近日，厦门大学海洋与地球学院、海洋生物地球化学全国重点实验室李忠平教授团队在海洋水色遥感数据重构与生态应用领域取得重要进展。相关研究成果以“Reconstructing remote sensing reflectance from MODIS-Aqua for enhanced ocean color applications”为题发表于期刊GIScience & Remote Sensing。该研究以南海为典型研究区，基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）-Aqua卫星的日尺度水色遥感数据，提出了一套面向遥感反射比（Rrs）缺失数据的重构方法。研究采用DCT-PLS（Discrete Cosine Transform with Penalized Least Square）方法，对多波段Rrs数据进行连续化重构，有效提升了水色遥感数据的空间覆盖度和时间连续性，为构建长期、稳定且光谱一致的海洋水色观测数据集，以及开展生态参数反演提供了新的技术路径。
图1 南海2010-2020年MODIS-Aqua数据时空缺失率示意图，图（a）中黑点为实测站位，图（b）为卫星产品的日缺失率
研究背景
海洋水色卫星遥感是开展海洋生态环境监测、初级生产力评估和长期气候变化研究的重要手段。然而，受云覆盖、太阳耀斑、传感器观测几何条件等因素影响，卫星水色产品普遍存在数据缺失问题。尤其在南海等热带与亚热带海域，单一传感器日尺度水色产品的缺失率可超过85%，严重制约了短期生态事件识别、季节变化分析和长期趋势评估等应用的开展。
现有缺失重构研究多集中于叶绿素a浓度（CHL-a）、海表温度（SST）等反演后的单一变量，难以兼顾不同生态参数间的物理一致性和光谱连续性。实际上，CHL-a、吸收系数、漫衰减系数等多种水色产品均由Rrs光谱进一步反演获得。因此，本研究提出从“源头变量”Rrs出发，构建连续、稳定且光谱一致的Rrs数据集，并系统评估其在CHL-a反演、生物光学参数获取和长期趋势分析中的应用潜力。
研究亮点
本研究采用DCT-PLS方法，对2010—2020年南海MODIS-Aqua日尺度Rrs数据进行重构，覆盖412、443、488、531、547和667 nm共六个典型水色波段。结果表明，重构Rrs与原始MODIS Rrs具有高度一致性，各波段R²均超过0.96，且能够较好保持Rrs的光谱形态，证明该方法在高缺失率下仍能有效恢复水色遥感信号，为后续生态参数反演提供了稳定的数据基础。
图2 DCT-PLS重构Rrs与原始MODIS Rrs在六个波段（412, 443, 488, 531, 547, 667 nm）上的交叉验证结果
为验证重构数据的实际应用能力，本研究进一步利用南海现场观测数据进行独立评估。结果显示，重构Rrs显著增加了卫星与现场观测的有效匹配数量，匹配点数量提高至原始MODIS产品的4倍以上；同时，在488—547 nm等关键波段仍保持较高精度。基于重构Rrs反演得到的CHL-a，相比对CHL-a产品的直接重构结果具有更低误差，表明从Rrs源头进行重构能够兼顾数据覆盖度与下游产品的可靠性。
图3 原始CHL-A（左）、对MODIS CHL-A产品直接重构（中）与基于重构Rrs反演CHL-A（右）与实测数据的验证对比
在长期趋势分析方面，重构后的Rrs数据显著提升了南海水色信号长期变化的识别能力。研究发现，南海海盆区Rrs(443)总体呈上升趋势，表明该区域浮游植物吸收可能减弱，并伴随水体透明度变化；而在越南离岸流区域，Rrs(443)呈下降趋势，并与CHL-a升高表现出相反的变化特征，反映了季风驱动的上升流及营养盐补给对区域生态过程的重要影响。与原始卫星产品相比，重构数据有效扩大了显著趋势的识别范围，提高了趋势信号的空间连续性和信噪比，有助于恢复因云覆盖和数据缺失而难以捕捉的长期水色变化信号，为南海生态环境演变及其气候响应研究提供了更为稳定的数据支撑。
图4 原始MODIS与重构Rrs(443)和Rrs(547)的长期变化趋势对比（2010-2020），图中不显著（p<0.05）区域以灰色标记
图5 原始MODIS与重构Rrs长期变化趋势（2010-2020）的信噪比对比
研究意义
本研究提出了一种面向Rrs源头变量的海洋水色缺失数据重构策略，为构建连续、光谱一致且可用于多参数反演的水色遥感数据集提供了新思路。相比直接重构CHL-a等单一产品，该方法能够更好地保持不同水色参数间的物理联系，并支持CHL-a、吸收系数、漫衰减系数等下游产品的一致生成。该研究有助于提升云覆盖严重、观测数据稀疏海域的长期生态监测能力，可为海洋生态变化评估、极端事件识别及气候尺度海洋环境研究提供更加稳定的数据支撑。
研究团队及资助
该论文共同第一作者为厦门大学2022级博士生王天浩和中山大学卢文芳副教授，通讯作者为厦门大学李忠平教授，合作作者包括余小龙副教授、商少凌教授等。本研究获得国家重点研发计划项目（2023YFC3107603）、国家自然科学基金项目（42376173、42430107）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720240102）以及海洋生物地球化学全国重点实验室自主研究课题（MELRI2602、MELRI2605）的资助。
论文来源及链接
Wang, T., Lu, W., Lee, Z., Yu, X., Chen, J., Shang, S., Lin, G. Reconstructing Remote Sensing Reflectance from MODIS-Aqua for Enhanced Ocean Color Applications. GIScience & Remote Sensing (2026).
https://doi.org/10.1080/15481603.2026.2681367
供稿：李忠平教授课题组
编辑：苏颖 房月
审核：上官明佳 曹知勉
