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.     

黄海、东海二类水体漫衰减系数与透明度反演模式研究

黄海、东海是典型的二类水体区域,总悬浮物含量高,水体光学特性复杂.利用2003年春秋季黄海、东海水色联合试验中获取的高质量现场实测数据,建立了由遥感反射比反演水体在490nm波段的漫衰减系数和海水透明度的统计反演模式.这两种模式皆采用490,555,670nm三个波段的组合,漫衰减系数的反演值和实测值的相关系数为0.96,平均相对误差为17.2%;透明度的反演值与实测值的相关系数为0.95,平均相对误差为16.8%.对两种反演模式对遥感反射比输入误差的敏感性进行了分析,结果表明反演模式对±5%的遥感反射比输入误差导致490nm波段的漫衰减系数反演误差最大为27.3%,透明度最大误差为22.7%,并利用2003年春秋季同一海区的实测数据对模型进行了检验,漫衰减系数的平均相对误差为25.0%,透明度的为16.5%.给出了412,443,510,520,555,565nm各波段的漫衰减系数同波段490nm的漫衰减系数之间的关系,结果表明,在400~600nm波段中的每一个波段的漫衰减系数与490nm波段的漫衰减系数的相关性较高,相关系数都超过了0.98.这样利用建立的各波段漫衰减系数关系模型可以从一个已知波段的漫衰减系数反演出其他任何波段的漫衰减系数,这就在水色反演和应用中大大减少了未知因子的个数.     

威海市褚岛北部海域CDOM和COD分布特征遥感分析

根据2017年7月和9月在山东威海褚岛北部海域现场测量的COD_(Mn)(Chemical oxygen demand)值和水体表观光学量,结合COMS(Communication,OceanMeteorological Satellite)上搭载的传感器GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)所提供的有色可溶性有机物(Chromophoric dissolved organic matter,CDOM)产品,利用星地同步观测数据对现有的基于遥感反射比反演CDOM的模式进行验证,确定适合该海域的CDOM浓度遥感反演模式;通过对测试海域化学需氧量与遥感反演的水体CDOM浓度相关性分析,建立利用CDOM反演COD_(Mn)的遥感模式,并将该模式应用于测试海域LANDSAT 8/OLI(Operational Land Imager)遥感图像上,获取该海域COD_(Mn)浓度专题图,基于这些专题图分析了测试海域COD_(Mn)时空分布特征。结果表明:(1)基于GOCI产品的CDOM浓度值随时间和站点动态变化大,离岸越近数值越高,同一地点水体前后相差近1 h的数值变化也较大;(2)基于LANDSAT 8/OLI遥感数据反演的COD_(Mn)浓度时间动态变化大,总体来看褚岛附近水体的COD_(Mn)含量相对较低,褚岛以北海域水体COD_(Mn)含量有所增加,褚岛西侧水体的COD_(Mn)含量较东侧水体COD_(Mn)含量来说整体偏高。     

基于现场光谱数据的珠江口MERIS悬浮泥沙分段算法

利用珠江口海域4个航次共59个站位的实测遥感反射比和悬浮泥沙数据(悬浮泥沙浓度范围为4-140g·m-3),建立了利用MERIS遥感数据反演珠江口悬浮泥沙浓度的分段算法.算法以Rrs(620)/Rrs(560)=0.9为阈值,当Rrs(620)/Rrs(560)<0.9时,红绿波段比值可以较好地反演悬浮泥沙浓度.随着悬浮泥沙浓度的增加,Rrs(620)/Rrs(560)>0.9,红绿比值趋于饱和,对悬浮泥沙的变化响应不敏感,此时采用包含红波段和近红外波段的波段比值提取水体的悬浮泥沙浓度.利用该分段算法从MERIS遥感图像中提取珠江口水体的悬浮泥沙浓度分布,得到较好的结果.     

基于Landsat8数据的舟山群岛海域悬浮泥沙浓度遥感研究

文章利用舟山近岸海域实测水体光谱及泥沙浓度数据，分析光谱反射率与悬浮泥沙浓度的相关性，并结合Landsat8遥感数据进行该海域的悬浮泥沙浓度遥感反演。研究表明：随着水体悬浮泥沙浓度的增加，各波段的反射率相应增加，且不同波段的增幅有明显不同，水体光谱曲线存在“双峰”现象；Landsat8遥感数据的波段4与波段3的比值与悬浮泥沙浓度的相关性较好；舟山群岛海域总体处于高泥沙浓度的状态，岛屿近岸悬浮泥沙浓度明显高于开阔水域，岛屿周围的悬浮泥沙浓度呈现“西高东低”的格局；一元二次方程模型（二次模型）对舟山海域水体的悬浮泥沙浓度反演精度较其他模型（线性模型，对数模型，指数模型，幂指数模型）高；Landsat8遥感数据可用于舟山海域悬浮泥沙浓度的监测。本研究成果能为近岸海域港口建设、航道安全、环境监测等研究提供数据支持。     

基于OLI多光谱遥感影像的八所港浅海水深反演

为了解决传统全局模型应用遥感影像反演水深的不足,提出地理自适应模型应用于八所港Landsat-8 OLI多光谱卫星影像。采用归一化水体指数进行水陆分离,在产生模拟数据时,为保证数据的合理性,对光谱灰度值进行自然对数求解。地理自适应模型将整个区域细分为5个小的区域单元,模型参数是自适应变化的,一般数学形式与传统全局模型一样。通过反演15m以浅的水深,发现光谱中对水体的敏感波段出现"红移";水深反演结果证明地理自适应模型有效地缓和了全局传统模型在底质类型和水体性质空间不均匀的问题,水深反演精度得到明显提高,并控制在1m以内。     

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。     

基于Landsat 8影像的黄河口悬浮物质量浓度遥感反演

悬浮物质量浓度是黄河口海域重要的水质和水环境监测参数之一,直接影响着水面以下光场的分布,进而影响水体的初级生产力和水域生态环境。本文基于2011年6—7月和11—12月共计89组现场实测悬浮物质量浓度和光谱数据,分析了黄河口及其附近海域不同悬浮物质量浓度的水体光谱特征,尝试利用多种波段组合建立悬浮物质量浓度遥感反演算法。结果表明865 nm波段与波段比655 nm/560 nm组合形式算法反演结果最优,算法相关系数R²为0.95,平均相对误差为25.65%。将算法应用于2014—2016年共7景Landsat 8 OLI遥感影像,分析了不同年份黄河口悬浮物质量浓度的时空分布特征,黄河口海域悬浮物质量浓度分布总体呈现近岸高,离岸低的特点,不同时期悬浮物质量浓度量值上有显著变化。     

海中气泡对近红外波段遥感反射比的影响

海中气泡在上层海洋无处不在,风浪破碎是其主要成因,它们对光的后向散射具有较强的作用。基于Mie散射理论和遥感反射比模型,计算了不同浓度海中气泡对近红外波段遥感反射比的贡献,及其对气泡浓度N0和叶绿素a浓度[chl-a]的响应。海中气泡考虑了清洁气泡和附着有机物膜气泡两种情况。计算结果表明,大多数情况下海中气泡引起的近红外波段遥感反射比相对变化较大,最大可达30多倍(N0=107m-3,[chl-a]=0.05 mg/m3、附着有机物膜气泡的情况)。而且,气泡浓度越大、叶绿素a浓度越低,海中气泡对近红外波段遥感反射比Rrs(NIR)的影响越大。仅当N0=105m-3时清洁气泡对近红外波段遥感反射比的贡献可忽略不计。因此,当海中气泡存在时,基于暗像素假设(即假设近红外波段反射比为0)的海色遥感大气校正算法需要修正海中气泡的影响。     

VIIRS在中国渤海的遥感反射率产品验证

采用星星交叉检验方法,比对了VIIRS和MODIS在中国渤海遥感反射率获取能力。由对比结果得出:在近岸海区VIIRS和MODIS观测能力相似,在浑浊水体VIIRS的遥感反射率高于MODIS。同时基于2012年9月辽东湾航次获取的现场遥感反射率数据对VIIRS在渤海海区的反演能力进行了星地检验。结果表明:VIIRS在中国近岸二类水体的反演效果较好,但出现了低估现象,在反演精度上,VIIRS卫星Rrs产品的反演误差远离近红外波段而增大,随水体悬浮颗粒浓度的增加而增大。     

MODIS图像湖泊水体信息的快速识别与制图

在可见光和近红外波段内,水体、植被、城市和土壤等地物的光谱反射率差异是利用遥感手段提取水体的基本原理。利用归一化植被指数(NDVI)提取MOD IS遥感影像上的水体,再将提取出的水体和MOD IS的空间分辨率为250m的2个波段进行假彩色合成,实现湖泊水体遥感影像的自动制图。结果表明,利用本文方法制成的水体分布图,既能保留MOD IS的较高分辨率,又能清晰地识别水体。     

黄海、东海水体总吸收系数光谱特性及其统计反演模式研究

利用现场实测的表观光学量和固有光学量数据,得到了我国黄海、东海近岸二类水体多个波段的总吸收系数的统计反演模式。此反演模式采用412/555、490/555两个波段遥感反射比比值的二项式,得到波长412、440、488、510、532、555nm处的总吸收系数,其反演值和实测值的平均相对误差不大于25.8%,相关系数R2达到了0.75到0.85。水体总吸收系数几种统计模型的误差敏感性分析表明,反演模式对±5%的遥感反射比输入误差导致结果增加误差最大为24.0%,因此反演模式是可用的。同时给出了412、488、510、532、555nm各波段的总吸收系数同波段440nm的总吸收系数之间的关系。结果表明,在400—600nm波段范围内,每一个波段的总吸收系数与440nm波段的总吸收系数的相关性均较高,相关系数R2都超过了0.99。通过对拟合直线的斜率与波长进行回归,得到斜率和波长的关系,其相关系数R2为0.99,这样利用本文中建立的各波段总吸收系数关系模型,可以从一个已知波段的总吸收系数反演出任何另外一个波段的总吸收系数,这就在水色反演与应用中大大减少了未知因子的个数。     

水体石油类信息遥感提取模式研究

石油类是水体有机污染物中的一种,其对水体吸收系数的影响主要体现在有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)的光吸收特性上。在水色遥感领域,CDOM光吸收特性主要用其在参考波段的吸收系数和光谱斜率来表征。利用2008年5月、2009年8月和2010年6月在辽宁省盘锦市辽河油田境内获取的CDOM吸收系数、水体表观光学特性以及石油类污染浓度等试验数据,确定表征石油类污染水体CDOM吸收光谱特性的光谱斜率;根据光谱斜率以及表征CDOM浓度的440 nm参考波段吸收系数,建立遥感反演水体石油类污染浓度的模式,并利用31个野外现场实测值对模式精度进行了验证,结果表明,该模式的相对误差为7%;将该模式应用于国产卫星环境一号遥感数据,获取双台子河及辽东湾近岸水体石油类污染空间分布图。     

基于GF-WFV的厦门海域水体悬浮物浓度反演

为利用遥感技术快速、及时的掌握厦门近岸海域水体中悬浮颗粒物的总体分布情况,现场测量了厦门海域水体的下行入射辐射、天空光以及经过水气界面后反射回的辐射,计算了该海域水体表面的离水辐射获得了水体表面以上遥感反射率;同时采集了与光谱信息同步的水体样品,并分析了水体中的悬浮颗粒物质量浓度,获取了对应站位的水体反射波谱曲线和采集样品的浓度数据.通过研究不同站位水体的反射光谱数据,依据GF-WFV波段设置,对现场实测的光谱数据进行了拟合,并创建了基于GF-WFV拟合波段的悬浮颗粒物浓度经验反演算法.通过研究发现拟合(Rrs3+Rrs4)/Rrs2(其中Rrs1、Rrs2、Rrs3、Rrs4分别是GF-WFV第1、2、3、4波段的遥感反射率)同实测水体悬浮颗粒物质量浓度之间的决定系数为0.655,依据研究得出的反演算法反演该海域水体悬浮颗粒物质量浓度,其均方根误差为11.03 mg/dm3,相对误差为8.40 mg/dm3.利用同步的GF-WFV遥感数据对厦门近岸水体中总悬浮颗粒物质量浓度进行了研究,获取了研究区水体悬浮颗粒物的空间分布情况,结果表明GF-WFV遥感数据能很好的反映厦门近岸水体悬浮颗粒物浓度分布状况.     

青岛近海浒苔光谱特征研究

针对从2008年以来,每年夏季我国黄海南部暴发大面积的浒苔(Enteromorpha)灾害,对海洋环境及经济造成不利影响的状况,为了进一步研究浒苔特性,为利用遥感手段监测浒苔提供一定的理论依据,通过实地测量不同条件下浒苔的光谱反射率曲线,定性分析了浒苔的光谱特征。结果表明,浒苔的基本光谱特征表现为在蓝光波段和红光波段形成反射谷,在绿光波段形成反射峰,而在近红外波段反射率明显增大,形成高反射峰。因此将红光波段和近红外波段作为敏感波段,利用NDVI(归一化植被指数)提取遥感图像上的浒苔信息,可取得较好效果,有利于浒苔监测。     

基于神经网络技术的遥感水深反演模型研究

利用Landsat7 ETM+遥感影像反射率和实测水深值之间的相关性,选取了相关性较好的ETM1、ETM2、ETM3、ETM4、ETM3/ETM2等5个水深反演因子,建立了BP神经网络水深反演模型。为充分体现BP神经网络模型的优越性,利用SPSS软件建立了单波段、波段比值、多波段三种不同的线性回归模型。通过对比发现,具有很好的自适应能力和非线性映射能力的BP神经网络模型在处理遥感水深反演问题上比传统的线性模型效果更好。     

江苏近岸海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演

基于2012~2014年期间江苏近岸海域实测遥感反射率、悬浮泥沙浓度及HJ CCD数据,建立该海域HJ CCD影像悬浮泥沙遥感反演模型。通过研究水体实测反射光谱特征,确定对悬浮泥沙浓度变化的敏感波段,并与悬浮泥沙浓度进行函数拟合分析。结果表明:将HJ CCD Band3的等效遥感反射率、HJ CCD Band3与Band2等效遥感反射率的比值分别作为敏感因子,并采用对数函数模拟低值区、指数函数模拟高值区获得的叠加模型表现最为突出。通过卫星应用发现,第2、3波段比值模型的遥感反演结果与实际情况相符,可有效削弱大气校正、表观反射率到遥感反射率的转换方法以及HJ CCD辐射分辨率较低等一系列问题的干扰,为江苏近岸海域HJ CCD悬浮泥沙遥感反演的最优模型。     

无人机多光谱遥感的水质参数反演研究

无人机多光谱遥感技术具有快速、大范围、动态监测等优势,为水环境监测和管理提供了新的研究手段。利用无人机多光谱遥感平台,进行水质参数定量反演研究。围绕红边和近红外光谱波段提出和构建了7种水体指数,结合采样点实测浊度、透明度数据,建立水质参数反演模型,并进行模型精度分析,得出试验区域水体浊度和透明度空间分布图。试验证明：水体指数RENDWI的反射值与浊度参数相关性较高(r=0.821),采用RENDWI构建指数函数模型对于浊度的反演效果较好(R²=0.711,RMSE=2.013度);水体指数RDWI反射值与透明度相关性较高(r=0.844),采用RDWI构建二次多项式模型对于透明度的反演效果较好(R²=0.748,RMSE=7.163 cm)。本文提出的水体指数与水质参数反演模型,可以定量获取河流水质分布情况,实现水质参数快速监测,为中小型地表水污染防治提供技术支撑。     

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。     

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。