海洋所揭示黃海綠潮在L/C波段SAR影像中的頻率依賴成像機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所人工智能海洋學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在黃海綠潮微波遙感成像機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展,在國(guó)際遙感領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上發(fā)表研究論文。研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合L波段ALOS-2 PALSAR-2、C波段Sentinel-1合成孔徑雷達(dá)(SAR)系列影像,系統(tǒng)分析了黃海綠潮在不同雷達(dá)波段下的后向散射特征,并提出了一種基于有效表面粗糙度反演和相對(duì)粗糙度描述的物理解釋方法,為理解綠潮多頻SAR成像差異提供了新的理論依據(jù)。
黃海綠潮是由滸苔暴發(fā)性繁殖引發(fā)的典型海洋生態(tài)災(zāi)害,長(zhǎng)期影響我國(guó)黃海近岸海域的生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)殖生產(chǎn)和濱海旅游??焖?、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)綠潮分布,對(duì)于災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急處置和近岸生態(tài)環(huán)境管理具有重要意義。以往研究表明,漂浮綠潮藻席在C波段和X波段SAR影像中表現(xiàn)為亮于周圍海水的高后向散射目標(biāo)。然而,L波段SAR觀測(cè)中綠潮藻斑既可能表現(xiàn)為暗斑,也可能表現(xiàn)為亮斑,成像特征更為復(fù)雜,其與C波段之間成像差異的物理機(jī)制尚未得到系統(tǒng)解釋,這限制了多頻SAR數(shù)據(jù)在綠潮監(jiān)測(cè)和機(jī)理分析中的協(xié)同應(yīng)用。
針對(duì)這一問題,研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合L波段、C波段SAR和光學(xué)影像,分析了不同綠潮階段、海況背景和觀測(cè)條件下的五組典型案例。結(jié)果發(fā)現(xiàn),綠潮藻席在C波段SAR影像中通常穩(wěn)定表現(xiàn)為亮斑,而在L波段影像中多數(shù)表現(xiàn)為暗斑,只在極平靜海況等特殊情況下呈現(xiàn)亮斑(圖1)。也就是說,同樣是綠潮,不同雷達(dá)頻率“看到”的結(jié)果并不完全相同。

圖1?綠潮藻斑在L-/C-波段SAR影像中的成像特征
(圖中共展示了三個(gè)案例,分別用黃色、棕色、綠色框標(biāo)示,灰色框中依次為上述三個(gè)案例對(duì)應(yīng)的光學(xué)觀測(cè))
為解釋這一現(xiàn)象,研究團(tuán)隊(duì)利用高級(jí)積分方程模型(AIEM)和模擬退火算法,分析綠潮覆蓋海面與周圍海水的粗糙度差異,并提出相對(duì)粗糙度描述符(RRD)。該指標(biāo)可簡(jiǎn)單理解為:綠潮相對(duì)于周圍海水,是讓雷達(dá)“看到”的海面更粗糙,還是更平滑。當(dāng)RRD大于1時(shí),綠潮更容易顯示為亮斑;當(dāng)RRD小于1時(shí),則更容易顯示為暗斑。
研究表明,綠潮通常會(huì)增強(qiáng)C波段所感知的海表粗糙度,因此在C波段SAR影像中多表現(xiàn)為亮斑;而在L波段尺度下,綠潮往往抑制海面粗糙度,因此多表現(xiàn)為暗斑。少數(shù)極平靜海況下,由于海水本身回波很弱,綠潮反而在L波段中呈現(xiàn)亮斑。這一結(jié)果解釋了過去L波段綠潮觀測(cè)中“有時(shí)亮、有時(shí)暗”的現(xiàn)象,也說明不同雷達(dá)頻率對(duì)綠潮覆蓋海面的響應(yīng)尺度不同。
此外,研究還發(fā)現(xiàn),在自然綠潮暴發(fā)期的典型環(huán)境范圍內(nèi),海水和藻體介電性質(zhì)變化對(duì)同極化后向散射影響較小。相比之下,海表有效粗糙度變化才是造成L/C波段成像差異的主要原因(圖2)。

圖2?滸苔同極化NRCS隨有效相關(guān)長(zhǎng)度、有效均方根高度、介電常數(shù)的變化分析
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士研究生郭媛,通訊作者為李曉峰研究員,合作者包括意大利羅馬大學(xué)Ferdinando Nunziata教授、那不勒斯“帕斯諾普”大學(xué)Andrea Buono教授和Maurizio Migliaccio教授。
論文信息:
Guo, Y., Nunziata, F., Buono, A., Migliaccio, M., & Li, X*. (2026). L- and C-band SAR Backscattering Characteristics of Green Tide in the Yellow Sea. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. https://doi.org/10.1109/TGRS.2026.3694915
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