水体光谱测量与分析Ⅰ：水面以上测量法

水色遥感的基础之一是水体光谱特征测量与分析。水体光谱特性包括两个方面 :表观光学特性(AOPs)和固有光学特征 (IOPs)。该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类 :剖面测量法和水表面以上测量法。两种方法相对独立 ,适用范围上具有互补性。该文主要针对水面以上测量法进行讨论。水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下 0 -深度的辐照度比R等。国际上有关水色的测量规范中 ,仅有针对大洋一类水体的。中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体 ,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。同时 ,对数据分析处理中的一些关键参数的确定 ,提出新方法     

基于高分辨率遥感影像的面向对象水体提取方法研究

根据高分辨率遥感影像的特点,利用面向对象的方法对高分辨率遥感影像进行了水体提取.选取最优分割尺度和分割参数对试验区进行了分割;建立了对象知识库;选择合适的阈值参数进行了水体的提取和河流、湖泊的分类;把面向对象方法分类结果与传统方法分类结果进行了对比分析.试验表明,面向对象水体提取方法具有更高的精度,不仅有效地区分了水体和阴影,而且很大程度上抑制了"椒盐现象".     

高分二号的沈阳市黑臭水体遥感识别

中国城市黑臭水体情况严重,基于遥感监测黑臭水体刚刚起步,很多问题待解决。以沈阳市城市建成区内主要河流为研究区,于2015年—2016年开展地面调查,获取了浑河和蒲河46个一般水体的样点,和辉山明渠、满堂河、细河以及微山湖路附近、丁香湖北部50个黑臭水体的样点数据,包括水面光谱和主要水质参数。分析了黑臭水体与一般水体的光谱特征,发现城市黑臭水体反射率光谱在绿光—红光波段变化比一般水体平缓,基于这一特点提出了一种基于反射率光谱指数BOI(Black and Odorous water Index)的黑臭水体识别模型,并将其与红绿波段比值指数进行对比,具有更好的识别精度。结果表明:(1)基于遥感反射率(Rrs)计算的BOI小于0.065时,可判为黑臭水体。(2)由于GF2水体图像精确大气校正存在困难,可以利用瑞利散射校正反射率(Rrc)替代R_(rs),BOI小于阈值0.05时,可判别为黑臭水体;同时模拟证明,当气溶胶光学厚度逐渐增大时,黑臭水体与一般水体的光谱差异将逐渐减小,因此这种方法主要适用于比较清晰的图像、气溶胶光学厚度比较小(如AOT(550)≤0.5时)。(3)基于R_(rc)的BOI模型可以较好的应用于GF2图像上,具有较好的识别精度。对2015年—2016年3景GF-2影像提取的结果显示,满堂河和新开河黑臭现象得到逐步改善,辉山明渠黑臭现象依然严峻。本文发展的黑臭水体遥感识别算法主要是基于沈阳黑臭水体的光谱特征,仅在沈阳市进行了验证,将来还需在其他城市进一步验证,并且需要更多地考虑多种因素对水体反射率的影响。     

多光谱光学遥感影像水体提取模型

地表水监测是遥感的重要基础应用.光学遥感水体提取的原理是基于不同的地物具有不同的光谱反射特性,某些地物(冰雪、阴影、云)因为与水体具有相似的反射特性导致提取分类失败.本文针对传统水体指数在水体提取时出现错分、漏分的问题,提出一种归一化多波段水体指数NDMBWI.分别用3个试验对本文指数的稳定性进行测试.试验1的区域为西藏林芝地区,数据源为同一时相的Landsat 8、Sentinel 2卫星影像,试验结果验证了本文指数抑制冰雪的能力,本文指数的Kappa系数为0.86、总体精度为0.93、错分误差为0.03、漏分误差为0.12、制图精度为0.97、生产者精度为0.88,均优于已有的指数.试验2的数据源为高分一号,以香港迪士尼为试验区域,在存在少量云的环境下进行水体提取,证明了本文指数能抑制云及其云下阴影.试验3提取了多个地区的水体,验证了本文水体指数的稳定性.本文使用多源光学遥感影像验证了NDMBWI的可行性,不需额外借助辅助数据,即可排除雪、云、阴影的影响,能够更加有效地自动化提取水体,可推广到海岸带资源研究、冰川变化、内陆湖泊变化等领域.     

图谱迭代反馈的自适应水体信息提取方法

提出图谱迭代反馈模型,结合空间聚合图特征和非线性谱映射结果的优点,设计图谱迭代反馈机制,并通过自适应信息计算方法自动地调整提取参数,逐步地计算逼近正确的专题区域边界。结合水体提取案例,在分析当前较为有效的水体提取方法基础上,选取ETM影像作为数据源,提出图谱迭代反馈的自适应水体信息提取（WERSTP）理论与方法。试验比较表明,该方法能充分结合基于指数和基于光谱分类提取方法的优势并成功融入水体空间分布特征,获得较好的提取效果。     

长时序大范围内陆水体光学遥感研究进展

地球表面的江河、湖泊和水库等内陆水体是水资源的主要组成部分,由气候变化和人类活动所引起的内陆水体分布和水质时空变化等问题已成为各国科学家和政府关注的热点.相比常规实地采样监测手段,卫星遥感在长时序、大范围内陆水体监测方面具有重要优势.受到海洋水色遥感理论和方法的推动,同时也得益于内陆水体光学特性数据的不断积累,近年来内...     

太原市黑臭水体遥感识别与地面验证

城市黑臭水体整治是城市水环境治理的一项重要工作。本文通过构建黑臭水体遥感识别模型，解决城市黑臭水体整治过程中黑臭水体的识别问题，实现城市黑臭水体空间分布快速定位与排查。通过分析黑臭水体形成机理和试验数据，从光谱特征上构建反映水体清洁程度的光谱指数（WCI），从图像特征上构建水体颜色、次生环境、河道淤塞、岸边带垃圾堆放等解译标志，综合光谱指数和解译标志共同进行黑臭水体遥感识别。利用该方法对太原市建成区内黑臭水体空间分布进行排查识别，共得到疑似黑臭河段14条，长度为52.530 km。经验证，除去断流影响外，遥感识别黑臭水体点位精度为92.86%，遥感识别黑臭河段长度精度为78.19%。在精度验证基础之上，进一步分析了黑臭水体遥感识别光谱指数和各项解译标志在黑臭识别中所占的权重，其中光谱指数和水体颜色二者权重最大，分别占29.60%和27.10%，是构成遥感识别黑臭水体的主要特征标志。通过两时相影像识别结果比对表明，WCI指数能够明显反应黑臭水体变化特征。因此，利用本文方法进行城市黑臭水体遥感识别具有很高的精度，在城市水环境整治过程中具有重要的应用价值。     

2000年—2020年中国大型湖泊月平均透明度遥感监测数据集

湖泊水体透明度是湖泊水环境状况的综合表征,与多种水质参数关系密切,对湖泊水环境监测具有重要意义.本文的目的 是介绍一种中国大型湖泊(＞20 km2)月平均透明度遥感监测数据集的生成流程、主要特征和应用价值.数据集生产方法是将Liu等(2020)构建的透明度遥感算法应用于GEE (Google Earth Engine)...     

城区重度污染水体遥感识别研究

城市污染水体整治对城市良好水环境具有重大意义。本文基于污染水体形成机理,构建污染水体遥感识别模型,实现了城市污染水体快速、高效、大范围的提取。本文以银川市为研究区,开展银川市污染水体遥感识别,并进行实地验证。验证结果表明污染水体遥感识别精度可达62.96%,共确定银川市污染水体12条,为银川市污染水体整治工作提供参考。此外,本文还分析了影响识别精度的原因,以提高后续污染水体遥感识别精度。由于遥感识别污染水体尚属首次,因此识别精度一般。在今后研究工作中,将会加入其他指标继续研究,以提高精度。     

海岸带水体遥感信息全自动提取方法

在对经典的水体遥感信息提取方法分析的基础上,针对海岸带水体的特点了提出一种新的方法,该方法通过“像元-对象”及“全域-局部”的双重尺度转换,综合利用了海岸带水体遥感信息的光谱特征、空间特征、统计特征和不确定性,有机结合了地学知识与数据挖掘方法,实现了海岸带水体遥感信息的全自动提取。对我国四大海域不同类型海岸带的Landsat ETM+遥感影像进行试验,发现应用该方法能够兼顾宏观和微观的水体特征,提取结果具有较好的完整性和连续型,相对精度优于监督分类法和阈值分割法。     

基于环境因素的沿岸水域叶绿素遥感探测研究

海洋叶绿素的调查一直是海洋生物资源与海洋生态学的研究重点。遥感技术是海洋叶绿素调查的有力工具。利用遥感光谱信号探测海水叶绿素在大洋水体(一类水体)中十分成功,但在沿岸水体(二类水体)的精度却不高,主要是由于悬浮泥沙、黄色物质等的干扰太大。从叶绿素的生存条件入手,提出了利用海水叶绿素环境生存因子作为辅助因素的方法建立叶绿素遥感探测模型。并以珠江口海域作为研究对象展开试验,结果表明:环境因子的引用,使模型的误差从32·48%降为17·96%,精度大大提高,从而证明该方法的可行性和有效性。     

内陆水体藻蓝蛋白遥感反演研究进展

藻蓝蛋白(PC),作为蓝藻的标志性色素,通常被用作进行蓝藻水华遥感监测的标志物.近年来,内陆水体水质恶化,富营养化加剧,藻华频发,PC遥感反演研究越来越受到关注.本文从PC光学特性、反演算法开发、卫星传感器应用等方面难点及干扰因素,综合梳理了过去30 a PC遥感反演研究的发展历程和趋势,以期理解国内外相关研究的新思路...     

植被光能利用率高光谱遥感反演研究进展

光能利用率是表征植被通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机干物质效率的指标。光能利用率是植被光合作用的重要概念,也是区域尺度以遥感参数模型监测植被生产力的关键参数。不同植被类型的光能利用率具有明显的时空差异,水分、温度、养分供给等环境胁迫因素会影响植被的光能利用率。随着高分辨率光谱测量传感器的使用,位于可见光和近红外区域的窄波段可以捕捉到植被冠层反射率的细微变化,也促进了光能利用率遥感反演技术的发展。本文结合国际植被光能利用率遥感反演最新研究成果,从基于环境胁迫因子的光能利用率反演,基于植被光谱指数的光能利用率反演、基于叶绿素荧光的光能利用率反演,以及基于涡度相关测量数据和遥感数据相结合的光能利用率反演四个方面,详细介绍了植被光能利用率遥感反演的主要技术方法,并对植被光能利用率遥感研究存在的主要问题和发展趋势进行了讨论。     

基于混合像元分解的水体遥感图像去云法

大型内陆水体的遥感图像中往往存在着不均匀薄云或者是气溶胶的影响，由于种种原因，传统的大气辐射校正算法无法消除这种不均匀影响，这就给遥感图像的大气校正带来了很大困难。由于水体属于低反射率地物，这种薄云或者气溶胶的不均匀性带来的误差，极大地降低了水体遥感图像的信噪比，进而影响水体信息遥感提取精度。根据部分太湖地区的遥感图像和地面实测数据，作者以一种新的思路来尝试解决这个问题。该方法充分考虑了水气环境的特点，把水体像元光谱看作水、污染物和气溶胶（薄云）等光谱的混和。基于混合像元模型，该方法有效地消除了薄云和气溶胶的影响，可使我们通过遥感手段更加精确地提取水质信息。     

参数敏感性分析在遥感及生态水文模型中的研究进展

参数敏感性分析SA（Sensitivity Analysis）是遥感、生态和水文模型不确定性分析UA（Uncertainty Analysis）的重要方法之一。本文梳理了遥感散射/辐射模型,以及遥感驱动的生态、水文模型研究中常用的敏感性分析方法,并总结了各类方法的优缺点和适用条件。从识别关键参数、不确定性分析和参数优化3个方面,分析了这些领域中参数敏感性分析研究的进展和存在问题,并介绍了最常用的敏感性分析平台。参数敏感性分析作为模型参数优化的先验知识之一,促进了模型和参数的优化。在不确定性和敏感性矩阵USM（Uncertainty and Sensitivity Matrix）的框架下,结合全局敏感性分析方法开展多阶段遥感反演、参数敏感性的尺度效应、参数敏感性的时空异质性研究更加需要关注。此外,还需要提高敏感性分析的计算效率和模式,来适应未来更加复杂的模型和迅速增长的数据量。     

区域蒸散发量的遥感模型方法研究

蒸散是水资源管理的一个重要参数。与传统的蒸散计算方法相比,利用遥感进行蒸散研究具有快速、准确、大区域尺度及地图可视化显示等特点。本文通过研究,提出了基于能量平衡方法遥感反演蒸散发的计算模型,指出了模型参数的求解方法,建立了基于MOD IS遥感数据的大区域蒸散发遥感反演技术方法。通过对石羊河流域进行试验,反演误差基本小于10%,并且具有进一步推广的技术前景。     

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。     

水体铜离子吸收系数光谱(400-900 nm)测量

金属溶解物的吸收光谱测量是水体重金属遥感反演的关键。本文使用水体透射光测量装置,利用ASD光谱仪测量相同厚度不同浓度铜离子溶液的透射光辐亮度,运用比值法计算水体铜离子消光系数和吸收系数,最终得到400—900 nm波长范围内的水体铜离子单位浓度吸收系数光谱。该方法可以较好地消除实验装置和水中悬浮物的影响。结果表明,水体铜离子在蓝、绿光波段吸收作用极小,红光至红外波段的吸收系数快速增大,与铜离子溶液颜色相吻合;吸收峰位于810 nm。多次独立实验测量所得结果的标准差很小,说明测量结果稳定。与Jancsò测量结果的对比分析表明,本文结果与国际上著名测量结果接近,且部分波段的测量值更为合理。     

双集合卡尔曼滤波估算时间序列LAI

遥感估算叶面积指数(LAI)时空动态变化对全球气候变化研究具有重要的意义,为了提高遥感估算时间序列叶面积指数的精度,需要耦合遥感观测数据与LAI动态过程模型。本文提出一种基于双集合卡尔曼滤波(Dual EnKF)的时间序列LAI反演方法,同时更新LAI估计值和LAI动态过程模型中的敏感性参数,得到LAI和动态过程模型敏感参数的最优估计值来优化动态过程模型。一方面使得动态过程模型可以更好地描述LAI随时间的变化过程,降低模型预测误差,从而提高LAI动态过程模型的预测能力;另一方面通过耦合动态过程模型和辐射传输模型,集成遥感观测数据与动态过程模型的预测值,进而得到优化的LAI估计值。为检验算法,分别选取作物、草地和林地等典型植被验证站点进行Dual EnKF LAI时间序列估算,并分别与MODIS LAI产品及其SG滤波曲线、集合卡尔曼滤波方法反演LAI、未优化的动态过程模型模拟LAI结果进行比较,并配以一些站点地面实测点数据作为参考。结果表明,采用Dual EnKF方法得到的LAI不但保持了时间上的连续性,而且通过改善动态过程模型的预测能力,即使在缺乏高质量遥感观测数据时,也能够获得符合LAI发展趋势的估算值,没有出现跳跃、波动现象,时间序列曲线较稳定,更符合植被LAI变化规律,表明基于Dual EnKF的时间序列LAI遥感估算方法是提取LAI时间廓线的一种有效途径。     

近海岸悬浮泥沙遥感反演模型的分析探讨

简要介绍了国内外近海岸悬浮泥沙定量化遥感反演的研究进展及悬浮泥沙遥感反演模型的建立方法,通过对国内外近年研究的部分悬浮泥沙遥感反演模型进行简单分类、对比分析得出其优缺点,并针对部分悬浮泥沙遥感反演模型的不足和目前遥感技术在悬浮泥沙定量反演中的应用提出了一些肤浅见解。