水质关键因素光谱遥感监测技术分析

针对传统水体水质分析方法过度依赖于实地测量和实验室化学分析,需要耗费大量人力物力且效率不高的问题,从水质遥感监测数据获取手段、典型反演监测模型、不同水体光谱遥感监测应用状况、水质遥感监测技术应用及前景等方面分析归纳了使用遥感技术监测水质的新方法。从可用数据类型、数据特征等方面对水质遥感监测数据获取的3种主要手段进行了比较;从复杂程度、使用场景、优缺点等方面对4种典型的反演模型进行了归纳;对遥感数据和模型在Ⅰ类和Ⅱ类水体应用中的常用组合方式进行了分析总结。     

高分一号WFV影像的深圳市水库CODMn浓度时空分布特征

COD_Mn是反映水体有机污染程度的一个重要水质参数。地表水有机污染遥感监测主要面临两个挑战：技术方法大多基于经验模型,依赖大量实测数据;有机污染评价的综合性指标,水质参数不明确。针对上述问题,本文从辐射传输机理出发,基于研究区水体特征,考虑悬浮泥沙、叶绿素、耗氧性有机物3大水质因子,提出一种反演机理清晰、参数意义明确的像元反射率与COD_Mn浓度的物理模型。通过深圳市3大水库COD_Mn浓度反演与验证,决定系数R²达到0.832,模型方法可靠明。对3大水库COD_Mn浓度时空分布特征研究,结果表明：(1) 3大水库总体COD_Mn浓度不高,受到轻度有机污染。(2)浓度高值区多在库角居民区附近,水库连接处未出现污染扩散。(3) 2018年3月—2019年5月,库区水质改善,与2018年深圳市治水专项活动背景保持一致,建议水库水质保护核心是控制外源污染,避免丰水期污染源的输入。本文的模型方法是基于广东省典型水体光学参数,而水体固有光学特征具有季节差异,未来将进一步研究...     

一种计算水体中悬浮物后向散射系数的方法

基于生物光学模型的水质参数反演分析方法是水质遥感监测算法的发展趋势.分析方法中需要以水体中悬浮物后向散射系数作为参数.水体中悬浮物后向散射系数目前主要有3种测量方法,但是这些方法要么因为仪器稀缺而无法普及,要么测量精度不高.提出了一种计算水体中的悬浮物后向散射系数的方法,该方法利用水面比较容易测量的反射率光谱和实验室内比较容易测量的水体各组分的吸收系数光谱,基于生物光学模型推导得出水体中的悬浮物后向散射系数.利用太湖梅梁湾试验区获取的数据检验了这种方法,并取得了较好的效果.这种方法的主要优势是:它基于生物光学模型,有严密的理论基础,具有较高的精度和通用性;另外,它使用的数据比较容易测量,方法容易实施,可为水质参数反演分析方法的建立奠定坚实的数据基础.     

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。     

昆承湖水质状况遥感监测与空间特征分析

针对镇域水资源常规的监测方法不能满足对水质适时、大尺度的监测评价要求等问题,该文以江苏常熟辛庄镇昆承湖为例,分析叶绿素a(Chl-a)和悬浮物(SS)浓度值与水体归一化反射光谱、一阶微分反射光谱特征的关系,运用PEARSON法分析两者之间的相关性,确定Chl-a和SS的敏感波段,利用Chl-a和SS敏感波段归一化光谱反射值和实测浓度数据建立了水质参数反演模型。采用同时相ETM遥感数据对水质参数(叶绿素a和悬浮物)浓度进行遥感定量反演,并根据反演结果分析镇域水体污染空间分布特征。结果表明,对水质参数几个最大正(负)相关的光谱值进行波段组合处理可以提高反演精度,并且模型反演值和实测浓度值之间误差较低。通过对叶绿素、悬浮物等水质参数反演实现了对昆承湖水体污染状况的快速、准确和动态的信息获取和评价,有效地实时监测镇域水体在空间和时间上的变化状况和特性。     

基于光谱特征的三峡坝区水色要素反演

基于野外测定的水质参数,通过研究三峡坝区水体中水色要素浓度与反射率之间的关系,选择反演叶绿素、悬浮物、溶解性有机物的最佳波段,建立了反演水色要素浓度的遥感定量模型。研究表明,在波段比值的基础上进行幂次修正的波段组合反射率与SS浓度相关性较好(R2=0.76),可以用来估算悬浮物浓度;悬浮物浓度影响叶绿素浓度的反演精度,通过在模型中增加一个红绿波段比值指数项的方法能够抑制或削弱悬浮物的影响,提高了叶绿素浓度的反演精度(R2=0.75);DOC反演模型中,绿光波段与红光波段反射率的对数值能较好的估算DOC浓度,且与log(DOC)相关程度最高,决定系数为0.85,反演精度较高。     

基于高原盐湖光谱特性下的溶解氧反演应用与探讨

因地理条件限制,盐湖高光谱反演研究目前尚少,文章以盐湖溶解氧的反演为例,探讨盐湖水质参数的反演思路与方法.通过对青海察尔汗盐湖水体高光谱数据的信息分析,在高光谱水质参数反演技术基础上利用盐湖水体的独特光谱信息,采用波段组合的方式确定了盐湖高光谱溶解氧反演模型.研究结果表明:①原始光谱曲线各个波段与溶解氧含量相关性不足0...     

白洋淀水体总磷总氮高光谱估算模型比较

总磷(TP)、总氮(TN)是水质富营养化的重要指标，亦是水质监测的主要参数。具有快速高效、无二次污染等特点光谱法水质监测是当今水环境遥感分析研究的热点。针对水体TP、TN反演模型采用实验室标准液或野外全样本进行建模时，各种水质参数的相互影响及预测值超出建模样本值域的可能，使得实际的预测效果并不理想的情况。本文以白洋淀实验区的实际水体样本为反演模型的输入值，在确定最优相关波段和最佳反演模型的基础上，讨论了5种不同浓度范围场景下的样本建模对反演模型的影响，同时剖析了模型对超出建模浓度值样本的预测能力。结果表明：建模样本浓度覆盖预测样本时，反演模型决定系数R²>0.6,TP、TN浓度预测值的平均偏离度ARE<20%；建模浓度高于预测样本时，R²在0.6左右，对超过建模浓度范围12%以内的预测值，其ARE<25%；建模浓度低于预测值时，R²介于0.4—0.5，预测值超过建模样本浓度一倍时，ARE≤30%；建模样本浓度位于预测值两侧时，R²可达0.8,ARE<25%；建模样本浓度值介于...     

天津滨海新区地表水悬浮物浓度遥感反演研究

针对传统的实地地表水水质监测测量方法费时费力,且存在监测布设点有限,无法反映水质的时空变化情况等问题,该文以天津滨海新区的Landsat-8卫星影像作为数据源,将实地水样采集、实验室测量分析和遥感影像不同波段像元亮度值结合,对滨海新区海河水体的悬浮物浓度,分别建立基于统计回归和神经网络的两种经验算法反演模型。结果表明,神经网络模型的反演结果能较准确地反映实际水体的悬浮物浓度分布情况,为该地区地表水水质监测提供一种可行的解决方案。     

草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测

草型湖泊水质遥感监测中水生植物会造成“水体—水生植物”混合像元问题,针对因混合像元导致草型湖泊水生植物覆盖区域水质难以直接利用遥感监测的问题,本文以草型湖泊微山湖为研究对象,提出定性和定量相结合的总悬浮物浓度和浊度分区监测方法,实现微山湖水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化监测。基于获取的2014年7月—2015年6月覆盖微山湖的多期高分一号（GF-1） WFV和HJ-1A/1B CCD影像,利用归一化水体指数将微山湖区分为水生植物覆盖区和水体区。针对水生植物覆盖区,利用时序MODIS NDVI数据获取微山湖主要水生植物的时谱曲线,识别不同水生植物的物候特征;基于不同物候期内的水生植物对总悬浮物浓度和浊度的指示作用,对微山湖水生植物覆盖区水体总悬浮物浓度和浊度进行定性监测。针对水体区,分别构建水体总悬浮物浓度和浊度的单波段/波段比值模型和偏最小二乘模型,定量反演微山湖水体区总悬浮物浓度和浊度。研究结果表明,微山湖中水生植物以光叶眼子菜、穗花狐尾藻和菹草等沉水植物为主,其中光叶眼子菜/穗花狐尾藻和菹草的空间分布和物候特征存在明显差异,不同水生植物在不同物候期内对水质具有不同的指示作用;微山湖水体总悬浮物浓度和浊度具有显著的空间变异性,基于定性和定量相结合的方法可以有效监测微山湖水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化规律。本文提出的定性和定量相结合的监测方法为草型湖泊水质监测的业务化应用提供了新思路。     

Android智能手机GNSS数据质量分析

随着全球卫星导航系统(GNSS)的不断建设,智能手机基于移动位置服务(LBS)得到了迅猛发展.文中选取市面上常见的3种手机机型,包括:三星S9+(Exynos)、华为Mate30和华为P40 Pro作为研究对象,并使用北斗星通UR4B0-D高性能GNSS接收机进行同步静态观测实验,从卫星可见数、载噪比(CNR)、卫星高...     

Classifying Human Activity Patterns from Smartphone Collected GPS data: A Fuzzy Classification and Aggregation Approach

Smartphones have emerged as a promising type of equipment for monitoring human activities in environmental health studies. However, degraded location accuracy and inconsistency of smartphone‐measured GPS data have limited its effectiveness for classifying human activity patterns. This study proposes a fuzzy classification scheme for differentiating human activity patterns from smartphone‐collected GPS data. Specifically, a fuzzy logic reasoning was adopted to overcome the influence of location uncertainty by estimating the probability of different activity types for single GPS points. Based on that approach, a segment aggregation method was developed to infer activity patterns, while adjusting for uncertainties of point attributes. Validations of the proposed methods were carried out based on a convenient sample of three subjects with different types of smartphones. The results indicate desirable accuracy (e.g. up to 96% in activity identification) using of this method. Two examples are provided in the Appendix to illustrate how the proposed methods could be applied in environmental health studies. Researchers could tailor this scheme to fit a variety of research topics.     

一种基于智能手机的实时高精度定位系统开发与车载应用测试北大核心CSCD

手机GNSS芯片可支持多模GNSS观测信号,其提供的原始观测量为高精度导航定位提供了可能,智能手机高精度导航定位成为研究热点之一。本文首先基于自研的反向RTK算法,设计并开发了一套基于智能手机的实时高精度定位系统,降低手机的计算压力;然后基于智能手机小米8,进行了大范围(覆盖深圳、武汉、北京)、多场景(城市开阔/遮挡,高速开阔/遮挡)的动态车载应用测试,用于验证系统的可靠性和可用性。测试结果表明:系统在各场景下均能稳定有效运行,在开阔环境下,小米8可实现亚米级的实时动态定位精度,精度最优可达0.21 m。     

黄浦江上游水域的多光谱遥感水质监测与反演模型

运用遥感、GPS定位技术对黄浦江上游淀山湖及支干流水环境质量中的水质污染进行了监测,探讨了以实际监测数据与遥感多光谱特征数据建立溶解氧和透明度两种水质参数的遥感反演数学模型。结果表明,利用遥感技术和数据能有效地监测水质污染状况与分布情况,是一种较为快速、可行的监测手段。     

手机GNSS数据质量提取的变分模态分解法

观测噪声提取是数据质量分析与随机模型构建的基础.当前手机GNSS观测噪声提取主要采用三阶差分法与历元间差分法,这些方法的提取结果都会受到卫星相关性和历元间相关性的影响.本文提出结合变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)提取手机观测噪声的方法.模拟分解试验表明:VMD能够较好...     

Android智能手机GNSS高精度实时动态定位

本文基于智能手机GNSS观测值的质量和性质,利用手机载波相位观测值不确定度进行粗差处理,使用星间单差法消除智能手机伪距和载波相位观测值之间差值不固定特性的影响,针对手机观测值修改滤波过程中的观测值噪声方差数值,采用不固定载波相位整周模糊度的常加速度动态单频Kalman滤波模型实现实时PPP和RTK两种定位方法,提高手机实时GNSS定位精度。使用某智能手机进行验证,单频实时动态PPP定位在99s内达到稳定状态,平面定位精度为1.51 m,高程精度为2.79 m;RTK定位在27 s内达到稳定状态,平面定位精度为0.73 m,高程精度为0.78 m。测试结果表明目前智能手机的GNSS定位模块具有提供更加精准的位置服务能力,甚至在某些特定场景下具有实施测绘作业的潜能。     

苏州运河水质的TM分析

本文利用苏州地区陆地卫星TM数据和同期的地面水质监测资料建立了TM图像遥感水质模型,并将该模型应用于TM可见光彩色合成图像的分割处理,得到苏州地区水质空间分布图像。结合苏州运河水网的水文及水污染特征对遥感水质空间分布图像作了分析。结果表明TM数据真实地反映了苏州地区水质的空间分布规律,并得到当地环境监测部门的验证。     

智能手机多频多系统实时动态的定位性能分析

随着位置服务的发展,人们对定位精度的需求不断提升. 目前智能手机定位主要依赖于全球卫星导航系统(GNSS)芯片所提供的芯片解,其精度仅为米级. 2016年,谷歌宣布允许开发者获取手机GNSS原始观测数据,为研究手机GNSS高精度定位算法提供了支持. 为探索智能手机多频多系统实时动态(RTK)的定位精度和可靠性,文中基于华为P40智能手机开展了静态和动态环境下的多频多系统RTK的定位性能分析. 结果表明:在静态环境下,智能手机多频多系统的RTK定位精度要优于芯片解,在东(E)、北(N)、天(U)三个方向的定位误差均方根(RMS)分别为0.20 m、0.39 m和0.31 m,比芯片解提高了57%、71%和75%;在动态环境下的定位精度依然能够达到分米级,相比于芯片解在E、N、U三个方向上的定位精度提高了37.84%、47.22%、53.68%.      

面向重大公共卫生事件的位置服务技术: 以COVID-19疫情为例

基于城市三维（three-dimensional, 3D）模型的阴影匹配（shadow matching,SM）方法能有效提高城市峡谷中过街方向的卫星定位精度;但是手机接收的信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）波动过大,而且传统方法无法区分位于平行街道的位置,容易引起较大的跨街道误差。提出了一种改进的手机SM定位方法。首先,针对手机采集卫星信号的SNR波动过大的问题,提出采用低通滤波的方法减小SNR波动,从而提高卫星实测信号可见性分类的准确性及稳定性。在此基础上,针对跨街道误差问题,提出了基于SNR滤波的聚类阴影匹配（cluster shadow matching,Cluster-SM）方法,将高分候选点按照位置分组,并根据组内有效点的个数确定点集,从而确定用户的最终位置。实验结果表明,SNR滤波方法将SNR分类的错误率由5%~30%降低至0%~20%;基于SNR滤波的Cluster-SM方法将动态实验中传统卫星定位结果的精度由19.4 m提高至2.1 m,显著地提高了跨街道的手机定位精度,为车辆及行人导航等应用提供了参考。     

智能手机移动测量方法的设计与实现

近年来,智能手机在快速的发展过程中逐渐集成了多种传感器,包括位置传感器、磁力计和加速度计等姿态传感器和数码相机等;同时,由于它所具备的体积小、成本低的优点,为实现手机影像移动量测提供了可能。本文通过Android系统平台及智能手机集成的多传感器,提出了一种新型的智能手机影像量测方法。该方法首先对手机相机进行标定获取内方位元素,并进行Android应用程序的开发,在获取影像数据的同时获得手机的位置姿态数据;然后对影像数据进行特征点提取、匹配及错误点删除,并根据位置姿态数据和同名点图像坐标,利用空间前方交会计算目标点的三维坐标;最后通过光束法平差进行整体优化。试验结果表明该方法获取的位置信息可达到较高的精度.