水质关键因素光谱遥感监测技术分析

针对传统水体水质分析方法过度依赖于实地测量和实验室化学分析,需要耗费大量人力物力且效率不高的问题,从水质遥感监测数据获取手段、典型反演监测模型、不同水体光谱遥感监测应用状况、水质遥感监测技术应用及前景等方面分析归纳了使用遥感技术监测水质的新方法。从可用数据类型、数据特征等方面对水质遥感监测数据获取的3种主要手段进行了比较;从复杂程度、使用场景、优缺点等方面对4种典型的反演模型进行了归纳;对遥感数据和模型在Ⅰ类和Ⅱ类水体应用中的常用组合方式进行了分析总结。     

高分一号WFV影像的深圳市水库CODMn浓度时空分布特征

COD_Mn是反映水体有机污染程度的一个重要水质参数。地表水有机污染遥感监测主要面临两个挑战：技术方法大多基于经验模型,依赖大量实测数据;有机污染评价的综合性指标,水质参数不明确。针对上述问题,本文从辐射传输机理出发,基于研究区水体特征,考虑悬浮泥沙、叶绿素、耗氧性有机物3大水质因子,提出一种反演机理清晰、参数意义明确的像元反射率与COD_Mn浓度的物理模型。通过深圳市3大水库COD_Mn浓度反演与验证,决定系数R²达到0.832,模型方法可靠明。对3大水库COD_Mn浓度时空分布特征研究,结果表明：（1）3大水库总体COD_Mn浓度不高,受到轻度有机污染。（2）浓度高值区多在库角居民区附近,水库连接处未出现污染扩散。（3）2018年3月—2019年5月,库区水质改善,与2018年深圳市治水专项活动背景保持一致,建议水库水质保护核心是控制外源污染,避免丰水期污染源的输入。本文的模型方法是基于广东省典型水体光学参数,而水体固有光学特征具有季节差异,未来将进一步研究水体固光学特征变化模式,以提高模型的稳健性。此外,还可结合高分六号等谱段更多的卫星开展浅水区COD_Mn浓度反演的研究。     

基于高原盐湖光谱特性下的溶解氧反演应用与探讨

因地理条件限制,盐湖高光谱反演研究目前尚少,文章以盐湖溶解氧的反演为例,探讨盐湖水质参数的反演思路与方法。通过对青海察尔汗盐湖水体高光谱数据的信息分析,在高光谱水质参数反演技术基础上利用盐湖水体的独特光谱信息,采用波段组合的方式确定了盐湖高光谱溶解氧反演模型。研究结果表明:(1)原始光谱曲线各个波段与溶解氧含量相关性不足0.3,基于盐湖水体的独特光谱信息下的波段组合数据与溶解氧含量的相关系数达到0.75以上;(2)建立的波段比值模型与实测值进行模型精度验证,发现溶解氧含量反演与实测结果基本一致;(3)盐湖水体较为稳定的特性使其在经历时间变化时水质参数含量不会发生较大变化,利用2019年11月份实测数据进行的精度验证也可说明以盐湖光谱特性建立的波段比值模型具有较高精度,并且能够有一定的模型长效性。因此,利用盐湖光谱特性建立高光谱反演模型可满足对该湖区进行溶解氧监测的精度需求,实现对其的大面积监测,也同时提出一种新的针对高原盐湖反演模型建立的思路,为后续高原湖泊的监测体系建立奠定基础。     

一种计算水体中悬浮物后向散射系数的方法

基于生物光学模型的水质参数反演分析方法是水质遥感监测算法的发展趋势.分析方法中需要以水体中悬浮物后向散射系数作为参数.水体中悬浮物后向散射系数目前主要有3种测量方法,但是这些方法要么因为仪器稀缺而无法普及,要么测量精度不高.提出了一种计算水体中的悬浮物后向散射系数的方法,该方法利用水面比较容易测量的反射率光谱和实验室内比较容易测量的水体各组分的吸收系数光谱,基于生物光学模型推导得出水体中的悬浮物后向散射系数.利用太湖梅梁湾试验区获取的数据检验了这种方法,并取得了较好的效果.这种方法的主要优势是:它基于生物光学模型,有严密的理论基础,具有较高的精度和通用性;另外,它使用的数据比较容易测量,方法容易实施,可为水质参数反演分析方法的建立奠定坚实的数据基础.     

茅尾海入海河口池塘养殖污染状况遥感调查

针对广西茅尾海入海河口池塘养殖污染问题,本文利用无人机多光谱遥感影像和实测水质数据,建立了反映水体营养状态的叶绿素a (Chl-a)、化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)5种水质参数,反演光谱特征及遥感反演模型,并利用湖泊综合营养指数法对水体富营养化状态进行评价。研究结果表明:①Chl-a与蓝、近红外波段相关性显著,COD与红、红边波段相关性显著,SS与红边波段相关性显著,TN与近红外波段相关性显著,TP与蓝、绿波段相关性显著;②在建立的几种水质参数反演模型中,二次多项式函数反演模型综合效果最佳;③池塘养殖区水体富营养指数多集中在60～80,属于中度和重度富营养化程度,且近岸水体富营养化程度大多低于远岸。     

昆承湖水质状况遥感监测与空间特征分析

针对镇域水资源常规的监测方法不能满足对水质适时、大尺度的监测评价要求等问题,该文以江苏常熟辛庄镇昆承湖为例,分析叶绿素a(Chl-a)和悬浮物(SS)浓度值与水体归一化反射光谱、一阶微分反射光谱特征的关系,运用PEARSON法分析两者之间的相关性,确定Chl-a和SS的敏感波段,利用Chl-a和SS敏感波段归一化光谱反射值和实测浓度数据建立了水质参数反演模型。采用同时相ETM遥感数据对水质参数(叶绿素a和悬浮物)浓度进行遥感定量反演,并根据反演结果分析镇域水体污染空间分布特征。结果表明,对水质参数几个最大正(负)相关的光谱值进行波段组合处理可以提高反演精度,并且模型反演值和实测浓度值之间误差较低。通过对叶绿素、悬浮物等水质参数反演实现了对昆承湖水体污染状况的快速、准确和动态的信息获取和评价,有效地实时监测镇域水体在空间和时间上的变化状况和特性。     

基于光谱特征的三峡坝区水色要素反演

基于野外测定的水质参数,通过研究三峡坝区水体中水色要素浓度与反射率之间的关系,选择反演叶绿素、悬浮物、溶解性有机物的最佳波段,建立了反演水色要素浓度的遥感定量模型。研究表明,在波段比值的基础上进行幂次修正的波段组合反射率与SS浓度相关性较好(R2=0.76),可以用来估算悬浮物浓度;悬浮物浓度影响叶绿素浓度的反演精度,通过在模型中增加一个红绿波段比值指数项的方法能够抑制或削弱悬浮物的影响,提高了叶绿素浓度的反演精度(R2=0.75);DOC反演模型中,绿光波段与红光波段反射率的对数值能较好的估算DOC浓度,且与log(DOC)相关程度最高,决定系数为0.85,反演精度较高。     

白洋淀水体总磷总氮高光谱估算模型比较

总磷(TP)、总氮(TN)是水质富营养化的重要指标，亦是水质监测的主要参数。具有快速高效、无二次污染等特点光谱法水质监测是当今水环境遥感分析研究的热点。针对水体TP、TN反演模型采用实验室标准液或野外全样本进行建模时，各种水质参数的相互影响及预测值超出建模样本值域的可能，使得实际的预测效果并不理想的情况。本文以白洋淀实验区的实际水体样本为反演模型的输入值，在确定最优相关波段和最佳反演模型的基础上，讨论了5种不同浓度范围场景下的样本建模对反演模型的影响，同时剖析了模型对超出建模浓度值样本的预测能力。结果表明：建模样本浓度覆盖预测样本时，反演模型决定系数R²>0.6,TP、TN浓度预测值的平均偏离度ARE<20%；建模浓度高于预测样本时，R²在0.6左右，对超过建模浓度范围12%以内的预测值，其ARE<25%；建模浓度低于预测值时，R²介于0.4—0.5，预测值超过建模样本浓度一倍时，ARE≤30%；建模样本浓度位于预测值两侧时，R²可达0.8,ARE<25%；建模样本浓度值介于...     

天津滨海新区地表水悬浮物浓度遥感反演研究

针对传统的实地地表水水质监测测量方法费时费力,且存在监测布设点有限,无法反映水质的时空变化情况等问题,该文以天津滨海新区的Landsat-8卫星影像作为数据源,将实地水样采集、实验室测量分析和遥感影像不同波段像元亮度值结合,对滨海新区海河水体的悬浮物浓度,分别建立基于统计回归和神经网络的两种经验算法反演模型。结果表明,神经网络模型的反演结果能较准确地反映实际水体的悬浮物浓度分布情况,为该地区地表水水质监测提供一种可行的解决方案。     

HJ-1B/IRS水温反演模型及监测示范

利用2008～2009年期间约10景HJ-1B/IRS热红外波段遥感数据和过境时刻相应的气象观测数据,以EOS/MODIS温度产品为参照,在单窗算法的基础上,基于水体目标对该算法的参数进行修正,建立HJ-1B/IRS水体温度反演模型;将该模型反演的水体温度及采用单窗算法参数计算的温度与EOS/MODIS温度产品进行比较结果表明:采用单窗算法参数计算出的水体温度与EOS/MODIS温度产品的绝对平均误差为7.84℃;采用本研究得到的参数所反演的温度与EOS/MODIS温度产品的绝对平均误差为0.83℃。将水温反演模型应用于辽东湾区域,实现对该区域水温的动态监测。     

Android智能手机GNSS数据质量分析

随着全球卫星导航系统(GNSS)的不断建设,智能手机基于移动位置服务 (LBS)得到了迅猛发展. 文中选取市面上常见的3种手机机型,包括:三星S9+(Exynos)、华为Mate30和华为P40 Pro作为研究对象,并使用北斗星通UR4B0-D高性能GNSS接收机进行同步静态观测实验,从卫星可见数、载噪比(CNR)、卫星高度角和多路径误差等方面,对手机GNSS数据质量进行分析. 结果表明:不同型号手机在观测能力和数据质量方面存在明显差异. Android智能手机的GNSS数据质量较差,CNR较小,且CNR与卫星高度角无明显关系. 此外,多路径误差是影响Android智能手机高精度定位的主要误差项之一.      

Classifying Human Activity Patterns from Smartphone Collected GPS data: A Fuzzy Classification and Aggregation Approach

Smartphones have emerged as a promising type of equipment for monitoring human activities in environmental health studies. However, degraded location accuracy and inconsistency of smartphone‐measured GPS data have limited its effectiveness for classifying human activity patterns. This study proposes a fuzzy classification scheme for differentiating human activity patterns from smartphone‐collected GPS data. Specifically, a fuzzy logic reasoning was adopted to overcome the influence of location uncertainty by estimating the probability of different activity types for single GPS points. Based on that approach, a segment aggregation method was developed to infer activity patterns, while adjusting for uncertainties of point attributes. Validations of the proposed methods were carried out based on a convenient sample of three subjects with different types of smartphones. The results indicate desirable accuracy (e.g. up to 96% in activity identification) using of this method. Two examples are provided in the Appendix to illustrate how the proposed methods could be applied in environmental health studies. Researchers could tailor this scheme to fit a variety of research topics.     

一种基于智能手机的实时高精度定位系统开发与车载应用测试北大核心CSCD

手机GNSS芯片可支持多模GNSS观测信号,其提供的原始观测量为高精度导航定位提供了可能,智能手机高精度导航定位成为研究热点之一。本文首先基于自研的反向RTK算法,设计并开发了一套基于智能手机的实时高精度定位系统,降低手机的计算压力;然后基于智能手机小米8,进行了大范围(覆盖深圳、武汉、北京)、多场景(城市开阔/遮挡,高速开阔/遮挡)的动态车载应用测试,用于验证系统的可靠性和可用性。测试结果表明:系统在各场景下均能稳定有效运行,在开阔环境下,小米8可实现亚米级的实时动态定位精度,精度最优可达0.21 m。     

黄浦江上游水域的多光谱遥感水质监测与反演模型

运用遥感、GPS定位技术对黄浦江上游淀山湖及支干流水环境质量中的水质污染进行了监测，探讨了以实际监测数据与遥感多光谱特征数据建立溶解氧和透明度两种水质参数的遥感反演数学模型。结果表明，利用遥感技术和数据能有效地监测水质污染状况与分布情况，是一种较为快速、可行的监测手段。     

手机GNSS数据质量提取的变分模态分解法

观测噪声提取是数据质量分析与随机模型构建的基础。当前手机GNSS观测噪声提取主要采用三阶差分法与历元间差分法,这些方法的提取结果都会受到卫星相关性和历元间相关性的影响。本文提出结合变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)提取手机观测噪声的方法。模拟分解试验表明:VMD能够较好地对混合信号进行分解。提取小米8手机GNSS观测噪声并进行分析,结果表明:GPS、BDS和Galileo 3系统伪距观测噪声计算结果一致,GLONASS系统伪距噪声大约是其他系统的两倍,四系统的载波观测噪声相当,手机GNSS观测噪声与Android系统版本无关。相比于高度角随机模型,载噪比随机模型更适用于手机GNSS定位。利用数据质量提取结果拟合载噪比随机模型,并进行定位试验。定位结果表明:相对于高度角随机模型,采用载噪比随机模型后手机伪距单点定位效果能提升25%以上。手机PPP平面定位结果能收敛至0.6 m以内,高程定位精度收敛至1.2 m以内。     

Android智能手机GNSS高精度实时动态定位

本文基于智能手机GNSS观测值的质量和性质,利用手机载波相位观测值不确定度进行粗差处理,使用星间单差法消除智能手机伪距和载波相位观测值之间差值不固定特性的影响,针对手机观测值修改滤波过程中的观测值噪声方差数值,采用不固定载波相位整周模糊度的常加速度动态单频Kalman滤波模型实现实时PPP和RTK两种定位方法,提高手机实时GNSS定位精度。使用某智能手机进行验证,单频实时动态PPP定位在99s内达到稳定状态,平面定位精度为1.51 m,高程精度为2.79 m;RTK定位在27 s内达到稳定状态,平面定位精度为0.73 m,高程精度为0.78 m。测试结果表明目前智能手机的GNSS定位模块具有提供更加精准的位置服务能力,甚至在某些特定场景下具有实施测绘作业的潜能。     

苏州运河水质的TM分析

本文利用苏州地区陆地卫星TM数据和同期的地面水质监测资料建立了TM图像遥感水质模型,并将该模型应用于TM可见光彩色合成图像的分割处理,得到苏州地区水质空间分布图像。结合苏州运河水网的水文及水污染特征对遥感水质空间分布图像作了分析。结果表明TM数据真实地反映了苏州地区水质的空间分布规律,并得到当地环境监测部门的验证。     

智能手机多频多系统实时动态的定位性能分析

随着位置服务的发展,人们对定位精度的需求不断提升. 目前智能手机定位主要依赖于全球卫星导航系统(GNSS)芯片所提供的芯片解,其精度仅为米级. 2016年,谷歌宣布允许开发者获取手机GNSS原始观测数据,为研究手机GNSS高精度定位算法提供了支持. 为探索智能手机多频多系统实时动态(RTK)的定位精度和可靠性,文中基于华为P40智能手机开展了静态和动态环境下的多频多系统RTK的定位性能分析. 结果表明:在静态环境下,智能手机多频多系统的RTK定位精度要优于芯片解,在东(E)、北(N)、天(U)三个方向的定位误差均方根(RMS)分别为0.20 m、0.39 m和0.31 m,比芯片解提高了57%、71%和75%;在动态环境下的定位精度依然能够达到分米级,相比于芯片解在E、N、U三个方向上的定位精度提高了37.84%、47.22%、53.68%.      

智能手机移动测量方法的设计与实现

近年来，智能手机在快速的发展过程中逐渐集成了多种传感器，包括位置传感器、磁力计和加速度计等姿态传感器和数码相机等；同时，由于它所具备的体积小、成本低的优点，为实现手机影像移动量测提供了可能。本文通过Android系统平台及智能手机集成的多传感器，提出了一种新型的智能手机影像量测方法。该方法首先对手机相机进行标定获取内方位元素，并进行Android应用程序的开发，在获取影像数据的同时获得手机的位置姿态数据；然后对影像数据进行特征点提取、匹配及错误点删除，并根据位置姿态数据和同名点图像坐标，利用空间前方交会计算目标点的三维坐标；最后通过光束法平差进行整体优化。试验结果表明该方法获取的位置信息可达到较高的精度。     

一种基于图像灰度直方图相似度计算的室内定位方法

近年来,视觉定位由于定位精度高广泛应用于室内定位与导航。然而,室内环境复杂多变,视觉定位在很多场景下无法实现高精度定位,而且多数视觉定位算法耗时和计算复杂度高,不适用于智能手机。为实现基于智能手机的准确高效定位,本文提出了一种基于图像灰度直方图相似度计算的定位方法。该方法分为两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段在已知坐标的格网点分别利用智能手机采集图像,提取图像灰度直方图,建立图像灰度直方图图像特征库;在线阶段智能手机在待测点采集图像提取灰度直方图,然后与图像特征库进行相似度计算,选取相似度和最大值的格网作为概略位置,以相似度为权重采用加权均值法得到准确位置。将所提方法和KNN算法进行对比,试验结果表明,该方法的平均定位误差优于0.3 m,与KNN算法相比定位精度提高了40.7%,计算时间优于1.7 s。