游植物生物量、判断水体中浮游植物的类型、浮游植物的分布可以指示水体中的营养物质的水平、帮助判断水质以及指示水中污染物的位置等。
图2 水色遥感主要用于研究浮游植物
水色遥感在研究碳循环方面也有重要的应用（如图3所示）。海洋是地球上最大的碳池，大气与表层海水之间进行CO2 的交换，CO2 经光合作用转化为有机碳，有机碳通过沉降或对流进入更深的无光带，以上过程即所谓的生物泵。水色遥感可以对该种碳循环进行研究，研究对象主要包括三类碳：有机碳、无机碳以及溶解的有机碳。
图3 水色遥感对碳循环的研究
除此之外，水色遥感在监测海洋物理过程、渔业、水质、灾害以及气候变化方面也有重要应用。
3、水色遥感传感器的发展
水色遥感传感器从1978年开始发展，至今已有40多年的历史。因为水色遥感最关心的是浮游植物，所以传感器的波段配比是根据浮游植物的吸收特性进行选择的，如图4所示。
图4 水色传感器的波段配比
主要的水色传感器如下：第一代水色传感器为CZCS，于1986年发射升空。第二代为SeaWiFS，特点是重访周期短，稳定性较高。第三代为MODIS和VIRRS 以及欧洲的MERIS和OLCI等水色卫星传感器。MODIS有Terra和Aqua两颗卫星，分辨率较前一代有所提高。MERIS的特点是波段多，专门用于研究水色。VIIRS再一次增加了波段，分辨率有所提高。OLCI为当前研究热点，是目前分辨率最高的水色传感器。SGLI由日本发射，搭载了紫外波段，对研究极地地区水色尤为重要。
图5 OLCI基本信息
4、北极水色遥感所面临的挑战
北极水色遥感受环境因素影响较大。由于纬度较高，太阳高度角较低，常年云雾影响，水色遥感的数据获取较难。冬季的风雪天气使得几乎获取不到水色遥感的有效信息。另外海冰限制了水气之间的交换，也妨碍了水色遥感对水体的观测。北极水色遥感面临的挑战如图6所示。
图6 北极水色遥感面临的挑战
5、北极水色遥感的应用
主要介绍了两个方面的应用，即叶绿素a浓度和初级生产力。反演叶绿素a浓度算法主要有三个：经验算法、半经验半分析算法以及神经网络模型。
经验算法不需要知道水色三要素之间的关系，但需要大量实测数据支撑算法，算法具有区域局限性。由于近红外波段大气校正精度较低，因此红/近红外波段的经验算法没有办法应用于极地。
图7 经验算法
半经验半分析算法主要有GSM和Quasi Analytical两种。半经验半分析算法需要知道水色三要素之间的关系，经验参数具有区域局限性，可进行误差分析。
图8 半经验半分析算法
目前应用较多的神经网络模型有C2RCC和ONNS等，神经网络模型依赖训练样本；模型的建立费时费力，应用成本很低；在北冰洋的适用性尚未可知。
展望
未来将致力于研究环境的变化，保证水色遥感在时序上是连续的，得到连续的时间产品。
未来水色遥感传感器会出现对地静止的卫星，对同一个区域进行定点研究。
未来光谱之间距离会越来越短，最终做到高光谱。
提高大气校正的精度，区分水体中粒子的成分也将是未来水色遥感的努力方向。
报告结束后，与会的各位老师、同学与李娟博士进行了热烈的讨论，大家受益匪浅。倾听本次报告的各位老师同学对本次讲座精彩纷呈表示感谢。
(编辑：王俊豪 审核：郝卫峰)
