因子分析法在水质参数反演中的应用

2008年11月、2009年4月,分别对太湖水体以及2009年6月对巢湖水体进行野外实验.对太湖水体遥感反射率进行因子分析,并利用遥感反射率的不同因子,对叶绿素和总悬浮物浓度进行反演,并对反演因子的普适性进行验证.利用第一因子反演太湖春季叶绿素浓度,平均相对误差为22.1%,均方根误差为3.48g/L,利用该方法反演巢湖、太湖秋季水体的叶绿素浓度没有取得较好的效果;利用第二因子反演太湖春季总悬浮物浓度,平均相对误差为13.9%,均方根误差为11.33mg/L,利用该因子反演巢湖、太湖秋季水体的总悬浮物浓度同样取得较好效果.结果表明:利用遥感反射率的第一因子对叶绿素浓度进行反演,该方法不具有普适性;利用遥感反射率的第二因子对总悬浮物浓度进行反演能取得较好的结果,此方法具有一定的普适性.     

太湖蓝藻爆发与水温的关系的MODIS遥感

利用MODIS高光谱遥感数据动态监测太湖地区蓝藻水华发展过程,并结合水温环境因子,探讨蓝藻爆发的环境条件.首先,通过简单的比值植被指数,实现蓝藻生物量的遥感估算;根据六期遥感估算结果,监测太湖蓝藻动态发展过程.然后,利用MODIS热红外波段(31和32),采用分裂窗算法,同步反演出的太湖表面水体温度,探讨蓝藻爆发的水温条件,及蓝藻生长与水-温度之间的关系.研究结果表明,在水体富营养化前提下,水体温度是影响蓝藻生长的重要环境因子;合适的水体温度(24-30℃)是蓝藻爆发的必要条件;大于30℃的高温,对蓝藻的生长有明显的抑制作用.     

基于热红外遥感影像的河流水温反演方法比较——以长江上游流域为例

水温是影响河流生态环境的重要因素.传统水温观测手段受限于测站的地理位置,数据分布稀疏.近20年来随着热红外卫星传感器在空间分辨率上的革新,热红外遥感影像逐步被应用于反演河流水温,但目前相关研究聚焦于利用单颗卫星数据并使用单一水温反演方法而忽略与其他卫星以及处理方法做对比.本文以长江上游流域为例,分别评估了水文反演流程中...     

太湖水体叶绿素浓度反演模型适宜性分析

为确定适合太湖水体叶绿素的反演算法,为同类卫星数据的建模和应用提供参考,本文根据太湖2007年11月、2009年4月和2011年8月实测水质参数以及同步光谱数据,结合水色遥感传感器MODIS、MERIS、GOCI及我国自主发射的HJ-1号卫星CCD传感器波段参数,基于差值模型、比值模型、三波段模型及APPEL模型,分别建立太湖水体叶绿素浓度反演模型,并分析模型的适宜性.结果显示,基于不同传感器数据APPEL模型的决定系数为0.7308~0.8107,模型相对误差为15%~24%,均方根误差为21%~32%;三波段模型基于不同传感器数据拟合的决定系数为0.6014~0.7610,相对误差为28%~36%,相对均方根误差为39%~46%;差值模型决定系数为0.4954~0.7244,相对误差为39%~53%,相对均方根误差为51%~72%;比值模型决定系数为0.4918~0.7098,相对误差为41%~55%,相对均方根误差为56%~75%.相比较而言,APPEL模型的稳定性较强,适合于不同传感器数据的太湖水体叶绿素浓度的反演.此外,相应不同传感器波段位置、波段宽度对模型反演的精度和稳定性的影响也不同,当波段位置接近叶绿素特征波长时,较窄的波宽有利于模型精度的提高,波段位置和叶绿素浓度特征波长相差较大时,合理增加波谱范围有利于叶绿素特征信息的获取.     

MODIS热红外温度数据反演的算法实现及其与地温数据的相关性分析

利用分裂窗法实现对MODIS遥感卫星热红外温度的反演。该方法计算简单,易于实现海量资料处理,基本满足红外遥感资料在地震监测预报中的应用要求。经过不同时间频度、不同空间范围的计算,将反演结果与气象台站地表温度进行了时序的相关性分析,结果显示反演温度与日值地温的相关性可达0.7,其与月值地温的相关性高达0.9,以证实了MODIS数据反演温度的可用性。     

基于多角度热红外遥感的混合像元组分温度演化反演方法

研究了多年来热红外多通道遥感反演陆面温度的成果后指出, 由于通道间信息高度相关, 以及不能直接反演混合像元组分温度, 所以它的反演精度及应用价值都受到极大的限制. 在建立非同温混合像元热辐射方向性模型基础上, 指出热红外多角度遥感提供了直接反演组分温度的可能性, 但这是一个多参数的同步反演问题. 通过数值模拟和实验验证表明, 演化算法是一个行之有效的多参数同步反演方法. 热红外多角度遥感与演化反演算法结合有望实现组分温度反演精度达到1 K以内的目的.     

遥感用途的高光谱中短波红外辐射传输精确计算

中短波红外同时含有来自太阳反射和大气发射的能量,关于该波段的大气辐射传输计算是光学遥感领域一项基础性和应用性很强的工作,国内研究并不多见.本文基于累加法,考虑了有限薄层条件下太阳直射反射、多次散射、大气发射三项基本因素的近似计算,构建了可以同时处理太阳散射和大气发射并存的中短波红外大气辐射传输计算模型.同国际通用的DISTORT模型比较了夜晚单层云、白天多层气溶胶、水云冰云双层云以及多层云、气溶胶同时存在4种场景下的计算精度.结果显示:除个别通道外绝对偏差均小于2×10~(-6)K,同样条件下计算速度是DISORT算法的2~3倍.利用该模型对影响计算精度的4个因素模拟分析显示:在2230~2400cm~(-1)强吸收带大气热发射辐射有很大的贡献,太阳入射辐射可以忽略;在2400~2580cm~(-1)窗区波段,忽略太阳辐射可以引入几十K的误差;采用层平均温度简化热辐射计算,在强吸收波段计算误差相对较大;基于单次散射假设的累加法最小光学厚度值越小,计算误差越小.满足计算精度需求条件下可以考虑采用大气分层平均热辐射简化、选择合适最小光学厚度值,以提高计算效率.该研究构建的自主辐射传输计算模型,将在处理国产星载高光谱仪器的资料模拟、反演、同化中发挥作用.     

利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射

针对HJ-1B红外相机只有一个热红外通道的特点,本文利用大气辐射传输模型模拟和统计回归方法,发展了一个利用HJ-1B辐射亮温和大气水汽含量反演高分辨率大气下行长波辐射的参数化模型.为了分析模型的适宜性和误差来源,利用模拟数据对模型进行了精度评价,结果表明模型在大多数气候条件下反演结果较好,但在大气水汽含量较高时存在低估现象.误差分析表明,大气水汽含量、传感器辐射亮度、地表与大气的温差等方面的不确定性会对反演结果产生一定的影响.利用2009~2010年HJ-1B数据反演得到黑河流域和海河流域的瞬时下行长波辐射,并利用6个站点的地面观测数据对反演结果进行了验证.结果表明,除花寨子荒漠站外,其他各站点反演值与实测值的一致性较好,均方根误差在20W/m2左右,略好于MODIS数据的反演结果.花寨子站夏季时存在较多的高估现象,主要由地气温差过大引起,经过地气温差校正后,结果得到明显改善.     

卫星热红外遥感资料在地震预报中的应用研究

利用NOAA—AVHRR数据通过Becker ＆ Li地温计算模型反演，得到有关地震发生前后每日的地表温度分布图像，然后进行逐日的地表温度分布图像以及震源区地表温度平均值日变时序曲线分析。结果表明震前出现了较明显的热红外地震前兆异常。最后指出，从NOAA—AVHRR数据中利用分裂窗技术反演陆地表面温度结果容易受到云层的干扰，但是更高空间分辨率和光谱分辨率的EOS／MODIS数据的产生以及由于EOS／AMSU能够透过云层探测到地表亮温，必将使卫星遥感热红外信息在地震监测预报中的应用范围及深度上得以拓展。     

作物生长模型同化MODIS反射率方法提取作物叶面积指数

叶面积指数(LAI)是监测农作物生长的重要参数. 遥感提取LAI的方法之一是通过植被冠层辐射传输模型反演, 但多数模型反演方法都没有考虑作物LAI在不同生长阶段的变化关系. 本文在模型反演的基础上引入用作物生长模型描述的LAI随生长变化的关系, 将作物生长过程中LAI地面先验信息作为约束信息, 提取最优目标参数LAI. 要点是在耦合作物生长模型和辐射传输模型中通过变分算法在作物生长不同时刻序列同化多时相遥感观测和LAI先验知识; 在同化过程中用伴随方法求解代价函数. 采用北京昌平和顺义地区MODIS数据的同化结果显示时序遥感观测能够极大改善被提取LAI的不确定性, 对比MODIS LAI产品发现提取LAI廓线符合实际的作物生长规律, 因而比MODIS LAI产品更加可靠.     

适用于多种卫星数据的太湖水体漫衰减系数估算算法

下行漫衰减系数(K_d)是描述水下光场的重要参数,决定水体真光层深度,影响着浮游藻类初级生产力及其分布特征.基于2008—2013年太湖4次大规模野外试验数据,分析太湖水体漫衰减系数特征及其影响因素,建立适用于多种卫星数据且较高精度的太湖水体490 nm处下行漫衰减系数估算模型.结果表明:无机悬浮物是太湖水体漫衰减系数的主要影响因素;红绿波段比值(674 nm/555 nm)最适合于太湖K_d(490)估算,模型反演精度较高(N=72,R~2=0.72,RMSE=0.89 m~(-1),MAPE=21.58%);利用实测光谱数据,模拟得到MODIS/EOS、OLCI/Sentinel-3、GOCI/COMS和MSI/Sentinel-2等主要传感器波段的信号,构建适用于多种卫星传感器K_d(490)估算的红绿波段模型,建模精度较高(N=72,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%),且进行了验证(N=37,R~20.7,RMSE0.9 m~(-1),MAPE22.0%).     

考虑采砂影响的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度模拟

针对受采砂活动影响显著的鄱阳湖高浑浊水体,结合数值模拟和遥感技术,利用已有的鄱阳湖采砂区遥感监测结果,在构建的鄱阳湖水动力-悬浮泥沙输移模型中添加泥沙点源,对2011年7月1-31日采砂影响下的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙浓度进行数值模拟.利用悬浮泥沙浓度实测数据和MODIS影像反演结果对模拟结果的有效验证表明,考虑采砂影响后,悬浮泥沙浓度模拟值与实测值具有强相关关系,确定性系数为0.831,均方根误差为15.5 mg/L,悬浮泥沙浓度空间分布趋势与遥感反演结果基本一致.模拟结果显示,采砂活动对鄱阳湖南部主湖区、河流入湖口影响较小,其主要影响由南向北,经棠荫以西和松门山岛以北航道、入江水道延伸到湖口区域,是鄱阳湖北湖区高浑浊水体形成的重要原因.     

利用MODIS影像提取太湖蓝藻水华的尺度差异性分析

有效地提取蓝藻水华信息对分析蓝藻动态分布有重要意义,然而低空间分辨率数据提取的蓝藻水华会产生尺度误差.本文以太湖为研究区,利用2005年10月17日和2010年12月3日两景MODIS(250和500m)数据,采用浮游藻类指数(FAI)法提取太湖蓝藻水华面积;通过将FAI50均值化为FAImean(500 m),然后与...     

北方半干旱区典型湖泊——岱海透明度遥感反演(2013—2020年)

水体的透明度是评价水质的重要指标,在水生态系统中起着重要的作用.借助遥感技术可以获得大范围、实时数据,并且有节省人力物力的优点.本文利用岱海的野外实测透明度数据和光谱数据,针对Sentinel-2 MSI和Landsat-8 OLI卫星数据波段设置,建立了岱海水体透明度反演模型.结果表明：1）本文建立的透明度反演模型中,蓝红波段比二次模型反演精度最好,决定系数R²=0.66,均方根误差（RMSE）为24.02 cm,平均绝对百分比误差（MAPE）为21.24%.2）将蓝红波段比二次模型应用于Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI卫星数据,透明度反演精度较好,MAPE<28.82%,RMSE<23.26 cm,R²>0.60.3）此算法应用于时间序列MSI和OLI影像,得到了岱海水体透明度时空分布特征.结果表明,岱海水体透明度年平均变化范围在90.71~120.77 cm,2015年的平均透明度最高,2013年的平均透明度最低;月平均变化范围在90.68~122.53 cm,7月的平均透明度最高,5月的平均透明度最低.岱海透明度在空间上的分布趋势大致表现为西北高,东南低,中部高,四周低.4）影响岱海水体透明度变化的主要因素为风速和降水,透明度与风速和降水分别具有显著的负相关和正相关关系.     

基于高分六号数据提取太湖蓝藻方法的对比及适用性分析

以往对太湖蓝藻提取的研究中,较少将国内高分系列卫星影像作为数据源.为此本文基于2019年太湖不同蓝藻暴发时期的高分六号数据,采用随机森林（random forest,RF）法、归一化植被指数（normalized differential vegetation index,NDVI）阈值法和多光谱绿潮指数（multispectral green tide index,MGTI）阈值法对太湖蓝藻进行提取以寻求提取太湖蓝藻的最佳方法,并在此基础之上探讨了RF不同输入变量的适用性.结果表明,2019年太湖南岸和梅梁湖的蓝藻水华富营养化较为严重,NDVI阈值法明显将部分轻度蓝藻漏提,MGTI阈值法对中、重度蓝藻的识别能力不如NDVI法,而RF法能够有效地提取太湖蓝藻.其中将归一化植被指数和归一化水体指数作为输入变量的RF法提取中型暴发期的太湖蓝藻精度最高,总体分类精度和Kappa系数分别为99%和0.97.研究太湖蓝藻的提取方法对太湖的环境治理提供了技术支持,也为其他湖泊蓝藻的遥感监测提供了科学依据.     

福建地区MODIS卫星热红外资料异常分析

根据MODIS卫星热红外数据,利用透热指数法和亮温增温异常点比值法,分析福建地区地震震前的热红外时空异常变化,发现透热指数与福建地区中等地震有较好的对应关系,而地表的亮温增温异常区与未来发生的地震震中较为接近。     

2014年10月7日云南景谷MS6.6地震热红外异常

以中国静止气象卫星FY-2C/2E红外遥感资料为依据,采用小波变换与功率谱相对变化法对2014年10月7日云南景谷MS6.6地震进行震例数据处理和分析。结果显示:震前热异常具有明显时空特征,2014年8月上旬震中及其周围区域出现热红外异常,异常区范围随时间逐渐扩大、幅度陡增;8月30日左右异常面积达到最大,异常持续时间近一个月,异常幅度最大值达到平均值的14倍多,最大值45天后发生地震;该次地震热红外异常特征显著,容易识别,可作为一种识别地震热异常信息的判据,进一步验证卫星热红外异常在地震预判方面的作用。     

太湖长孢藻属(Dolichospermum)生物量长期动态变化及驱动因子

针对近年来太湖水体中长孢藻（Dolichospermum,曾用名鱼腥藻Anabaena）比例增加的趋势,本文研究了2005—2019年太湖春季不同湖区长孢藻生物量的长期变化趋势和空间差异,探究了冬、春季气象条件（气温、日照时长、风速、降雨量）和营养盐（总氮、总磷）水平对其的影响.结果表明,2005—2019年太湖监测数据显示春季长孢藻生物量有比较明显的升高现象,主要发生在竺山湖富营养程度较高的区域,其次是湖心区、梅梁湾和南部湖区.偏最小二乘路径建模（PLS-PM）结果表明,不同湖区长孢藻生物量变化的主要驱动因素存在差异.在湖心区,春季长孢藻的生物量主要受冬季气候条件（气温、风速、日照时长）的影响,其次受春季营养盐和春季气候条件的影响.在梅梁湾、竺山湖和南部湖区,春季长孢藻的生物量主要受春季气候条件的影响.在梅梁湾和竺山湖,春季风速、日照时长是春季长孢藻生物量的显著影响因子;在南部湖区,春季长孢藻生物量的主要驱动因素是春季的日照时长和春季气温.本研究从长时间序列角度,对太湖固氮蓝藻的时空分布特征和影响因素开展了研究,为太湖不同湖区开展针对性的藻类水华防控和富营养化治理提供理论基础.     

基于HJ-CCD和MODIS的吉林省中西部湖泊透明度反演对比

水体透明度能够反映光在水体中的穿透程度,影响水生植被及以光为依赖条件的水生生物的分布,获取透明度的传统方法是采用透明度盘进行测量,但也可以通过遥感方法获得.环境减灾卫星是专门用于环境与灾害监测预报的小卫星星座,影像覆盖范围广,空间、时相分辨率较高,可以为水环境遥感提供较好的数据源.MODIS数据在近岸水体和内陆大型湖泊水环境监测中也有广泛应用,它的时相分辨率也很高,但空间分辨率低.利用HJ-1A卫星CCD数据和MODIS日反射率产品(MOD09GA),以2012年9月吉林省石头口门水库、二龙湖、查干湖、月亮泡等地的实测透明度为基础(实测点数74个,最小值为0.134 m,最大值为1.410 m,平均值为0.488 m),根据灰色关联度选取构建模型的波段组合,建立水体透明度反演模型.HJ1A-CCD数据与MOD09GA数据建立的模型R2分别为0.639和0.894,均方根误差(RMSE)分别为0.248和0.135,模型验证的平均相对误差(MRE)分别为17.1%和9.5%,RMSE分别为0.207和0.089.MODIS数据以其较高的辐射分辨率使模型精度较高,但是HJ数据在应用于透明度小于1 m的水体时精度也较高(MRE=13.5%,RMSE=0.066).HJ-CCD数据在空间分辨率上的优势使其能够获得透明度空间分布的细节信息.比较两者反演得到的湖泊平均透明度,结果较为一致.