湖泊水色遥感研究进展

从卫星传感器、大气校正、光学特性测量、生物光学模型及水体辐射传输、水质参数反演方法等方面,系统分析了湖泊水色遥感的发展现状.湖泊水体物质组份的复杂性以及卫星传感器与实际需求的矛盾决定了湖泊水色遥感的难度.目前湖泊水色遥感在一些关键问题上仍没有实质性进步,离水色遥感监测的业务化尚有一段距离.令人欣慰的是,卫星传感器以及水色遥感反演算法的不断发展和进步,让我们看到了胜利的曙光.     

太湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演

以富营养化污染严重的太湖为研究区,设计并实施了2次太湖航空遥感综合实验,获取了太湖7条航带、冬夏两个时相的航空高光谱遥感图像;通过6次太湖地面试验,采集了多时相的太湖水体固有光学量和表观光学量数据,分析了它们的空间分布规律,建立了单化固有光学量数据库;面向叶绿素、悬浮物和黄色物质3种典型水质参数,发展了基于生物光学模型和单位固有光学量数据库的水质参数反演分析方法;利用航空高光谱遥感器Will图像和航天高光谱遥感器CHRIS图像对这些方法进行了检验,获得了较好的水质参数图像反演结果.     

非传统湖泊水色遥感的现状与发展

外界环境条件以及自身因素的驱动,改变了传统湖泊水色遥感垂向均一的理论假设前提,基于垂向非均匀条件的湖泊水体水色参数的遥感称之为非传统湖泊水色遥感.本文分析了传统水色遥感面临的挑战,且非传统湖泊水色遥感中藻类叶绿素a浓度的垂向分布类型及其定量表达、水下光场分布的定量表达模型与数值模拟方法,给出垂向异质水体遥感反射比的定量表达式,分析了藻类垂向异质对水色参数遥感反演模型的影响,最后提出下一步需要重点关注的问题.     

基于半分析模型的波段最优化组合反演混浊太湖水体叶绿素a

内陆水体叶绿素a浓度定量反演是水质遥感的热点与难点.本文基于对内陆水体叶绿素a、悬浮物、溶解有机物与水分子的光谱特征分析,从半分析生物光学模型出发,利用太湖实测的水面 ASD 高光谱遥感数据三波段组合,进行迭代优化,得到与叶绿素浓度密切相关而受悬浮物与黄色物质影响小的最优波段组合模型,反演精度较高,其决定系数和均方根误差分别为 0.8358、3.816mg/m3,该方法可以有效地反演高浓度悬浮物主导光学特性的水体叶绿素a浓度.     

湖泊光学研究进展及其展望

从湖泊光学研究理论框架、研究方法、水体生物光学特性、有色可溶性有机物(CDOM)生物地球化学循环、光与浮游植物相互关系、沉积物再悬浮光学效应、湖泊水色遥感等几个方面全面回顾了湖泊光学研究进展.湖泊光学研究理论框架主要包括各光学组份吸收、散射、漫射衰减及辐射传输方程;近年来,逐步发展了野外时空格局调查、水动力水华过程连续...     

Lee生物光学模型在不同水体组分特性下的适用性

辐射传输模型和生物光学模型均可用于模拟水体遥感反射率.前者模拟精度高,但计算复杂.不利于水质参数的反演;后者简便易反演,但在浑浊水体中的模拟精度还有待进一步检验.本文通过设计大量不同组分浓度组成的水体,以辐射传输模型(即Hydrolisht模型)模拟结果为真值,对生物光学模型(即Lee模型)模拟二类水体遥感反射率的精度...     

基于环境一号卫星高光谱遥感数据的巢湖水体叶绿素a浓度反演

三波段模型是基于生物光学模型构建的叶绿素a浓度反演半分析模型,是目前反演内陆富营养化浑浊水体叶绿素a浓度效果较好的方法.本文通过星地同步实验,分析巢湖水体各组分光谱特征,分别基于地面实测数据与环境一号卫星高光谱遥感数据建立三波段模型反演巢湖水体叶绿素a浓度.结果表明,由于特征波段在不同数据源的位置不同,导致了两个模型波段选择及反演精度的差异.因此,只有在充分考虑遥感数据的光谱特征的条件下,分析遥感信息理论和实际图幅影像有效结合在一起的地物信息,才能进一步优化三波段模型的波段选择,实现遥感数据定量反演水体叶绿素a浓度的目标.     

基于地面实测光谱的太湖水体富营养化水平估算

富营养化指数是评价水体污染情况的一个重要的综合性指标．通过对高光谱遥感数据和水体富营养化指数的分析,确立了反演水体富营养化水平的高光谱敏感波段,进而用选择的敏感波段和波段组合来建立模型．通过对几个模型的比较,选出了较为理想的估算模型．最后对模型进行精度分析,认为该模型具有一定的可靠性和实用性．从而确定了直接由高光谱遥感数据监测水体富营养化水平的可能性,为实现由高光谱遥感数据开展大范围的水质调查奠定了一定的理论基础．     

近岸Ⅱ类水体表层悬浮泥沙浓度遥感模式研究进展

因为具有明显的时间与空间分辨率优势,遥感数据成为近岸Ⅱ类水体悬浮泥沙浓度(SSC)信息提取研究的重要数据源之一.悬浮泥沙遥感信息提取的现状可归纳为:(1)建立近岸Ⅱ类水体SSC遥感模式的方法有三种类型,分别是基于地面光谱与SSC测量的反射率反演方法、基于图像信息法和基于大气辐射传输理论模型法;(2)基于地面测量的反射率反演方法属于理论与经验相结合的方法,也是目前用于SSC定量化遥感模式研究的常用方法.其数学表达形式包括线性关系式、对数关系式、负指数关系式、Gordon模式和综合模式等;(3)到目前为止已有的Ⅱ类水体SSC遥感模式适用性方面还不理想,远未达到与试验室分析相匹配的精度.文章认为:加强地面水文光谱实验研究,建立多光谱SSC定量模式,以高分辨率和高光谱遥感融合数据为基础的SSC定量遥感是今后该方向发展趋势.     

结合高光谱数据反演吉林石头口门水库悬浮物含量和透明度

水中悬浮物含量是评价水环境质量的一个重要参数,它可影响水体透明度、混浊度、水色等光学性质,决定太阳光照在水下的分布和浮游植物对光照的利用,并最终影响水体的初级生产力.本文利用长春市石头口门水库的高光谱实测数据和水质采样分析数据,尝试通过一阶微分法建立悬浮物估测模型,再用估测结果反演透明度信息.结果表明:用590nm处的一阶微分光谱值建立的悬浮物估测模型的决定系数R2和均方根误差(RMSE)分别为0.76、9.09 mg/L,验证模型的R2和RMSE分别为0.79、7.15 mg/L;石头口门水库上游严重的水土流失导致透明度受悬浮物含量影响较大,两者存在明显的指数关系,相关系数r为-0.80,用悬浮物含量建立的透明度估测模型的R2和RMSE分别为0.79和0.12 m,验证模型的R2和RMSE分别为0.82、0.11 m.显著水平均为p＜0.01.研究结果表明,该方法用于石头口门水库悬浮物含量和透明度的定量遥感结果较理想.     

太湖秋季水体遥感反射比的简单经验估测模型

2004年10月现场测量了太湖水体的遥感反射比、后向散射系数以及其他必要参数,实验室测量了水体的悬浮颗粒物质浓度.首先把太湖划分为3个大区,即遥感反射比受湖底影响的区域(影响区)、不受湖底影响的区域(非影响区)以及可能受湖底影响的区域(可能影响区),然后再把太湖分为高混浊、中混浊、低清澈以及高清澈等4类水体类型,分别列出了各种水体区域类型的相关属性数据.在整个太湖区域范围内,建立了后向散射和悬浮颗粒物质浓度的经验回归模型;仅在非影响区内,建立了遥感反射比和后向散射的经验回归模型,并可以利用悬浮颗粒物质浓度直接估测遥感反射比.最后详细分析了模型的精度.     

Lake Volume Monitoring from Space

Lakes are integrators of environmental change occurring at both the regional and global scale. They present a wide range of behavior on a variety of timescales (cyclic and secular) depending on their morphology and climate conditions. Lakes play a crucial role in retaining and stocking water, and because of the significant global environmental changes occurring at several anthropocentric levels, the necessity to monitor all morphodynamic characteristics [e.g., water level, surface (water contour) and volume] has increased substantially. Satellite altimetry and imagery are now widely used together to calculate lake and reservoir water storage changes worldwide. However, strategies and algorithms to calculate these characteristics are not straightforward, and specific approaches need to be developed. We present a review of some of these methodologies by using lakes over the Tibetan Plateau to illustrate some critical aspects and issues (technical and scientific) linked to the observation of climate change impact on surface waters from remote sensing data. Many authors have measured water variation using the limited remote sensing measurements available over short time periods, even though the time series are probably too short to directly link these results with climate change. Indeed, there are many processes and factors, like the influence of lake morphology, that are beyond observation and are still uncertain. The time response for lakes to reach a new state of equilibrium is a key aspect that is often neglected in current literature. Observations over a long period of time, including maintaining a constellation of comprehensive and complementary satellite missions with service continuity over decades, are therefore necessary especially when the ground gauge network is too limited. In addition, the design of future satellite missions with new instrumental concepts (e.g., SAR, SARin, Ka band altimetry, Ka interferometry) will also be suitable for complete monitoring of continental waters.     

环境一号卫星高光谱遥感数据的内陆水质监测适宜性——以巢湖为例

环境一号星座的A星(HJ-1A)上搭载了超光谱成像仪(HSI),它是具有高光谱分辨率的全新国产遥感数据源,为水质遥感特别是内陆水质遥感提供了新的高光谱数据.但HSI影像的处理方法尚不完善,在广泛应用于水质遥感前对其进行质量研究和评价非常必要.本文针对HSI数据在巢湖水质监测应用方面的适宜性,对信噪比和数据真实性、倾斜条...     

Linking human-biophysical interactions with the trophic status of Dal Lake,Kashmir Himalaya,India

The study analyses the long-term biophysical and demographic changes in Dal lake, located in the heart of Srinagar city, Kashmir India, using a repository of historical, remote sensing, socio-economic and water quality data supported by the extensive field observations. The lake faces multiple pressures from the unplanned urbanization, high population growth, nutrient load from intensive agriculture and tourism. The data showed that the lake has shrunk from 31 km² in 1859–24 km² in 2013. Significant changes were observed in the land use and land cover (LULC) within the lake (1859–2013) and in the vicinity of the lake (1962–2013). Analysis of the demographic data indicates that the human population within the lake has shown more than double the national growth rate. Additionally, 7 important water quality parameters from 82 well distributed sites across the lake were analyzed and compared with the past data to determine the historical changes in the water quality from 1971 to 2014. The changes in the LULC and demography have adversely affected the pollution status of this pristine lake. Ortho-phosphate phosphorous concentration has increased from 16.75 μg L⁻¹ in 1977–45.78 μg L⁻¹ in 2014 and that of the nitrate-nitrogen from 365 μg L⁻¹ to 557 μg L⁻¹, indicating nutrient enrichment of the lake over the years. Built-up area within the lake has increased 40 times since 1859, which, together with the changes in the population and settlements, have led to the high discharge of untreated nutrient-rich sewage into the lake. Similarly the expansion of floating gardens within the lake and agriculture lands in the catchment has contributed to the increased nutrient load into the lake due to the increasing use of fertilizers. The information about the existing land cover, demography and water quality was integrated and analyzed in GIS environment to identify the trophic status of the lake. The analysis indicated that 32% of the lake falls under sever degradation, 48% under medium degradation while as 20% of the lake waters are relatively clean. It is believed that the results provide improved knowledge and insights about the lake health and causal factors of its degradation necessary for effectively restoring its ecological and hydrological functionality.     

北方半干旱区土地利用/覆被变化对湖泊水质的影响:以岱海流域为例(2000—2018年)

土地利用/覆被变化对明晰气候变化和人类活动对湖泊水环境的影响有重要作用.以北方典型农牧交错的岱海流域为研究对象,基于遥感解译技术、马尔可夫转移矩阵、综合污染指数法等方法,对2000-2018年岱海流域土地利用/覆被和湖泊水质的变化进行分析,并结合冗余分析法和计量分析模型探究长时间序列尺度下土地利用/覆被变化对湖泊水质的影响.结果表明:近20年来,岱海流域的土地利用/覆被类型以耕地和草地为主,其变化特征主要是草地和林地转化为耕地,水域转化为季节性河流,岱海转化为内陆滩涂、沼泽草地和灌丛沼泽;岱海湖泊水质因子高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷和总氮浓度存在不同程度的超标现象;岱海、湿地、林地对水质具有积极的改善作用,耕地、草地、建设用地是加剧水质污染的主要原因.该研究为岱海湖泊流域土地资源合理利用、湖泊水质改善和生态保护提供了一定的科学理论依据.     

基于长时间序列(1975—2020年)生态耗水的岱海动态生态需水分析

生态需水是湖泊生态系统的重要指标,维持着湖泊生态系统的良性循环.以内蒙古中部半干旱湖泊岱海为研究对象,对湖泊动态生态需水进行分析.本研究在遥感和气象数据的基础上,获得1975-2020年长时间序列高精度水文要素数据,分析岱海水文要素时空演变规律;通过天然生态水深分析法、水深经验频率分析法和湖泊形态分析法分析岱海的水深随面积变化的关键水深;构建基于生态耗水规律的湖泊生态需水模型,计算自然状态下岱海生态需水动态变化范围.研究结果如下:岱海地区6-9月为丰水期,10月至次年5月为枯水期;45 a以来岱海水面面积呈显著下降趋势,近年来下降速率减缓;枯水期岱海适宜生态水深为8.72~9.92 m,丰水期为9.40~10.69 m,适宜生态需水量为5.62亿~7.71亿m³,适宜湖面面积为70.92~84.77 km².本文构建了长时间序列气候水文数据库,确定岱海动态生态需水范围可以实现对湖泊生态健康的实时监测,为相关规划与管理提供科学依据及可操作性指导,从而为岱海湖泊治理提供理论参考.     

遥感技术在古丹阳湖演变研究中的应用

根据1987—1988年太湖实测水质数据,利用系统动态聚类分析方法,将17个指标按营养盐、有机质、有毒有害物质三种污染类型进行综合评估,获得了太湖水域各类污染指标空间分布态势及差异特点,揭示了太湖现存的三种污染模式及地域分布状况,为进一步治理和改善太湖水质提供依据。