摘要:从卫星传感器、大气校正、光学特性测量、生物光学模型及水体辐射传输、水质参数反演方法等方面,系统分析了湖泊水色遥感的发展现状.湖泊水体物质组份的复杂性以及卫星传感器与实际需求的矛盾决定了湖泊水色遥感的难度.目前湖泊水色遥感在一些关键问题上仍没有实质性进步,离水色遥感监测的业务化尚有一段距离.令人欣慰的是,卫星传感器以及水色遥感反演算法的不断发展和进步,让我们看到了胜利的曙光.

摘要:光合有效辐射(PAR)的漫衰减系数K_PAR是水环境研究中经常使用的一个光学量.水体的漫衰减系数与波长紧密相关,随着水体深度的不断增加,PAR频谱收缩到具有更小衰减系数的波长处,对上层水体或者混合均匀的水体而言,此时的K_PAR与水深关系极为密切.为了更为准确的描述PAR剖面,获取更可靠的光学衰减参数,强调了K_PAR数值的模糊性,倡导正确表达K_PAR的垂直变化.

摘要:真光层是浮游植物进行光合作用的水层,真光层反演有利于初级生产力的进一步估算.利用2007-01-07和2006-08-01两期陆地卫星TM数据与同步水质参数数据,建立太湖水体非色素颗粒物浓度和叶绿素a浓度的反演模型,反演出太湖冬、夏两季的非色素颗粒物、叶绿素a浓度.然后根据在太湖建立的真光层深度与非色素颗粒物、叶绿素a浓度之间的关系模型,计算得到太湖冬、夏两季真光层深度空间分布.结果表明,就整个湖区而言,冬季真光层深度变化范围为0.27-2.28m,均值为0.56±0.22m,夏季真光层深度变化范围为0.21-2.03m,均值为0.98±0.24m.从空间上看,冬季时真光层深度的变化规律为:南太湖<西部沿岸<湖心区<胥口湾<贡湖湾<梅梁湾<东太湖<竺山湾;夏季时的变化规律为:西部沿岸<梅梁湾<东太湖<湖心区<贡湖湾<竺山湾<南太湖<胥口湾.从季节上看,夏季真光层深度显著大于冬季,但不同湖区真光层深度季节变化也存在一定差异,其中梅梁湾、贡湖湾、西部沿岸、湖心区、胥口湾、南太湖夏季真光层深度大于冬季,而竺山湾和东太湖夏冬变化则不是很明显.

摘要:介绍了一种基于辐射传递模拟和人工神经网络技术(ANN)的二类水体水色要素(CHL,SPM,CDOM)的反演算法.在辐射传递模拟计算中,纯海水吸收和散射、浮游植物吸收的数据或模型是已发表的被广泛采用的结果.黄色物质和非浮游植物颗粒吸收以及海洋颗粒物的散射模型从COASTLOOC数据中导出.另外,还利用了一个新的海洋颗粒物后向散射概率模型,在该模型中颗粒物后向散射概率是颗粒有机物与SPM比值和波长的函数.把上述定义的固有光学性质作为输入,经过辐射传递模拟得到海表面以下辐照度反射比数据集,然后将该模拟数据集用于训练不同的人工神经网络,获取水色和水色要素浓度之间函数关系的最佳近似.利用以上建立的基于人工神经网络的算法,把COASTLOOC数据集和PMNS数据集的辐照度反射比作为输入进行水色要素反演,通过比较反演值和真实测量值来评价算法性能.结果显示,建立的基于ANN的二类水体水色要素反演算法具有很好的性能.

摘要:以富营养化污染严重的太湖为研究区,设计并实施了2次太湖航空遥感综合实验,获取了太湖7条航带、冬夏两个时相的航空高光谱遥感图像;通过6次太湖地面试验,采集了多时相的太湖水体固有光学量和表观光学量数据,分析了它们的空间分布规律,建立了单位固有光学量数据库;面向叶绿素、悬浮物和黄色物质3种典型水质参数,发展了基于生物光学模型和单位固有光学量数据库的水质参数反演分析方法;利用航空高光谱遥感器WHI图像和航天高光谱遥感器CHRIS图像对这些方法进行了检验,获得了较好的水质参数图像反演结果.

摘要:神经网络方法估算复杂水体水质参数的优越性已经得到证实.基于太湖水体实测叶绿素a浓度,利用MODIS250m影像和反演得到的水温数据建立了估算太湖水体叶绿素a含量的两个单隐层BP神经网络模型:NN1模型不含温度因子、NN2模型包含温度因子,采用Levenberg-Marquardt算法训练网络,利用初期终止方法提高网络泛化能力,均取得了较高估算精度,其中包含温度因子的反演模型精度稍有提高,但不显著.

摘要:为进一步了解香港近海水体特性及监测其水质状况,根据2001年3-5月在香港临近海域调查取得的实测资料,对该海域水体光谱进行解析,开发该海域叶绿素a浓度与色素吸收系数aph(675)的经验模型,具有较高相关性;用剖面数据外推及水体光谱模拟方法完成对水下表面遥感反射率光谱的推导;进而建立反演低浓度区叶绿素a浓度的半分析算法,反演结果与实测值比较平均相对误差为45%,均方根差0.933,相关系数0.78,误差主要来源于外推演算及散射模型.结果表明该算法在低悬浮物低叶绿素浓度区域有一定适用性.

摘要:吸收系数和后向散射系数是水体的固有光学特性参数,在探测水体中各组分浓度的过程中起着至关重要的作用.但通常组分固有光学特性的测定是一个操作复杂且费时费力的过程.提出了一种利用已知组分浓度和相应的反射光谱的水体样本来推定水体中各组分的吸收和后向散射系数的算法,并利用生物光学模型产生的模拟光谱数据对算法的合理性进行了验证.结果表明,在理想的实验条件下(反射光谱满足机理模型,且选取的训练样本相互独立),可以高精度地反演出各组分的固有光学特性,从而证实了本算法在理论上的合理性.

摘要:水华和水生高等植物的识别对于内陆水质遥感监测至关重要,其分布状况既可以用于表征水生植物的分布状况,从而间接反映水质分布状况,又可以进一步利用非水华和水草的水体遥感数据进行水质参数反演.然而,常用的多光谱遥感数据很难精确识别水华和水草,只有高光谱遥感数据才能够捕捉水华、水草和水体细致的光谱差异,从而对水华和水草进行精确识别.但是目前还缺乏基于高光谱遥感数据的水华和水草识别的系统性研究.以太湖为研究区,于2006年7月和10月开展了2次水面光谱测量实验,获取了水华、浮叶植物、沉水植物和水体的反射率光谱.在光谱分析的基础上,首先建立了4种光谱指数,进而利用这4种光谱指数建立了水华、浮叶植物、沉水植物和水体的判别公式,并利用2006年10月水面实验测量的光谱数据训练得到了判别公式中的阈值.通过2006年7月水面实验测量的光谱数据的检验,证明提出的判别公式能够很好的识别水华和水草,获得了较高的识别精度.

摘要:叶绿素a是影响内陆水体光学特性的主要水色要素之一.作为反映水体富营养化程度的重要参数指标,国内外学者发展了大量的算法和模型进行水体中叶绿素a浓度的遥感反演.这些算法均使用固定的波段位置.叶绿素a的特征谱段随着其浓度的变化存在一定的位移,尤其是701nm反射峰,其存在着明显的"红移"现象,因此使用固定波段势必带来一定的误差.通过对不同叶绿素a浓度水样的光谱曲线分析,提出动态峰反演叶绿素a浓度的方法.使用反射峰范围最大值和吸收谷范围最小值,而不是固定波长位置进行建模,以求获得更高的反演精度.

摘要:2007年8月至2008年9月,对厦门两个淡水水体(芙蓉湖、厦大水库)的叶绿素浓度和遥感反射率(R_rs)进行了连续观测.在叶绿素浓度6-322mg/m³的范围,R_rs光谱出现显著的近红外反射峰,中心位置在700-710nm之间,较之通常的荧光峰中心(683nm)向长波方向偏离.该峰在厦大水库始终出现在700nm,但在芙蓉湖存在时间变化,随着叶绿素浓度的增加,由705红移到710nm.由此,仿MODIS荧光高度(FLH)的定义,定义该峰的高度(简写为REH),对于水库和芙蓉湖中心波段分别确定为700和710nm.REH与叶绿素浓度呈现显著相关,芙蓉湖REH=0.016lg(chl)-7.8×10^-6(R²=0.79,n=41),水库REH=0.0001chl+0.0002(R²=0.74,n=32).可见对于高散射的淡水藻华水体,可以并且需要通过改进FLH的波段选择,基于更长波段处的近红外峰的高度探测叶绿素浓度.

摘要:应用吸收和三维荧光光谱对2007年夏季太湖入湖河口和大太湖开敞区有色可溶性有机物(CDOM)浓度及来源进行研究.结果表明,河口区和开敞区CDOM吸收系数a(355)存在显著空间差异,河口区明显大于开敞区(ANOVA,P<0.001),a(355)最大值出现在大浦河口和竺山湾漕桥河口附近,最小值出现在东太湖和胥口湾.a(355)与溶解性有机碳、化学耗氧量浓度存在显著正相关.所有样品一般都含有4个明显的荧光峰,包括1个可见光区的类腐殖质荧光C峰,1个紫外光区的类腐殖酸荧光A峰,2个类蛋白荧光B峰和D峰.河口区外源输入的类腐殖质荧光非常强,显著大于开敞区(ANOVA,P<0.05),而河口区和开敞区类蛋白荧光没有显著性差异,反映开敞区除外源河流输入外,内源生物降解等对类蛋白荧光贡献增加.在河口区B、C峰的比值r(B/C)小于1,均值为0.62±0.14、在开敞区r(B/C)除12#是0.92,其他值均大于1,均值为1.12±0.13,初步判断r(B/C)可以作为区分CDOM来源的重要参数.CDOM吸收a(355)与类腐殖质荧光C峰、A峰均存在极显著的正相关,而与类蛋白荧光相关性则明显下降,与D峰存在显著正相关,与B峰没有显著相关.

摘要:有色可溶性有机物(CDOM)吸收光谱特性研究对于水色定量遥感反演具有重要作用.通过2007年6月10日至6月18日太湖沿岸68个CDOM吸收光谱曲线和水质参数实测数据,分析了CDOM吸收光谱曲线特征以及a_g(440)、S_g值及其相关关系等,结果表明:太湖沿岸水体CDOM吸收光谱曲线表现为两种类型,贡湖湾CDOM吸收系数明显高于太湖其他沿岸水域,a_g(440)最高值即出现在贡湖湾;同时,梅梁湾、贡湖湾、镇湖湾、光富湾等a_g(440)高于沿岸水体平均值,而南部3个湖湾皆低于平均值.另外,贡湖湾S_g值较小,且与a_g(440)呈现出较好的关系;而沿岸其它水体S_g值与a_g(440)虽然呈现负相关,但关系不明显.这对于了解太湖水体CDOM特性以及定量反演有一定的意义和作用.

摘要:根据2007年秋季洪湖、东湖和梁子湖的调查结果,分析了长江中游3个典型湖泊CDOM光学特性及其空间分布差异.结果表明:(1)CDOM吸收系数在洪湖最高,梁子湖最低;(2)在洪湖,CDOM吸收系数受陆源影响较大,与悬浮泥沙浓度呈现较好正相关关系,而在梁子湖,CDOM吸收系数主要受到浮游植物降解贡献,与叶绿素浓度具有显著的正相关关系;(3)洪湖与东湖指数函数斜率S值变化不大;梁子湖CDOM吸收系数空间分布差异较大,指数函数斜率S值与400nm波段CDOM吸收系数ag(400)显著负相关.在建立梁子湖CDOM遥感反演模型时,应引入上述指数函数斜率S值与400nm波段CDOM吸收系数之间的线性函数,对CDOM吸收系数的指数模型进行优化.

摘要:云南高原湖泊是我国湖泊分布最密集的五大湖群之一,不但湖泊数量众多而且类型多样.由于湖泊所处位置海拔较高,容易受日益增强UV-B辐射影响.通过对云南高原34个湖泊有色可溶性有机物和颗粒物吸收测定,分析其光谱吸收特性及对总吸收的贡献,有利于深刻理解紫外辐射在高原湖泊内衰减.不同湖泊间CDOM吸收差异明显,其大小与水体营养盐状况相关,CDOM吸收系数与水体总氮存在显著正相关.增加背景项的指数函数模型能最好模拟CDOM光谱吸收.除在浮游植物浓度非常高的杞麓湖、听湖、星云湖,颗粒物吸收系数在675nm附近存在一个吸收峰外,其它湖泊总颗粒物光谱吸收大致随波长的增加吸收系数逐渐降低,呈现非色素颗粒物光谱吸收特征,整体上颗粒物吸收以非色素颗粒物为主.CDOM对总吸收的贡献主要集中在600nm以下波长,尤其是400nm以下的紫外波段,其在紫外波段(350-400nm)的贡献明显要大于光合有效辐射波段(400-700nm)(ANOVA,P<0.001).特别对于透明度SD≥1.0的清澈型湖泊,CDOM吸收对紫外辐射衰减的贡献更大,其吸收很大程度上决定了紫外辐射的影响深度.

摘要:为了有效改善遥感影像提取湖泊边界信息的可靠性和精度,减少人为误差,提出了一种利用多时相遥感影像提取边界信息的加权平均融合算法以及误差的域法修正处理方法.结果表明,该方法能有效融合各时相影像信息,提高湖泊边界信息提取的可靠性,并且对融合时相变化较大的湖泊边界都有一定的普适性.通过融合算法提取的呼伦湖面积为1928.35km²,修正后的面积为1929.85km².通过利用地统计学理论对算法的验证及误差分析,得出相对误差空间变异拟合模型的块金方差与基台值之比都小于25%,具有很强的空间相关性,修正后的数据空间相关性要优于融合数据,空间变程也得到了有效地降低,显示修正后的数据对半方差函数理论模型的拟合程度更好.

摘要:内陆水体光学特性复杂,其水质参数遥感反演是当前环境遥感研究的热点与难点.2004年10月在太湖实测了67个站点的遥感反射率与相应站点水质参数浓度,通过对水体反射率光谱的分析发现,秋季太湖悬浮物主导了水体光学特性,叶绿素荧光峰的特征主要体现为悬浮物浓度的变化.据此建立了基于水面实测高光谱遥感反射率数据的叶绿素荧光峰特征与悬浮物浓度之间的拟合关系,发现二者具有很好的响应关系.具体分析了叶绿素荧光峰绝对高度、基线高度、归一化高度(分别归一化到560nm附近最大反射率波段与近红外810nm附近最大反射率波段)及荧光峰积分面积(包括积分总面积、基线以下面积与基线以上面积)等几种光谱特征与悬浮物浓度之间的关系,其相关系数(R2)分别为0.8822、0.7483、0.8901、0.8547、0.8927、0.8877、0.8632,平均相对误差分别为27.25%、41.03%、27.11%、25.75%、24.91%、25.47%、27.54%,总体反演精度较高,其中总积分面积法效果最好,基线高度法效果最差,而叶绿素荧光峰波段的位移与悬浮物浓度之间不存在明显的相关性.研究结果表明叶绿素荧光峰特征在浑浊内陆水体悬浮物浓度信息提取中具有很好的应用前景,该方法可为浑浊的二类水体悬浮物遥感反演提供了一个新思路.

摘要:针对东北地区水体,以长春市重要水源地石头口门水库为例,分别于2008年6月13日和9月23日对该水库进行了水体颗粒物吸收特性研究.结果显示:2008年6月水库悬浮物含量高于9月,而叶绿素a含量低于9月;总颗粒物的吸收光谱曲线类似于非色素颗粒物,非色素颗粒物吸收对其的贡献明显大于浮游植物色素,9月份浮游植物吸收对其的贡献略有增加,吸收曲线在440nm左右能明显看到浮游植物引起的吸收峰;非色素颗粒物在440nm的吸收系数与悬浮物浓度存在较好的函数关系,而与叶绿素a浓度的相关性较弱;浮游植物色素吸收系数较低,色素组成中叶绿素a占主导地位,浮游植物在440nm和675nm的吸收系数与叶绿素a含量均存在较好的指数函数关系;6月浮游植物比吸收系数在440nm和750nm的均值分别为0.0483m²/mg和0.0263m²/mg,而9月份的均值分别为0.0337m²/mg和0.0187m²/mg.

摘要:悬浮泥沙浓度是描述水质的重要参数之一,获得其在空间和时间上的分布信息对于理解、管理和保护湖泊生态系统是必要的.此研究旨在建立基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)影像的鄱阳湖悬浮泥沙浓度反演模型,并利用建立的模型反演2000-2007年鄱阳湖丰水期的悬浮泥沙浓度,分析其在时间和空间上的变化特征并对引起这些变化的原因进行讨论.研究结果揭示:MODISTerra影像红波段与悬浮泥沙浓度具有显著的相关性(R²=0.92,s.e.=12.02mg/L,F=154.30,P<0.001),可以用于鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度的反演;自2000-2007年间,鄱阳湖悬浮泥沙浓度呈明显的时间和空间分布特征,在南部水体悬浮泥沙浓度无明显变化,在北部呈增加趋势,而中部水体泥沙浓度波动较大;鄱阳湖北部的采砂活动是导致此区域悬浮泥沙浓度增加的主要原因,其与长江江水倒灌鄱阳湖共同作用引起鄱阳湖中部泥沙浓度的波动,抚河、信江和饶河输沙量的非显著变化也导致南部鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度的非显著变化.

摘要:水色产品的真实性检验无论对于算法的改进还是后续应用的可靠性保障来说都是十分重要的.中国近海是世界上最为浑浊的海域之一,NASA标准MODIS水色产品在该海域的精度十分有限.然而,局限于高质量海上实测数据的获取,相关的检验工作并未得到有效开展.利用2003年春季和秋季黄东海航次的实测数据对MODISAqua标准水色产品中的归一化离水辐亮度L_wN(λ)(转换成遥感反射率R_rs(λ))和叶绿素a浓度(Chl.a)进行了真实性检验分析.采用3×3像元和±3h作为时空匹配窗口,并根据空间均匀性判识准则进行了数据剔除.基于验证数据(中低混浊水体)的分析,得到初步结论:(1)MODIS的Rrs(λ)反演结果具有一定精度,但是不能满足10%的误差期盼,且412nm波段的结果明显较差.反演值与实测值之间具有良好线性相关关系,对于所有6个波段,均方根偏差约为0.0030sr^-1,相对偏差绝对值的中值约为25%.MODIS反演的R_rs(λ)与实测光谱的形状基本相似,数值多数偏低,特别是在高值区,另外,412和667nm波段在低值区大多数偏低,甚至出现负值,主要是大气修正过程中近红外波段离水辐射和气溶胶类型不适当造成的.(2)MODIS的Chl.a精度很差.反演值整体偏高,且与实测值之间不具有明显的线性相关关系,两者的均方根偏差约为1.56mg/m³,相对偏差绝对值的中值约为103.25%,主要是OC3M模型(系数)的不适用性造成的.