东中国海表层悬浮体浓度卫星遥感反演研究进展

用卫星遥感手段反演海洋表层悬浮体浓度(Suspended Sediment Concentration,SSC)来研究其分布和输运的方法已经被广泛使用。东中国海属于水文和光学性质较为复杂的二类水体,表层悬浮体浓度的分布规律和水体的固有光学特性时空变化大,增加了遥感研究的难度。在对前人的研究进行比较和总结后发现,根据实测SSC数据对不同区域、不同时间段(季节、潮汐周期)建立分段模型可以提高整体反演精度。在选择参与反演的波段时,河口和近岸等高SSC海域以及远岸低SSC海域有各自不同的最优波段组合。高SSC海域常使用水体反射率第二反射峰、第一反射峰前波段作正比波段组合参与反演,低SSC海域常使用水体反射率第一峰波段作正比、峰前波段作反比参与反演。同时,在反演模型中考虑泥沙粒径的影响可以显著提升反演精度,并且也有可能在浅海区突破现有遥感研究手段的水深限制。目前模型精度评价标准使用较为混乱,平均相对误差、平均绝对误差和均方根误差等可以作为综合精度评价指标,模型的稳定性则可以用误差敏感性分析方法验证。高时空分辨率的海色卫星传感器的出现使得海洋短时间尺度事件的研究成为海色遥感研究的趋势之一。     

应用MODIS影像估测太湖水体悬浮物浓度

以太湖为研究区域,同步获取悬浮物浓度实测数据、水体反射光谱数据和MODIS卫星影像数据,构建基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的悬浮物遥感估测模型.为了削弱大气效应,对MODIS影像了进行了粗略大气纠正.通过悬浮物特征光谱分析,将MODIS各敏感波段及波段组合与悬浮物浓度实测值进行相关分析,并应用实测光谱数据进行验证.在此基础上,运用回归分析建立半经验反演模型,并对模型进行了评价和应用.研究结果表明,MODIS影像可以很好地对大型内陆湖泊的悬浮物浓度进行遥感估测.250 m波段2 500 m波段4与1 000 m波段14是探测悬浮物的敏感波段.波段组合上,500 m组合因子r4/r3、r4-r3估测悬浮物含量的精度很高,适于构建反演模型;1 000 m波段8、11、131、4的多元组合也是构建模型的较好选择(R2均不低于0.85).     

基于MODIS数据的云南抚仙湖星云湖水质污染遥感调查方法研究

水质遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布情况和变化,满足目前对水质调查实时、大尺度的评价要求。文章以云南抚仙湖星云湖为研究区,将实测的叶绿素a浓度、悬浮物含量和MODIS遥感数据各波段比值进行相关分析,结果表明:MODIS数据250m分辨率的r2/r1的波段组合能够较好地反演叶绿素a浓度,而500m分辨率的(r4-r3)/(r4+r3)的波段组合对于悬浮物浓度的反演能力最好。通过对它们进行回归关系分析,得到适合抚仙湖星云湖的遥感定量模型。     

重庆老龙洞地下河不同部位水体、表层沉积物有机氯农药含量及组成研究

为研究重庆老龙洞地下河不同部位水体、表层沉积物有机氯农药分布特征,用气相色谱-微池电子捕获检测器(GC-μECD)分析了样品中OCPs含量。结果表明:研究区水样、表层沉积物中OCPs检出率均为100 %,其浓度在时间上存在季节差异,水体中OCPs、DDTs、HCHs含量丰水期小于枯水期,而在表层沉积物中则表现为OCPs、HCHs丰水期大于枯水期,DDTs丰水期小于枯水期;在空间上则表现为水体中有机氯农药总体下游大于上游,而沉积物中则与之相反。通过对比可知,岩溶洞穴环境由于缺乏光照,空气流动缓慢,生物活动不频繁,使水体中的HCHs不易降解,沉积物中的HCHs不易重新释放而浓度高于洞外。枯水期由于洞内流速较小且变幅不大,水体中的DDTs大量沉积因而其浓度低于洞口,而丰水期洞口因受大量雨水的稀释作用DDTs反而低于洞内的含量;洞内沉积物中的DDTs则因洞内环境恒定不易重新释放和枯水期水体中的大量沉积而一直高于洞外。洞穴环境、不同污水汇入对水体中DDTs和表层沉积物中DDTs、HCHs的组成结构均有不同程度的影响,而对水体中HCHs的组成结构影响不大。此外,地下河不同部位污染源的输入对有机氯污染物的组成结构也有影响。与国内外水体及表层沉积物中HCHs、DDTs相比较,研究区水体、表层沉积物中HCHs、DDTs浓度分别处于中等和偏高水平。      

基于时空融合算法的水体叶绿素a反演研究

为了准确反演水体中叶绿素a浓度,以黄柏河东支流域为例,采用STNLFFM时空融合算法,对2017年GF-4和Sentinel-2反射率数据进行融合,以重构Sentinel-2影像的时间序列数据,并对应用算法前后获取的水质参数-光谱特征响应关系建立多元线性回归模型,比较模型对叶绿素a的预测效果以验证时空融合算法的可行性,利用重构后影像光谱特征与水质参数的响应关系建立人工神经网络模型,反演2017年黄柏河东支流域各水库水体叶绿素a浓度。结果表明：利用时空融合算法生成的影像接近真实影像,提高了多元线性回归模型预测叶绿素a的效果,R2从融合前0.659提高至融合后0.844,且基于时空融合算法获取的水质参数-光谱关系建立的人工神经网络模型模拟精度较好,R2和MRE达到0.925和9.461%,反演的叶绿素a浓度空间差异性明显。证明了时空融合算法在水质参数反演过程中具有较好的应用前景。     

天津北大港水库水体的水化学特征及水质评价

北大港水库是天津市重要的调蓄水库,水库在蓄水后快速咸化,影响到水库功能的正常发挥。为解析北大港水库及周边水体的水质和主要影响离子,在2015～2017年的丰水期和枯水期分别采集北大港水库水库水和独流减河河水样,分析水体的水化学组成及时空特征。结果表明,河水、水库水的水化学类型分别是Na-Cl(HCO3)型和Na-Cl(SO4)型。由主成分分析可知,Cl-,SO42-,NO3-以及溶解氧(DO)四个指标是北大港水库水质的主要影响因子。基于模糊数学理论的水质综合评价表明,水库水和河水中96%的水体隶属于V类。在空间上,水体距离渤海湾越近,水质越差;由于独流减河径流量和入海水量的减少,河水的水质最差点从水库排咸闸处逐渐上移到水库十号口门进水闸处。本研究可为北大港水库的水质改善提供理论依据。     

天津北大港水库水体的同位素和水化学特征

天津北大港水库蓄水后水质变差,严重影响着水库的安全运行、水资源的合理调配。为研究天津北大港水库水体咸化成因,在2015年丰水期(8月)和枯水期(12月)分别采集河水、水库水和地下水样品,测定水体中的稳定氢氧同位素(δD,δ~(18)O)和水化学组成。结果表明,在丰水期,水体受到强烈的蒸发作用,水体中的稳定氢氧同位素组分比枯水期富集;河水和水库水的水化学类型为Na-Cl(SO_4)型,地下水的水化学类型为Na-HCO_3Cl型。河水和水库水水化学组成受蒸发结晶作用控制,且距海岸越近,水体的电导率越高,同位素越富集。滨海地区的北大港水库,水库水在运移中盐分含量增加,而强烈的蒸发作用加剧了水体中盐分积累,导致水体咸化。需进一步辨析水库咸化的影响因素及贡献,为滨海地区水库管理和运行提供理论基础。     

基于ASTER数据的石头口门水库水质参数定量遥感反演

提出了一种基于神经网络和遥感图像相结合的水质反演模型,构建了含有一个隐含层的两层BP神经网络反演模型.以石头口门水库为例,采用ASTER数据分析了石头口门水库水质污染状况,通过波段的DN值和常规监测数据建立能反映水质状况的污染物监测模型.以ASTER数据的前三个波段的反射率作为输入,溶解氧(DO),生化需氧量(BOD),氨氮(NH3-N)含量浓度作为输出,反演了石头口门水库的水质参数浓度.并给出石头口门水库水质污染状况分析,得出污染物浓度随着远离上游而增加.     

中国东部主要入海河流河口区地球化学特征：理化指标与水溶态元素浓度

河水理化性质和元素组成特征直接影响到水体利用功能,入海河流元素输送量对近岸海洋生态环境具有重要影响。在中国东部33条入海河流下游河段或河口区布设了水地球化学调查点,分别在2007年夏季(丰水期)、2007年底—2008年初(枯水期)采样并测定了河水酸碱度、电导率值以及溶解态常量和微量元素浓度。研究表明,多数北方河流水体酸碱度、电导率值以及常量元素浓度高于南方河流,与中国土壤及其常量元素组成的南北分带相吻合,反映了我国南北气候分带对河水地球化学特征的控制作用,推断少数河流酸碱度、电导率和常量元素浓度的异常分布与海水混合作用、人为污染等作用有关;部分河流水体中微量元素浓度背离于区域正常浓度,其原因一是与区域地球化学背景有关,二是与城市污染影响有关,通过对比部分城市上、下游水体元素浓度证实城市污染的影响;研究认为丰水期易溶元素Na、Ca、K、Zn、Se浓度较低反映了大量降水的稀释效应,而丰水期河水Al、REE、Fe、Pb、Tl等元素浓度明显高于枯水期,主要与丰水期暴雨形成的地面径流携带大量胶体颗粒进入地表水有关。     

基于遥感方法反演悬浮泥沙分布

基于遥感理论,采用地物光谱仪与光电测沙仪对同一水样同步测量的方法,确保建立相关关系数据的同步性;由地物光谱仪测得的光谱值推算出遥感反射率,并等效计算ETM₊图象相应波段的遥感反射率;由光电测沙仪测出悬浮泥沙浓度;通过对等效算出的ETM₊各个波段遥感反射率和悬浮泥沙浓度这两组数据的相关分析,得到4种形式的经验模型.结果表明,TM₄与TM₁波段光谱值的比值与悬浮泥沙浓度之间的相关系数最高,故应用该模式进行研究区域悬沙浓度反演.     

龙滩水库枯水期N、P元素空间分布特征

为研究龙滩水库枯水期溶解态氮、磷营养元素的空间分布特征,在龙滩水库枯水期(2017年1月份)进行分层采样,现场测定水体理化性质及实验室分析水中营养盐浓度。结果表明:龙滩水库水温出现明显垂直分层:0~10m为温跃层;10~60m为混合层;60m以下为底温层;pH值为7.63~7.92,水体呈弱碱性。溶解无机氮(DIN)平均浓度为4.75mg/L。水体溶解性氨氮、硝态氮、亚硝态氮平均值为0.07mg/L、2.62mg/L、2.05mg/L,分别占DIN的1.6%、55.2%、43.2%,硝态氮、亚硝态氮是组成龙滩水库溶解无机氮的主要成分。磷酸盐平均浓度为0.04mg/L。参照潜在性富营养化评价标准,N/P(质量比)比值为73.84,说明龙滩水库枯水期属于磷限制潜在性富营养状态,营养状态空间分布特征:坝前水体双江口红水河镇小马场。     

西藏多龙矿集区铜元素遥感地球化学模型

遥感在一定程度上可以反映地物元素含量的特征,利用遥感反演元素特征在地质工作程度低地区或者国外地质资料难以获取地区可以提供一个参数。本文根据元素含量与光谱关系,建立了波段相关斜率、波段的斜率指数、波段相关吸收深度指数、波段的相关多项式指数这4个遥感地球化学反演模型的指标,以西藏多龙矿集区为研究区,通过回归算法反演了铜元素遥感地球化学,并经过F检验证实反演可信,比较预测值与实际值吻合较好,最后把实测铜元素地球化学、蚀变遥感异常与遥感反演铜元素地球化学进行了对比,证实遥感铜元素地球化学反演结果较好,且可以作为一个独立的遥感参数。     

中国干旱内陆流域水体 N、P负荷特征与动态变化——以黑河流域为例

以黑河流域中游地区为研究区域，通过11年在不同河流断面的长期监测和区域内各类水体如地下水、泉水、水库和河流的空间选点取样分析，研究了干旱内陆流域水体 N、P等植物营养元素的负荷与时空分布及动态变化特征。浅层地下水与河水中NO₃-N含量普遍较高，含量超过 1．1 m g／L，大部分平原水库水中NH₄-N含量超过 0．3 m g／L；河水与浅层地下水TP、NH₄-N与NO₃-N含量均呈现沿流域从出山口至下游的显著递增变化，同时还具有明显的随时间递增趋势，其中NH₄-N含量在河流出山口及下游断面平均年增加幅度分别为 0．11 m g／L和 0．114 m g／L；流域水体 N、P含量的季节变化明显，黑河流域春季及春夏之交的枯水期大部分河段NH₄-N、NO₃-N和TP等要素含量为全年最高并出现水质超标污染。控制干旱内陆流域水域尤其是枯水期的 N、P污染，应成为干旱内陆流域水资源保护问题中值得关注的关键内容。     

利用MODIS反演长江中游悬浮泥沙含量的初步研究

在众多卫星传感器中,中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据因其高的时间分辨率和中等的空间分辨率,对于水质研究具有自身的潜力和优越性.选取长江中游主河道武汉至宜昌段为例,利用MODIS 250 m波段数据定量反演了内陆河流悬浮泥沙的质量浓度.研究结果表明,地面实测的悬浮泥沙质量浓度与MODIS1,2波段的反射率组合(R1-R2)/(R1 R2)有很好的相关关系(相关系数 R2=0.72,样品数n=41),基于这种相关性建立了长江中游主河道武汉至宜昌段表层悬浮泥沙的遥感定量反演经验模型.     

二类水体水色遥感的主要进展与发展前景

Ⅱ类水体水色遥感是海洋水色遥感的难点和热点。针对Ⅱ类水体的光谱特性和海洋现象的特点，综述了水色卫星传感器在光谱波段配置、辐射探测性能和时空分辨率等方面的设计要求与技术进步。从水色遥感资料反演的两大关键技术——大气校正和生物光学算法两个方面，概述了Ⅱ类水体水色反演算法的研究现状和发展方向。根据我国近海的水体特点，提出了我国水色遥感研究需要解决的关键问题。     

基于高分卫星数据的龙泉湖水质富营养化分析与评价

为了研究成都市水质富营养化情况,选取了龙泉湖作为研究对象,通过对龙泉湖实地采集水样以及高分一号实时遥感影像数据进行处理,准确地评价出了龙泉湖水体所处的富营养级别。通过对龙泉湖实地数据进行水样参数浓度测量以及实地光谱曲线处理,获得相关的水质反演所需的敏感波段或者波段组合,得出了5个水质参数的反演公式,既而对校正预处理过的高分一号遥感数据进行富营养等级评价。在对各个评价的指标参数进行分析后,选择适合龙泉湖富营养状态评价的叶绿素chl_a、总磷TP、总氮TN、透明度SD、高锰酸盐CODmn五个参数指标,利用综合营养状态指数法对整体水域进行水质富营养化评价,得出龙泉湖目前处于中度营养状态,并初步进行了准确性分析论证。     

面向高光谱矿物填图的多特征结合降维方法研究

高光谱影像具有图谱合一的特点,图像空间信息是遥感影像的重要信息,但以往基于最佳波段选择的降维方法中只考虑基于灰度统计的特征空间信息,忽视了图像空间信息,而且计算量大。综合高光谱遥感影像的特征空间与图像空间信息,提出了一种多特征结合的高光谱影像降维方法并应用于矿物填图中。统计分析波段相关性并划分不同特征子空间;计算各波段的分形维数,在各子空间选择分形维数较小的波段作为候选波段;在候选波段中,计算待识别地物光谱间的相关系数,并快速选择出最佳波段组合。经实验,应用该方法选出的最佳波段组合影像清晰、不同蚀变矿物对比明显,根据特征选择提取出的矿物蚀变信息与应用成熟的光谱角制图(SAM)提取结果大致相同,表明结合图像空间和特征空间的降维方法能够选择出理想的波段组合,有效降低高光谱数据的维数,信息提取效果好。     

基于反射率的太湖典型湖区溶解性有机碳的反演

2004年4月基于野外水下辐照度的测定及实验室溶解性有机碳(DOC)的分析,通过研究典型湖区水体中DOC浓度与反射率之间的关系,选择DOC浓度反演的最佳波段,建立了DOC浓度的遥感定量反演模型。结果表明,DOC浓度在6.60～17.17 mg/L（均值为9.99 mg/L,方差为2.48 mg/L）之间;反射率的峰值出现在560～590 nm;红光波段与绿光波段反射率的对数值能较好的估计DOC浓度,其中又以lg(R670/R530)与lg(DOC)相关程度最高,决定系数为0.82;DOC浓度反演的经验模型为：lg(DOC)=0.654(±0.012)lg\[R(670)/R(530)\]+1.007(±0.086)。对模型进行检验,最小误差为6.7%、最大误差为20.3%,平均误差为12.3%。     

乌江流域东风水库水体中不同形态汞的时空分布特征

为弄清东风水库水体中不同形态汞的时空分布特征,在春季和夏季对东风水库进行采样,分别利用两次金汞齐-冷原子荧光法(CVAFS)和蒸馏-乙基化结合气相色谱冷原子荧光法(GC-CVAFS)测定总汞(THg)和甲基汞(MeHg)浓度。结果表明,东风水库THg(0.63~3.06 ng/L)和MeHg浓度(0.023~0.081 ng/L)与未受污染的天然湖泊水平相当,水库未受到明显的汞污染。夏季总汞(THg)、颗粒态汞(PHg)以及颗粒态甲基汞(PMeHg)浓度均值分别是春季的1.8、2.9和1.7倍,但春季总甲基汞(TMeHg)和溶解态甲基汞(DMeHg)高于夏季。季节性降雨强度的差异可能是导致东风水库水体不同形态汞浓度季节性变化的主要原因。此外,东风水库上游水体THg和PHg显著高于中下游水体,表明东风水库的修建对THg具有一定的拦截作用。     

丹江口水库老灌河流域地下水水化学特征

作为南水北调中线工程的水源地,丹江口水库地下水的水质是影响南水北调工程建设的重要因素。为了确保丹江口水库一库清水送北京,对水库老灌河流域进行地下水采样、统计和分析,研究地下水的水化学特征,结果表明:丹江口老灌河流域地下水偏弱碱性,属于低矿化水,Ca~(2+)为优势阳离子,HCO_3~-为优势阴离子;除NO_3~-外,该区主要离子浓度均符合我国及世界卫生组织推荐的饮用水标准;丰水期和枯水期地下水的水化学类型均为Ca-Mg-HCO_3型和Ca-HCO_3型,水化学过程以风化-溶滤作用为主;地下水NO_3~-超标13%～17%,丰水期部分区域出现Cl~-型水化学类型。季节变化对老灌河流域地下水的水化学类型空间分布影响较小,地下水水质受农业、养殖业、工业遗留废渣及生活污水等影响。