基于变分方法的水色反演研究

The retrieval algorithm is one of the key problems in ocean color inversion. Differing from the present retrieval algorithms, in this study, the idea of inverse problem is to be introduced to develop the math-physical model of water color inversion and its application study. First, by the parameterization of the radiant transfer process in the waters, the forward model of remote sensing reflectance of water surface would be established. Then the water color optimal retrieval model is to be constructed by combining the variational with the regulation method. To implement this inversion process, it is necessary to establish the rational object functional, select proper regulation parameter and optimal algorithm. On another hand, both the numerical tests and contrasts to the measured data are required to verify the validity of the model and validate the reliability of the retrieval results. Finally, using multiple-time satellite data together with both measured water color parameters and measured water environmental parameters, the application study of the water color variational-inversion model is to be carried out both in the sea area and in Taihu Lake, which could help to fulfil the test and pratice of the established model. This study could provide a new idea and potent approach for water color inversion and its application.

反演算法是水色遥感研究中的热点和难点问题。不同于当前已有的反演算法模型,在本项研究中，拟引进反问题思想，开展水色变分反演数学模型的创建与应用研究。首先，通过研究水体遥感辐射传输各物理过程的参数化方法，确立水面遥感反射率的正演光学模型。然后，依据变分结合正则化方法，结合正则化参数的合理选择，建立目标泛函和选择最优化算法，构建水色遥感变分反演模型,并通过数值试验及与实测资料的比较，检验模型的有效性及验证反演结果的可靠性。最后，选择不同海域及有丰富基础数据和良好野外观测条件的太湖水域，结合实测水色参数以及水体环境参数等，开展模型应用研究，并通过实测数据进行模型的试验和实践，为拓展水色遥感的应用研究提供一种新的思路与有效途径。

水色反演算法是水色遥感研究中的热点和难点问题。本课题引进反问题思想，开展水色变分反演数学模型的研究。围绕水色变分反演的科学问题，主要开展了以下几个方面的研究：（1）比较系统地研究了水色反演的正演问题，揭示了各水色物质因子对遥感反射率的光谱特征影响，并讨论了水色物质浓度误差对遥感反射率的影响。（2）开展了大气校正方法的研究。给出了一种基于实用化的大气校正方法，即先求取清洁水域上空的气溶胶散射值，并假设在一定区域大气均一，以清洁水体各波段的气溶胶散射平均值作为整个研究区域的气溶胶散射值。方法简单实用，并取得了较好的校正效果。（3）基于变分的思想，开展了水色的变分反演研究，建立了水色变分反演模型，推导了关于目标泛函梯度的表达式，并采用BFGS优化算法，实现了对水色的变分反演。同时开展遗传算法、统计方法的反演，并进行了比较分析，结果表明，变分反演具有兼具反演精度和反演效率的整体优势。（4）最后开展了具有背景约束的变分反演初步研究，初步确立了反演方法与思路。本课题的研究成果丰富了水色变分反演方法的理论和方法，为今后研究水域的环境资源问题以及服务国家海洋安全战略提供科学依据。