应用CDOM光学特性估算水体COD——以辽宁省盘锦市双台子河和辽东湾为例

有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)是水体中一类重要的光吸收物质,在水色遥感中,其光学特性主要以440 nm处的吸收系数和光谱斜率来表征,利用这些光学特性进行水环境要素遥感反演具有较广泛的应用前景.化学需氧量(chemical oxygen deman...     

大连港海域石油类物质比吸收系数特征分析

利用2018年8月25-27日和2019年5月15-17日在辽宁省大连港及周边海域测定的不同站点、不同时刻的遥感反射比R_(rs),以及不同深度的水体吸收系数和石油类物质浓度数据,分析了水体石油类物质比吸收系数a_o*(λ)的光谱变化规律和在参考波段440nm处的比吸收系数a_o*(440)的垂向分布特征;将基于遥感反射比R_(rs)估算有色溶解有机物CDOM(Colored Dissolved Organic Matter)吸收系数和水体油浓度C_o的模型应用于LANDSAT8卫星数据,反演出该海域a_o*(440)和油浓度专题图,并分析了两者的空间分布特征。结果表明:(1)a_o*(λ)的光谱分布特征遵循e指数衰减方程的变化规律;由于潮汐作用的影响,不同来向海水的石油类物质浓度不同,导致不同时刻不同站点的a_o*(λ)的光谱斜率有一定的差异;(2)CDOM与油物质的混合比吸收系数a_(go)*(440)随深度的垂向变化没有明显的规律,这也是由于涨落潮变化使得不同来向的海水组分有差异所致;(3)a_o*(440)水平变化具有明显的规律;在石油污染浓度C_o高的海域,a_o*(440)呈现低值,在C_o低的海域,a_o*(440)呈现高值。     

长江口外海水中有色溶解有机物（CDOM）的光吸收特性

基于2008年5、11月2次调查数据,研究了长江口邻近海域水体有色溶解有机物（CDOM）的光吸收特性及其时空分布特征,探讨了CDOM含量、光谱斜率Sg值及其与特征波长下吸收系数a（440）的关系.结果表明,春季该海域有色溶解有机物的吸收系数a（440）的范围为2.232~8.671 m-1,平均值为4.523 m-1;秋季其吸收系数a（440）的变化范围为0.390~6.135 m-1,平均值为2.209 m-1.该水体CDOM吸收曲线基本呈指数衰减趋势.在400~440 nm波段内,春季其光谱斜率Sg值范围为0.002 0~0.014 2 nm-1,平均值为0.008 7 nm-1秋季的介于0.020 8~0.052 6 nm-1之间.平均值为0.037 5 nm-1.同时有色溶解有机物吸收系数a（440）与Sg值存在着较显著的负相关关系.     

石油类污染水体后向散射特性分析——以辽宁省盘锦市双台子河和绕阳河为例

水体悬浮物对溶解在水中的油及乳化油有吸附作用,这种作用会叠加在颗粒物上,对水体的后向散射系数产生影响,而水体后向散射系数是水色遥感的重要参数之一,对建立遥感反演石油类污染浓度半分析模型起着关键性的作用。根据2008年5月在辽宁省盘锦市辽河油田境内双台子河和绕阳河现场测定的水样,对水体组分进行浓度分析,并分别利用分光光度计及后向散射系数测量仪测定水色三要素的吸收系数和水体后向散射系数。根据获取的数据,对石油类污染水体后向散射特性进行分析,分别建立了(1)石油类污染水体后向散射系数光谱模型;(2)石油类污染水体和非石油类污染水体后向散射系数与无机悬浮物浓度的关系模型。研究结果表明:(1)在建立的后向散射系数光谱模型中,幂函数指数平均值为0.87;(2)从相关系数分析来看,对后向散射系数起主要作用的是无机悬浮物浓度,其次是石油类物质浓度,而有机悬浮物浓度几乎没有影响;(3)对于无石油类污染水体,后向散射系数与无机悬浮物浓度为对数关系模型,而与有石油类污染水体更接近线性关系模型。     

东海典型水体的黄色物质光谱吸收及分布特征

水体中的有色可溶性有机物(又称"黄色物质")是遥感监测水质分类的主要参数之一,研究其光谱吸收性质具有重要的实际意义。东海海区受长江冲淡水等陆源输入的影响,水体浑浊,光学性质复杂,以往对该区域CDOM吸收特征的研究相对较少。利用"九○八"我国近海海洋光学调查航次数据,获得了2006-2007年四个季节东海水体样品CDOM的光谱吸收数据,建立了包括杭州湾高浑浊水体、长江冲淡水、外海水体等东海不同水体类型的CDOM光谱模型及其典型波段的吸收系数分布情况。发现近岸受陆源输入影响大的海区其光谱性质与外海有明显区别,主要体现为近岸尤其在杭州湾附近站点短波段吸收系数值非常高,而且随波长增加吸收系数曲线衰减迅速,同时还有一定的季节变化,外海站点短波段吸收值则明显要低。这反映了CDOM的陆源输入特性,愈向外受到海水的混合稀释作用愈显著,验证了CDOM可以作为近岸海水水质监测的重要参数。对该海区内CDOM的实测荧光性质进行了相关分析,结果表明CDOM荧光与吸收系数之间有很好的线性相关关系,可以作为荧光方法遥感监测该海区CDOM的有价值的参考。     

水体石油类含量测量方法进展

近年来,海上石油污染呈现高频率,且污染程度和面积迅速扩大的态势,给海洋生态环境造成灾难,对污染的评估和消除迫切需要时间和空间上连续的观测数据来支撑。目前水体石油类含量测量方法主要包括仪器测量和遥感反演两种方式。国内外仪器测量主要采用紫外分光光度法、荧光分光光度法、红外分光光度法和非分散红外法,从这些方法的基本原理入手,剖析了各自特点和适用范围;利用2008—2010年在辽东湾获取的水体石油类污染分析数据,探讨了利用水体固有光学特性(吸收系数和散射系数)提取水体石油类含量信息的可行性;根据石油类物质在中红外波段的吸收特征,提出了利用中红外遥感判断水体石油类物质烃类组成成分的依据;最后对仪器测量结果和遥感模型反演结果进行现场验证的实验方案进行了合理性设计。     

水体中有色可溶性有机物的研究进展

有色可溶性有机物(CDOM)是水体中一类重要的光吸收物质,在短波的吸收大大降低了紫外辐射在水体的衰减,因而其光学行为和生物地球化学循环将对水体生态系统产生重要影响。CDOM在水体生态系统、水色遥感和全球碳循环研究中具有广阔的应用前景。文章综述了国内外CDOM研究现状与动态,其中包括CDOM的光吸收特性、荧光特性、光化学降解以及CDOM和DOC浓度的水色遥感,最后提出在内陆水体湖泊中开展CDOM研究的设想。     

基于遥感图像分析的极区海冰漂移研究

自然水体中石油污染含量的时空间分布是数字地球领域水体环境研究的一个重要参数,利用遥感技术提取水中石油含量也是数字地球研究领域的一个热点问题.基于2009-2013年进行的六次石油类污水野外配比实验数据,结合2013年6月-2014年4月晴天获取的中国辽宁盘锦辽河油田Landsat 8/OLI遥感数据,在对配比实验测定值、Landsat 8/OLI传感器模拟值和Landsat 8/OLI传感器过境值等三类遥感反射比数据进行归一化处理的基础上,通过对波段特征进行分析,发现含油水样与无油水样在绿色、红色和近红外波段的遥感反射比存在明显的差异,由此提出了水体石油污染归一化遥感反射比指数NDPRI (Normalized Difference Petroleum Remote Sensing Reflectance Index),该指数可用来判断水体是否存在油污染,进一步建立利用NDPRI来反演水中石油含量遥感模式.结果表明:(1)含油水样和无油水样在蓝色波段的归一化遥感反射比差别不大;(2)含油水样在绿色和红色波段的归一化遥感反射比明显低于无油水样;(3)无油水样在近红外波段的归一化遥感反射比呈现下降趋势,而含油水样的归一化遥感反射比随着石油类浓度含量的增加而明显抬升,呈现出较好的线性关系;(4)含油水样,其NDPRI小于0.45,此阈值作为是否有油污染的判断值.最后,利用2014年4-8月污水厂获取的现场实测数据对模式进行验证,相对误差为13.5％,表明所建立的模式具有良好的石油含量反演精度.     

基于归一化遥感反射比反演水中石油含量模式研究

自然水体中石油污染含量的时空间分布是数字地球领域水体环境研究的一个重要参数,利用遥感技术提取水中石油含量也是数字地球研究领域的一个热点问题。基于2009—2013年进行的六次石油类污水野外配比实验数据,结合2013年6月—2014年4月晴天获取的中国辽宁盘锦辽河油田Landsat 8/OLI遥感数据,在对配比实验测定值、Landsat 8/OLI传感器模拟值和Landsat 8/OLI传感器过境值等三类遥感反射比数据进行归一化处理的基础上,通过对波段特征进行分析,发现含油水样与无油水样在绿色、红色和近红外波段的遥感反射比存在明显的差异,由此提出了水体石油污染归一化遥感反射比指数NDPRI(Normalized Difference Petroleum Remote Sensing Reflectance Index),该指数可用来判断水体是否存在油污染,进一步建立利用NDPRI来反演水中石油含量遥感模式。结果表明:(1)含油水样和无油水样在蓝色波段的归一化遥感反射比差别不大;(2)含油水样在绿色和红色波段的归一化遥感反射比明显低于无油水样;(3)无油水样在近红外波段的归一化遥感反射比呈现下降趋势,而含油水样的归一化遥感反射比随着石油类浓度含量的增加而明显抬升,呈现出较好的线性关系;(4)含油水样,其NDPRI小于0.45,此阈值作为是否有油污染的判断值。最后,利用2014年4—8月污水厂获取的现场实测数据对模式进行验证,相对误差为13.5%,表明所建立的模式具有良好的石油含量反演精度。     

应用Hydrolight模式研究含油水体辐射传输特性的关键技术

辐射传输模式Hydrolight在国际水色遥感研究领域已被广泛用于解决水体光学的各种问题,也是进行石油类污染水体辐射传输特性研究的有效模型。结合Hydrolight模式的机理、应用现状及含油水体的特点,提出了将该模式应用于光学特性复杂的石油污染水体辐射传输特性研究时需要解决的关键技术,包括测定石油污染水体吸收系数和散射系数、建立石油污染吸收和散射特性随波长和深度变化的参数化模型、确定油物质的吸附后悬浮颗粒物体散射函数模型等方面。依据2018年8月和2016年8月分别在辽宁大连港和辽宁盘锦辽河油田等区域测定的含油水体数据,讨论了这些关键技术的解决方案。     

水体石油类物质生物-光学遥感反演模型

A biooptical modeling, which is based on a radiation transfer model, can be employed to simultaneously retrieve the concentration of various colour factors by multi-spectral remote sensing data, after connecting inherent optical properties （absorption coefficient and backward scattering coefficient） of colour factor with apparent optical properties （remote sensing reflectivity）. At present, this method has been used in a relatively wide range of applications in the inversion of a conventional water colour factor concentration in the case II water body： applications such as chlorophyll, suspended sediment, yellow substance. On the basis of extensive field testing data of water quality, correspondingly apparent optical properties, and the full use of the existing parametric model of colour factor inherent optical properties （with the parametrization of petroleum substance inherent optical properties established in the project） the remote recognition model for oil concentration is established by introducing oil as a new water co/our factor into a biooptical remote algorithm. The estimated value of the oil concentration was obtained by solving the biooptical model, using the data measured in May 2008 and August 2009 and June 2010 in seawater. The highly accurate inversion result promises to estimate the oil concentration in water for remote sensing.     

海水石油类物质吸收系数遥感化提取算法研究

Establishing the remote sensing algorithm of retrieving the absorption coefficient of seawater petroleum substances is an efficient way to improve the accuracy of retrieving a seawater petroleum concentration using a remote sensing technology. A remote sensing reflectance is a basic physical parameter in water color remote sensing. Apply it to directly retrieve the absorption coefficient of seawater petroleum substances is of potential advantage. The absorption coefficient of waters containing petroleum [ACWCP, a_o(λ)], consists of the absorption coefficient of pure water [ACPW, a_w(λ)], plankton [ACP, a_(ph)(λ)], colored scraps [ACCS, a_(d,g)(λ)], and petroleum substance [ACPS, a_(oil)(λ)]. Among those, ACCS consists of the absorption coefficient of nonalgal particle [ACNP, a_d(λ)] and colored dissolved organic matter [ACCDOM, a_g(λ)]. For waters containing petroleum, the retrieved ACCS using the existing method is a combination absorption coefficient of ACNP,ACCDOM and ACPA [CAC, a_(d,g,oil)(λ)]. Therefore, the principle question is how to extract ACPS from CAC.Through the analysis of the three proportion tests conducted between the year of 2013 and 2015 and the corresponding remote sensing data, an algorithm of retrieving the absorption coefficient of petroleum substances is proposed based on remote sensing reflectance. First of all, ACPS and CAC are retrieved from the reflectance using the quasi-analytical algorithm(QAA), with some parameter modified. Secondly, given the fact that the backscatter coefficient [BC, b_(bp)(555)] of total particles at 555 nm can be obtained completely from the reflectance, the relation between BC and ACNP in petroleum contaminated water can be established. As a result, ACNP can be calculated. Then, combining the remote sensing retrieving algorithm of a_g(440), the method of achieving the spectral slope of the absorption coefficient can be established, from which ACCDOM,can be calculated. Finally, ACPS can be computed as the residual. The accuracy of ACPS based on this algorithm is 86% compared with the in situ measurements.     

Progress in Marine Oil Spill Optical Remote Sensing: Detected Targets,Spectral Response Characteristics,and Theories

Different oil spill pollution types could be produced in oil transport and weathering processes. Investigation of these pollution types is beneficial for oil spill recovery and processing. Optical remote sensing techniques play an important role in marine oil spill monitoring and have the ability to identify different oil spill pollution types. Recently, research on oil spill optical remote sensing has made much progress in detecting targets, identifying spectral response characteristics, and formulating theories. Floating black oil, oil slicks, and oil-water mixture in marine oil spill accidents are the main targets to be investigated by optical remote sensors. The visible spectral response differences of these targets are the base of oil spill optical remote sensing research. Bi-directional reflectance distribution function, light interference, absorption, and scattering of targets produce different spectra. Therefore, oil spill optical remote sensing could be used to identify the main oil spill pollution types and estimate oil spill volume.     

Analysis of ocean color spectra (III)

The spectral measurements of the attenuation coefficient of sea water and the absorption coefficient of suspended particles and of yellow substance were made with a spectrophotometer for the sea waters sampled in Tokyo Bay. These parameters can be used to compute the expected spectral irradiance reflectance. Some relationships between the optical properties of sea water and the concentration of dissolved organic carbon, the dry weight of suspended matter and chlorophyll-a concentration are presented. On the basis of these results, the possibility of modelling the relationship between optical and material properties is discussed.     

大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型

有色溶解性有机物(CDOM)在河口混合过程中近似呈保守行为,可作为水团运动的示踪剂.基于2009年5月6日大洋河河口海域水体调查的实测数据,对该区域CDOM光学特性及遥感反演模型进行了研究,结果表明:研究区域CDOM主要来自河流输入,成分相对较稳定,属于典型的近岸二类水体区域;波长275～295 nm的光谱斜率和波长4...     

长江口及其邻近海域CDOM光谱吸收特性分析

研究了长江口及其邻近海域有色可溶性有机物(CDOM)的光吸收特性,分析了CDOM浓度(吸收系数a(440))、光谱斜率(S_g)与盐度的关系。结果表明:长江口及其邻近海域CDOM的a(440)变化范围为0.21~0.85 m^-1,平均值为0.44 m^-1;S_g值的范围为0.013 3~0.016 7 nm^-1,平均值为0.014 nm^-1;a(440)的水平分布表现为长江口海区比外海区高,S_g的水平分布表现为长江口海区比外海区低,反映了长江口海区CDOM中的腐殖酸成分比外海区大。研究区内a(440)与盐度、S_g与盐度明显线性相关,表明CDOM在河口混合行为中呈保守行为,CDOM具有良好的保守性质。     

黄东海表观光学量与固有光学量经验模式研究

表观光学特性和固有光学特性是海洋光学研究领域的两大主要研究内容。文中通过2003年黄东海试验和2007年908专项海洋光学调查所获取的表观光学参数中的遥感反射率Rrs(λ)、水下遥感反射率rrs(λ)、海水透明度Zs、下行辐照度漫衰减系数Kd(490)、固有光学参数中的后向散射系数bb(λ)和水体吸收系数a(λ),建立了区域性、季节性的表观光学量和固有光学量之间的经验模式,并对模式进行了误差分析和改进。