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。     

珠江口海域a_g(440)遥感模式研究及应用

有色可溶性有机物质(Coloured Dissolved Organic Matter,CDOM)直接影响着海水的光学性质,为水体有机污染物含量遥感反演的基础参数之一。在水色遥感研究领域,一般用440nm波长位置的吸收系数ag(440)来表示其浓度,因而建立ag(440)遥感反演模式,对于掌握相关海域CDOM浓度的空间变化规律及进一步提取其他水环境参数具有重要的作用。利用2013年11月和2014年2月两个航次在珠江口海域现场采集的表观光学量及固有光学量数据,建立了基于HJ-1/CCD卫星传感器的ag(440)遥感反演模型,并应用于珠江口海域,得到该区域2012年1月至2014年6月晴天CDOM浓度空间动态分布图。研究结果表明:(1)现场测定的珠江口海域ag(440)在0.1~0.3m-1,且不同断面ag(440)呈现出一定的规律性变化;(2)利用现场实测数据对遥感模式估算值进行验证,计算出估算值的相对误差为9%,表明所建立模式具有较高的准确率;(3)遥感反演的CDOM空间分布数据与实测数据得到的分布特征基本吻合,整个珠江口及其邻近海域ag(440)的数值范围为0.07~0.31m-1,而且珠江口西部海域ag(440)高于中部和东部海域。     

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。     

油沙藻混合水体遥感反射率光谱特征分析

在石油类污染水体中,通过遥感技术获取的遥感反射率(Remote sensing reflectance,R_rs)主要是油(石油类物质)、沙(悬浮泥沙)和藻(叶绿素)三种水体组分共同贡献的结果。基于现有的油藻混合水体R_rs光谱的研究基础,本文通过添加悬浮泥沙组分,进一步研究油沙藻混合水体R_rs光谱变化特征,旨在提高基于R_rs所建立的石油类污染浓度C_oil遥感反演模型的精度。将2018年8月25—27日在辽宁省大连港海域针对石油类污染水体所测量的现场数据作为输入参数,采用浓度配比方式,基于辐射传输模型Hydrolight对R_rs光谱数据进行模拟,并对纯沙、油沙、油沙藻等不同组合水体的R_rs光谱变化特征展开分析。结果表明：(1)在纯沙单组分水体中,不同浓度的R_rs在440 nm处出现了交汇,交汇处前后R_rs的光谱变化在量级和形状上有明显的差异;(2)在油沙双组分混合水体中,R_rs     

长江口外海水中有色溶解有机物（CDOM）的光吸收特性

基于2008年5、11月2次调查数据,研究了长江口邻近海域水体有色溶解有机物（CDOM）的光吸收特性及其时空分布特征,探讨了CDOM含量、光谱斜率Sg值及其与特征波长下吸收系数a（440）的关系.结果表明,春季该海域有色溶解有机物的吸收系数a（440）的范围为2.232~8.671 m-1,平均值为4.523 m-1;秋季其吸收系数a（440）的变化范围为0.390~6.135 m-1,平均值为2.209 m-1.该水体CDOM吸收曲线基本呈指数衰减趋势.在400~440 nm波段内,春季其光谱斜率Sg值范围为0.002 0~0.014 2 nm-1,平均值为0.008 7 nm-1秋季的介于0.020 8~0.052 6 nm-1之间.平均值为0.037 5 nm-1.同时有色溶解有机物吸收系数a（440）与Sg值存在着较显著的负相关关系.     

东海典型水体的黄色物质光谱吸收及分布特征

水体中的有色可溶性有机物(又称"黄色物质")是遥感监测水质分类的主要参数之一,研究其光谱吸收性质具有重要的实际意义。东海海区受长江冲淡水等陆源输入的影响,水体浑浊,光学性质复杂,以往对该区域CDOM吸收特征的研究相对较少。利用"九○八"我国近海海洋光学调查航次数据,获得了2006-2007年四个季节东海水体样品CDOM的光谱吸收数据,建立了包括杭州湾高浑浊水体、长江冲淡水、外海水体等东海不同水体类型的CDOM光谱模型及其典型波段的吸收系数分布情况。发现近岸受陆源输入影响大的海区其光谱性质与外海有明显区别,主要体现为近岸尤其在杭州湾附近站点短波段吸收系数值非常高,而且随波长增加吸收系数曲线衰减迅速,同时还有一定的季节变化,外海站点短波段吸收值则明显要低。这反映了CDOM的陆源输入特性,愈向外受到海水的混合稀释作用愈显著,验证了CDOM可以作为近岸海水水质监测的重要参数。对该海区内CDOM的实测荧光性质进行了相关分析,结果表明CDOM荧光与吸收系数之间有很好的线性相关关系,可以作为荧光方法遥感监测该海区CDOM的有价值的参考。     

长江口及其邻近海域CDOM光谱吸收特性分析

研究了长江口及其邻近海域有色可溶性有机物(CDOM)的光吸收特性,分析了CDOM浓度(吸收系数a(440))、光谱斜率(S_g)与盐度的关系。结果表明:长江口及其邻近海域CDOM的a(440)变化范围为0.21~0.85 m^-1,平均值为0.44 m^-1;S_g值的范围为0.013 3~0.016 7 nm^-1,平均值为0.014 nm^-1;a(440)的水平分布表现为长江口海区比外海区高,S_g的水平分布表现为长江口海区比外海区低,反映了长江口海区CDOM中的腐殖酸成分比外海区大。研究区内a(440)与盐度、S_g与盐度明显线性相关,表明CDOM在河口混合行为中呈保守行为,CDOM具有良好的保守性质。     

应用CDOM光学特性估算水体COD——以辽宁省盘锦市双台子河和辽东湾为例

有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)是水体中一类重要的光吸收物质,在水色遥感中,其光学特性主要以440 nm处的吸收系数和光谱斜率来表征,利用这些光学特性进行水环境要素遥感反演具有较广泛的应用前景.化学需氧量(chemical oxygen deman...     

基于遥感反演的浒苔绿潮暴发对有色溶解有机物与叶绿素时空分布特征的影响

浒苔的暴发会对水体生态环境产生巨大的影响, 对此进行遥感监测具有十分重要的意义。本文基于现场同步实测的有色溶解有机物(colored dissolved organic matter, CDOM)吸收系数、叶绿素浓度以及光谱数据建立遥感反演模型,再结合MODIS卫星影像提取山东半岛南侧近岸海域在各年份浒苔暴发前后CDOM与叶绿素浓度的时空分布特征。结果表明, 浒苔的消亡分解会在水体中产生大量的CDOM, 但浒苔的生长繁殖同样会消耗CDOM, 此外CDOM还受到浒苔暴发时期强烈的光降解作用。在各种因素的综合作用下, 研究区海域CDOM浓度在浒苔暴发时期微弱升高, 浒苔消亡后CDOM浓度则开始回落。浒苔在暴发期会抑制其他浮游微藻的生长, 使研究区海域叶绿素浓度有所降低, 而浒苔消亡后叶绿素浓度有所上升。水体中的叶绿素受多种生物地球化学因素的影响, 因此叶绿素浓度的降低与浒苔的暴发强度之间没有明确的相关性。遥感反演可以大范围快速地提取水体中各种要素的分布情况, 但就浒苔的暴发对海水中各要素的影响机制而言, 还需要结合各种生态环境因子进行综合分析。     

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。     

中国近海非色素颗粒物的光学特性

非色素颗粒物是中国近海水体光学特性的重要影响因素。基于在中国近海海洋光学调查中获取的1355个站位的非色素颗粒物吸收系数数据,对非色素颗粒物440nm吸收系数ad(440)及其光谱斜率Sd进行了分析,研究表明:1)在封闭或半封闭海湾以及河口海域的ad(440)较其他海域明显偏大;2)ad(440)占水体440nm总吸收系数at(440)的百分比值分布特点与ad(440)的分布特点一致,即ad(440)越大,其对水体总吸收的贡献越大;3)Sd与ad(440)仅在两个海域表现出一定的弱负相关性,在其他绝大部分海域两者的相关性较弱。     

东海海域典型赤潮水体反射光谱模拟研究

东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense Lu)是我国东海海域的典型赤潮藻种,其在水体中通常呈垂直非均匀分布,并存在季节性和日内的垂直迁移现象。本文通过量化垂直迁移过程中东海原甲藻的分布状态,利用Hydrolight软件数值模拟各状态下的水体反射光谱,研究其光谱特征和变化规律。利用叶绿素浓度高斯垂向模型表征东海原甲藻在水体中的垂直分布,结合东海近岸海域二类水体的生物光学模型,模拟得到垂直迁移过程中东海原甲藻赤潮水体的反射光谱。对比分析叶绿素浓度垂向分布参数(背景叶绿素浓度、甲藻主体水层厚度、水体总生物量和叶绿素浓度峰值深度)对水体反射光谱的影响。研究结果表明,在东海原甲藻从次表层向表层垂直向上迁移过程中,水体反射光谱数值在蓝绿波段(400—570nm)减小,在黄红波段(570—720nm)增大,特别是在叶绿素荧光效应波段(680nm)处的变化尤为明显。     

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.     

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。     

舟山海域陆源溶解有机质变化及其对近岸羽状流的响应

2007年夏季在东海舟山海域河口锋区开展了陆源溶解有机质的调查研究。测定了有色溶解有机质(CDOM)在激发波长370 nm/发射波长460 nm处的荧光强度和在λ=355 nm处的吸收系数,用于代表陆源CDOM浓度,并测定了荧光指数以指示CDOM来源。结果表明,CDOM的荧光值和紫外吸收系数之间呈显著正相关性,陆源CDOM浓度大体有向海方向降低的趋势,但是纵向上存在一些"突跃"现象。在舟山海域东北角不时观测到表层水体含有高浓度的CDOM,但变异性很大,推测可能该海区受到长江口羽状流的影响。在连续观测站发现陆源CDOM浓度在低平潮时往往比高平潮时要高。河海水在混合过程中CDOM浓度与盐度呈显著的线性负相关关系。在低盐度的悬沙锋区(S<24)CDOM浓度明显低于理论稀释值,而在较高盐度的羽状锋区,CDOM浓度接近于理论稀释值。在盐度为24~31范围内,大部分水样的荧光指数在1.50上下波动,表明其中CDOM来源以陆地来源为主;在较低盐度(S<24)的水样中荧光指数在1.70至1.90以上,表明CDOM以海洋来源为主,这与其陆源组分在高浊度的低盐度区存在显著的去除过程有关。研究表明,舟山海域水质存在着显著的变异性,与近岸羽状流密切相关,陆源溶解有机质的分布特征对此有较好的响应。     

强壮前沟藻生消过程中水色组分吸收特性

依据2011-07强壮前沟藻藻种培养实验期间的实测数据,分析了其生消过程中各水色组分的吸收特性。结果表明:在生消过程的始末阶段,以非色素颗粒物和有色可溶性有机物(CDOM)吸收为主,中间阶段,则以浮游植物吸收为主。浮游植物吸收光谱在440nm和675nm存在明显的特征峰;在整个生消周期内先上升后降低,直至消失;非色素颗粒物和CDOM吸收光谱随波长增加均呈指数衰减趋势,前者光谱幅高先增后减,但后者变化无明显规律。各水色组分与叶绿素质量浓度均存在一定的相关关系,无论在生长期或是消亡期,浮游植物、非色素颗粒物吸收系数与叶绿素质量浓度存在正相关关系;但CDOM吸收系数与叶绿素质量浓度在生长期存在正相关关系,而在消亡期变为负相关关系。这可作为改进赤潮水体叶绿素质量浓度遥感算法、有效判别赤潮以及识别赤潮优势藻种等的科学依据。     

中国近海海洋光学特性及其分布

在"我国近海海洋综合调查与评价"的光学调查项目中,通过2006年夏季、冬季和2007年春季、秋季的中国近海海洋光学调查试验,获取了表观光学资料、固有光学资料和相应的辅助资料。利用这些数据,开展了中国近海海洋光学特性及其分布研究工作。(1)通过分析特征波段遥感反射比(Rrs(412)和Rrs(490))的分布情况,发现主要河口有着明显的区域性和季节性变化特点。(2)通过分析遥感反射比光谱资料,发现了不同区域遥感反射比光谱体现了不同的特点,而且成因不同。(3)通过分析400nm水色要素吸收系数分布情况,发现了河流陆源物质输入对近岸非色素颗粒物分布特性有重要影响,其次对黄色物质也有很大的影响,而浮游植物及其腐烂降解的产物对水体中黄色物质浓度产生的影响不大。(4)通过分析400nm水色三要素吸收系数占总吸收系数比例,发现不同海区光学特性的主要影响要素也各不相同。     

南海北部海区非藻类颗粒物吸收系数的变化特性

在2003年10月广东沿岸航次和2004年9月南海北部开放航次数据的基础上,分析了南海北部水体非藻类颗粒物吸收系数(aNAP(λ))的变化。结果显示,沿岸水体的非藻类颗粒物吸收光谱斜率(SNAP)平均值为0.010 3nm-1(标准偏差=0.000 7 nm-1),随叶绿素a浓度的增大呈现出减小的趋势,南海北部开阔海域水体SNAP的平均值为0.009 0 nm-1(标准偏差=0.001 3 nm-1);沿岸水体受陆源性输入的影响较大,表层水体aNAP(440)随盐度的增大而减小,随总悬浮颗粒物(SPM)浓度的增大而增大,aNAP(440)/SPM平均为0.045 m2.g-1;南海北部开阔海域水体非藻类颗粒物的吸收明显偏小,表层水体的aNAP(440)与盐度存在较弱的线性相关,与SPM之间没有表现出明显的相关性,aNAP(440)与叶绿素a浓度之间存在一定的幂指数关系,表明外海水体浮游植物的降解是非藻类颗粒物的主要来源之一。     

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.     

大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型

有色溶解性有机物(CDOM)在河口混合过程中近似呈保守行为,可作为水团运动的示踪剂.基于2009年5月6日大洋河河口海域水体调查的实测数据,对该区域CDOM光学特性及遥感反演模型进行了研究,结果表明:研究区域CDOM主要来自河流输入,成分相对较稳定,属于典型的近岸二类水体区域;波长275～295 nm的光谱斜率和波长4...