湖泊水质遥感的几个关键问题

我国目前约有面积大于1km2的湖泊有3000个,绝大部分属高叶绿素和高悬浮物浓度水体,属于典型的Ⅱ类水体,物质组成多样,水体的光学辐射传输复杂,且有大范围的光学浅水.我国的湖泊水质/水色遥感虽然取得了一定进展,但借鉴海洋水色遥感的相关理论和经验,还需要解决以下四个关键问题:1)兼顾海洋沿海水质遥感,发展专用的静止卫星湖泊水质遥感器;2)在当前多光谱遥感资料基础上研发高光谱湖泊水质因子提取的遥感定量化模型,提高反演精度;3)深化湖底底质对湖泊水质/水质遥感影响研究,发展湖底水质遥感反射率精确计算模型;4)发展适用于湖泊水体区域性Ⅱ类水体大气校正方法,并集成反演、遥感产品制作、分发等技术,构建湖泊水体水质/水色业务化运行体系.     

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.     

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...     

基于实测光谱数据的太湖水华和水生高等植物识别

水华和水生高等植物的识别对于内陆水质遥感监测至关重要,其分布状况既可以用于表征水牛植物的分布状况,从而间接反映水质分布状况,又可以进一步利用非水华和水草的水体遥感数据进行水质参数反演.然而,常用的多光谱遥感数据很难精确识别水华和水草,只有高光谱遥感数据才能够捕捉水华、水草和水体细致的光谱差异,从而对水华和水草进行精确识别.但是目前还缺乏基于高光谱遥感数据的水华和水草识别的系统性研究.以太湖为研究区,于2006年7月和10月开展了2次水面光谱测量实验,获取了水华、浮叶植物、沉水植物和水体的反射率光谱.在光谱分析的基础上,首先建它了4种光谱指数,进而利用这4种光谱指数建立了水华、浮叶植物、沉水植物和水体的判别公式,并利用2006年10月水面实验测量的光谱数据训练得到了判别公式中的阈值.通过2006年7月水面实验测量的光谱数据的检验,证明提出的判别公式能够很好的识别水华和水草,获得了较高的识别精度.     

秋季太湖悬浮物高光谱估算模型

2004年10月,在太湖设置67个采样点,现场测量了水体遥感反射比、后向散射系数和辅助参数,实验室分析了水体的悬浮物浓度和水色要素吸收系数.本文在对遥感反射比光谱分析的基础上,比较了几种水体遥感反射比光谱估算悬浮物浓度的方法,结果发现广泛应用的带比值项的算法,虽然可以应用于太湖总悬浮物浓度估算,但是普遍存在相对误差较高的弱点.通过对光谱的分析,确定了750hm单波段算法的参数,并提出了利用近红外812nm波峰高度来估算水体悬浮物的方法.文中还详细阐述了为什么比值算法等在太湖水体悬浮物浓度估算中相对误差比较高,并解释了利用近红外估算精度高的原因,并指明以上算法在遥感应用中的优点和不足,以及现实水体(水质)遥感对现有遥感器配置和遥感算法的需求.     

基于叶绿素荧光峰特征的浑浊水体悬浮物浓度遥感反演

内陆水体光学特性复杂,其水质参数遥感反演是当前环境遥感研究的热点与难点.2004年10月在太湖实测了67个站点的遥感反射率与相应站点水质参数浓度,通过对水体反射率光谱的分析发现,秋季太湖悬浮物主导了水体光学特性,叶绿素荧光峰的特征主要体现为悬浮物浓度的变化.据此建立了基于水面实测岛光谱遥感反射率数据的叶绿素荧光峰特征与悬浮物浓度之间的拟合关系,发现二者具有很好的响应关系.具体分析了叶绿素荧光峰绝对高度、基线高度、归一化高度(分别归一化到560nm附近最大反射率波段与近红外810nm附近最大反射率波段)及荧光峰积分面积(包括积分总面积、基线以下面积与基线以上面积)等儿种光谱特征与悬浮物浓度之间的关系,其相关系数(R2)分别为0.8822、0.7483、0.8901、0.8547、0.8927、0.8877、0.8632,平均相对误差分别为27.25%、41.03%、27.11%、25.75%、24.91%、25.47%、27.54%.总体反演精度较高,其中总积分面积法效果最好,基线高度法效果最差,而叶绿索荧光峰波段的位移与悬浮物浓度之间不存在明显的相关性.研究结果表明叶绿素荧光峰特征在浑浊内陆水体悬浮物浓度信息提取中具有很好的应用前景,该方法可为浑浊的二类水体悬浮物遥感反演提供了一个新思路.     

基于浮油膜双光束干涉模型的油膜厚度遥感反演理论

海面浮油膜是海洋石油污染监测与海洋油气资源勘探的共同关注对象,其厚度的遥感定量反演是研究难点之一.随着油膜厚度的变化,入射光在浮油膜中的辐射传输有所不同,是海面浮油膜厚度光学遥感反演的理论依据.本研究将均匀分布的浮油膜视为一个平行平板,分析其可见光范围内的辐射传输过程,探讨油膜反射光的双光束干涉,构建以油膜厚度及其光谱反射率为变量的油膜厚度遥感定量反演模型,并结合菲涅耳公式进行模型参数的物理意义分析,揭示油膜厚度遥感定量反演的关键在于油膜的消光特性.利用油膜光谱响应实验数据,开展理论模型的分析与验证,结果表明：油膜厚度遥感定量反演的理论模型不仅具有明确的光学物理意义,同时也具有较好的模拟精度;浮油膜光谱反射率随厚度变化响应的主要因素是油膜对入射光的分子散射作用,该散射作用与入射光波长具有显著的关系,因此油膜光学遥感散射特性研究将有助于油膜种类识别与厚度的遥感定量反演;模型参数的理论意义与数据分析表明,建立典型油种油膜的模型参数查找表,将有效提高海面浮油膜厚度遥感定量反演的效率.     

吉林查干湖水体叶绿素a含量高光谱模型研究

叶绿素a含量能够在一定程度上反映水质状况,高光谱遥感可有效反演叶绿素a含量.该研究通过分析水体叶绿素a浓度与其高光谱反射特征之间的相关关系,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱和神经网络模型等多种算法建立了叶绿素a高光谱定量模型.结果表明:叶绿素a与单波段光谱在蓝、绿波段相关系数较低,而在红光与近红外波段有明显提高,微分光谱也表现出同样的趋势;反射率比值算法模拟效果好于线性回归法;神经元网络模型可以大大提高实测光谱数据的反演能力,确定性系数高达0.95.这为今后利用星载高光谱传感器在查干湖进行叶绿素a浓度大面积遥感反演提供了研究基础.     

太湖冬季有色可溶性有机物吸收荧光特性及遥感算法

基于2006年和2007年1月两次太湖采样,对50个点位的有色可溶性有机物(CDOM)光谱吸收、荧光、溶解性有机碳(DOE)浓度及遥感反射率进行测定与分析,探讨冬季太湖CDOM的吸收荧光特性及空间分布,建立CDOM吸收系数的遥感反演算法.结果表明,太湖冬季CDOM在355nm处吸收系数a(355)变化范围和均值分别为1...     

太湖水体遥感反演参数的空间异质性

空间异质性的存在,会导致水质参数遥感反演中的尺度效应,影响反演精度,因此通过分析水质参数空间异质性,对于选择适当分辨率的遥感影像,提高反演精度具有重要意义.通过2008年10月在太湖布置的3个样方,利用GIS地统计学原理和分形维数的方法,对水质遥感反演中的三要素浓度,包括叶绿素a(Chl.a)、总悬浮物(TSM)和溶解有机碳(DOC)的空间异质性及其可能产生的尺度效应进行了研究.结果表明:太湖水体的三要素浓度在不同样方单元中变异系数相差较大,存在着明显的尺度效应;三个样方内Chl.a变异函数曲线斜率在变程范围内变化都较为剧烈,分形维数较高,说明太湖水体Chl.a受到某种起主导作用的生态过程的影响和控制;Chl.a和TSM的空间结构比例都在90%左右,有较强的空间相关性,表明其空间异质性的产生主要是由于结构性因素引起的,随机性因素作用微弱;DOC空间结构比例较小,说明随机性因素对其空间异质性的产生起了主导作用.三个样方中Chl.a的变程分别为147.3m、129.3m和115.0m,TSM的变程分别为1131.7m、130.6m、149.1m,因此在遥感反演中可选择TM影像,选择5×5窗口,以150m×150m作为基本单元;而DOC的变程分别为34.3m、38.5m、26.4m,表明其自相关距离较小,建议直接选择分辨率为30m的TM影像,使实际测量值与遥感影像最小单元相对应,消除反演过程中的尺度效应带来的误差.该研究也表明,MODIS的像元尺寸(250、500、1000m)明显偏大,在太湖水体三要素反演过程中,由于空间异质性引起的尺度效应,会造成一定的误差.     

Experimental study on phosphorus release from sediments of shallow lake in wave flume

Influence of wave on sediment resuspension and nutrients release from sediments, collected from Lake Taihu and Lake Chaohu, was studied in flume experiments. Under strong-wave conditions, concentrations of suspended solids (SS), total phosphorus (TP) and dissolved total phosphorus (DTP) in overlying water were increased significantly following the sediments re-suspension. During the experiments on sediments of Lake Taihu and Lake Chaohu, TP concentrations increased 6 times and 3 times, and DTP concentration increased 100% and 70% more than it in presuspension, respectively. Concentration of soluble reactive phosphorus (SRP) of experiment on sediment of Lake Taihu increased 25%. During the massive sediment suspension, the dissolved phosphorus in pore water and much of the phosphorus adsorbed by the sediment particles were released into overlying water. The phenomena in this wave flume experiment are quite similar to the situation observed in situ of Lake Taihu. The critical wave stresses of sediment re-suspension are nearly equal. The change of concentrations of SS, TP, and SRP was the same as that in situ situation. This study showed that concentrations of TP and SRP in lake water could be increased significantly by wave disturbance. Phosphorus release was significantly enhanced by wave disturbance at the beginning of massive sediment re-suspension, but decreased later.     

Experimental study on phosphorus release from sediments of shallow lake in wave flume

Influence of wave on sediment resuspension and nutrients release from sediments, collected from Lake Taihu and Lake Chaohu, was studied in flume experiments. Under strong-wave conditions, concentrations of suspended solids (SS), total phosphorus (TP) and dissolved total phosphorus (DTP) in overlying water were increased significantly following the sediments re-suspension. During the experiments on sediments of Lake Taihu and Lake Chaohu, TP concentrations increased 6 times and 3 times, and DTP concentration increased 100% and 70% more than it in presuspension, respectively. Concentration of soluble reactive phosphorus (SRP) of experiment on sediment of Lake Taihu increased 25%. During the massive sediment suspension, the dissolved phosphorus in pore water and much of the phosphorus adsorbed by the sediment particles were released into overlying water. The phenomena in this wave flume experiment are quite similar to the situation observed in situ of Lake Taihu. The critical wave stresses of sediment re-suspension are nearly equal. The change of concentrations of SS, TP, and SRP was the same as that in situ situation. This study showed that concentrations of TP and SRP in lake water could be increased significantly by wave disturbance. Phosphorus release was significantly enhanced by wave disturbance at the beginning of massive sediment re-suspension, but decreased later.     

铜绿微囊藻和斜生栅藻生物光学模型

选取太湖"水华"优势藻类即蓝藻门中的铜绿微囊藻和绿藻门中的斜生栅藻作为研究对象,利用AC-S分别测量两种纯藻的吸收系数和散射系数对铜绿微囊藻和斜生栅藻的固有光学属性进行定性和定量分析,并建立其生物光学模型.结果表明:铜绿微囊藻的藻红蛋白吸收带和斜生栅藻的藻蓝蛋白吸收带的光谱吸收特性的差异性较为明显;粒径相对较小的铜绿微囊藻的包裹效应、吸收系数对散射系数的影响程度要明显小于粒径较大的斜生栅藻,铜绿微囊藻吸收系数的P-L模型的线性斜率和幂指数要大于斜生栅藻的吸收系数模型系数;由于散射系数受吸收系数影响程度的不同,使得散射系数光学模型变量因子具有一定的差异,受吸收系数影响较小的铜绿微囊藻的变量因子为波段比值λ_0/λ,λ_0为参考波长,而受吸收系数影响较大的斜生栅藻的变量因子为吸收系数比值a(λ_0)/a(λ),a(λ_0)为参考波段吸收系数,a(λ)为波长为λ的吸收系数,两种藻类的散射模型都符合国际上通用的S-P模型形式.     

基于随机森林的内陆湖泊水体有色可溶性有机物(CDOM)浓度遥感估算

水体中的有色可溶性有机物(CDOM)是湖泊生态系统中氮、磷等有机营养物质的重要来源,利用卫星遥感数据反演内陆水体中CDOM浓度一直是个挑战.因此本文基于滇池2009年9月、2017年4月以及太湖2016年7月的现场原位观测和室内实验,在分析水体固有光学特性的基础上,引入机器学习算法,建立了基于哨兵-3A OLCI传感器的我国内陆湖泊水体CDOM浓度随机森林反演模型.利用独立的验证数据集对所构建的随机森林模型及常用的波段比值模型、一阶微分模型、半分析模型、BP神经网络模型等的反演精度进行评价.结果表明:随机森林模型的均方根误差为0.14 m-1,平均相对误差为21%,与反演效果相对较好的BP神经网络模型相比,均方根误差降低了50%,平均相对误差降低了38%,反演精度得到了显著的提高.根据随机森林算法的特征重要性参数提供的各自变量影响力结果,发现B11(709 nm)和B6(560 nm)波段贡献率最大,是反演CDOM的敏感波段.最后将随机森林模型应用到滇池2017年4月12日、太湖2017年5月18日的哨兵-3A OLCI影像上,得到滇池、太湖水体CDOM浓度分布图.滇池CDOM浓度的分布特征大致符合东北、西南高,中西部低的趋势,且河口处的CDOM浓度高于湖泊水体,表明径流的输入给滇池水体带来了大量的CDOM.太湖CDOM浓度的分布特征大致符合西部高,湖心区和东部低的趋势.太湖西部以及北部梅梁湾受入湖河流影响较大,CDOM浓度较高,太湖开敞区远离河口处,受外源河流的影响逐渐减小,且由于湖水的不断稀释,CDOM浓度不断降低.太湖东部水生植物很多,湖水较为清澈,CDOM浓度较低.     

Estimation on dynamic release of phosphorus from wind-induced suspended particulate matter in Lake Taihu

The internal source, especially resuspension process of the sediments in lakes and its environ- mental effect has been paid shining attention in the West as well as in China[1—6] although the influence of external source is important to water environment[7]. S鴑dergaard et al. compared the releases of soluble reactive phosphorus (SRP) in the surface sediments of Lake Arres before and after disturbance and they found that disturbing can increase the release by 20—30 times[3]. Robarts and ot…     

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.     

太湖水体散射特性及其空间分异

利用Wetlabs公司研制的AC-S和BB9于2006年10月24目至11月2目对太湖水体的散射系数和后向散射系数进行了测量,在此基础上建立了太湖水体散射系数与后向散射系数之间的关系模型。用2种曲线函数模拟,即在蓝光波段使用S形曲线模型,在绿光和红光波段使用逆函数模型,各模型的MAPE和RMSE变化范围分别为0.027-0.156m^-1、0.005-0.050m^-1,模型整体预测精度都较高。研究发现后向散射系数与散射系数的空间分异现象明显,北部梅梁湾、湖心区、西部及西南部水域散射较强,而东太湖、胥口湾等东部水域的散射相对较弱。     

太湖夏秋季大型枝角类(Daphnia)种群消失的初步分析

水体温度过高和磷浓度是影响枝角类Daphnia存活和繁殖的重要因子,因此本研究假设太湖夏秋季水体高温和磷浓度是引起Daphnia种群夏秋季消退的原因.通过夏秋季两次为期各15d的模拟实验,模拟高温和添加磷盐对太湖春季优势种同形溞Daphnia similis种群的影响,结果表明在高温和不添加磷盐的条件下,同形溞均有较高的种群增长率,证实夏秋季太湖水体高温和磷浓度不是限制Daphnia种群的因素,同时推测,鱼类的捕食作用和微囊藻水华对Daphnia种群的消退可能起作用.     

太湖水中光辐射传输的数值模拟

水体的初级张产力状況在很大程度上取决于水沐光学状況,与透光层深度Zeu密切联系。Zeu这类表观光学属性取决于光辐射在水中的传输状况,最终取决丁水体：本身的微 物邢汴质如吸收和散射等。本文根椐太湖悬浮质的实测资料计界所得的水体固有光学参位,利用数值模拟的方法研悬浮质浓度垂直梯变的太湖水体中光辐射的传输情況并讨论了诸因子的影响。