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。     

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。     

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.     

控制点与检查点数量和比例对水深遥感反演精度的影响分析

在水深遥感反演半经验模型中,水深控制点和检查点选取是一项非常重要的工作,前者用于建立实测水深值与遥感影像灰度值之间的数量关系,后者用于评价水深反演精度。但前人在相关研究中并未就控制点和检查点的选取数量和比例给出有实验依据的建议,亦未开展其对水深反演精度的影响分析。针对这个问题,作者使用6020个实测水深点和World View-2、GF-1 WFV、Landsat8 OLI 3种多光谱影像,基于三波段水深反演模型开展了81组实验,分析比较了不同数量和比例的控制点与检查点对反演结果的影响,评价过程利用平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)、平均相对误差(Mean Relative Error,MRE)和反映实测水深与反演水深相关性的决定系数R2等3种参数。结果表明:(1)当控制点数量达到31个时,水深反演精度即趋于稳定;(2)检查点数量在30个时,其评价指标已可以代表模型反演精度;(3)控制点和检查点的数量比例对反演精度并无影响,但控制点选取过多则会产生反演精度降低的现象,采用人工选取检查点时剔除浅水区的异常点即可有效避免这一问题。     

Estimating the Water Turbidity in the Selenga River and Adjacent Waters of Lake Baikal Using Remote Sensing Data

Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics - The relationship between the DN/reflectance values of Landsat 5 TM, Landsat 8 OLI, and U-K‑DMC2 SLIM-6-22 imagery and the concentration of total...     

围填海潜力定量评价模型在锦州湾围填海区域的应用

围填海虽能缓解因经济发展及人口增长造成的土地资源问题,但是大规模不科学的围填海工程会严重破坏海洋资源,并对海域生态环境造成不可逆的改变。为科学管控围填海工程,需对其资源状况进行定量评价,进而为合理控制管控围填海资源规模提供一定的建议。本文以1991年、1995年、2000年、2005年、2010年及2014年锦州湾的Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像作为数据源,提取并分析研究区海岸线以及围填海信息,计算围填海强度指数,并应用围填海潜力定量评价模型对锦州湾的围填海潜力状况进行分析。研究结果表明:(1)1991-2014年间,锦州湾围填海面积显著上升,围填海强度指数由49.64 hm²/km上升到88.05 hm²/km,等级由3级变为4级;(2)截至2014年,锦州湾围填海潜力指数P为1026.90 hm²。该结论可为科学规划并管控锦州湾围填海区域提供一定的参考。     

基于遥感反演的莱州湾水色变化的多时相分析

悬浮泥沙和叶绿素是海洋水色的重要部分,是反映河口海岸地区生态环境状况的重要指标。本文基于Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像,在不依赖地面实测数据的条件下,结合水文气象数据,利用光谱信息建立水色遥感模型对莱州湾1996—2015年不同时期的悬浮泥沙和叶绿素变化进行研究。研究结果表明:(1)此模型可以快速反演出较大空间尺度内的水色时空分布情况。(2)1996—2015年这一时期内悬浮泥沙浓度变化明显,枯水期的悬浮泥沙扩散范围总体大于丰水期,悬浮泥沙高浓度区主要分布在黄河口附近海域和沿岸区域,泥沙主要来源于陆源输沙和海水中的泥沙再悬浮,悬浮泥沙的扩散主要受潮流的影响,风和波浪等动力因素也在一定程度上影响着悬浮泥沙的扩散;(3)此外,莱州湾叶绿素高浓度区主要分布在莱州湾东—南部海域,其分布具有明显的季节性,春季(5月)海水温度升高,水中营养物质垂直混合好使得叶绿素浓度处于较高态势。     

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。     

基于植被物候特征的互花米草提取方法研究——以长三角湿地为例

互花米草自1979年引进我国以来迅速增长,呈现外来物种入侵势态,严重影响了滨海湿地生态系统平衡。通过遥感手段监测可以获取互花米草的时空扩展规律,为互花米草治理提供参考和依据。本文选取长三角地区3个主要湿地区域为研究区,依托Google Earth Engine (GEE)平台选取了2014—2019年Landsat 8 OLI时间序列数据,提出了一种基于物候特征的互花米草提取方法。首先,通过归一化差异湿度指数(NDMI)、归一化差异植被指数(NDVI)和归一化差异水体指数(NDWI)提取互花米草生长的高湿度区域;然后,通过植被指数构建表征植被物候特征的时间序列曲线,确定互花米草与其他植被的物候特征差异时相;最后,基于物候特征差异时相数据构建决策树提取互花米草。通过与现有的互花米草决策树提取方法和支持向量机(SVM)方法对比发现,本文方法在3个研究区的提取结果均为最优提取结果,表明本文的方法对提取互花米草具有较好的适用性。     

Application of Landsat Data for Mapping Higher Aquatic Vegetation of the Far East Marine Reserve

The application of two approaches to radiometric correction of Landsat data and their further classification has made it possible to compile maps of the distribution pattern of sea grass at the East Site of the Far East National Marine Reserve (FEMR). The mapping accuracy, evaluated with the use of field data, has shown that the bottom reflectance index makes it possible to increase the accuracy of maps compared to the depth-invariant index. The areas of aquatic plants have been calculated from 2001, 2013, and 2014 data. It has been shown that the approaches for processing remote data are useful for monitoring nearshore vegetation.     

1988—2016年泰国湾海岸线变迁遥感分析

泰国湾近30年海岸线变迁剧烈。文章基于1988年、1996年、2006年和 2016年4个时期Landsat TM/OLI中等分辨率卫星遥感影像数据，开展了近30年泰国湾岸线长度时空变迁遥感监测，并应用数字海岸分析系统（DSAS）计算出4期岸线变迁速率，给出了4个时期泰国湾侵蚀淤积面积状况，分析了岸线变迁的自然因素和人类活动因素。并从岸线增长速率、岸线变迁速率、蚀淤面积状况、岸线类型变化4个方面给出结论。