曹妃甸近海表层悬浮泥沙遥感定量监测研究

在曹妃甸近海水体实测光谱数据分析的基础上,与同步采集的水体悬浮泥沙浓度进行相关分析,选用合适的TM数据的遥感变量参数,根据2008年实测的四个剖面29个站点的海洋水色数据建立了水体悬浮泥沙浓度与TM数据对应的遥感定量反演模型,并用18个独立样本点进行了精度评价.研究结果表明:曹妃甸近海水体光谱曲线基本呈现单峰现象,敏感...     

近海Ⅱ类水体的MODIS影像大气校正方法

利用光谱辐射传输理论对Gordon大气校正算法进行了修正，提出用解析的方法分离红外波段748nm和869nm的离水辐射量与气溶胶的贡献，实现对近海Ⅱ类水体的大气校正，使之更适用于我国高悬浮泥沙和高气溶胶浓度海区。海上准同步实测数据表明，本文算法的校正精度比传统方法高，且能适用于影像中找不到理想Ⅰ类水体的情况，解决了近海水色数据大气校正问题。     

杭州湾HJ CCD影像悬浮泥沙遥感定量反演

利用环境小卫星CCD(HJ CCD)影像对杭州湾悬浮泥沙浓度(SSC)进行了反演研究。通过对杭州湾水体遥感反射率(Rrs)与SSC进行相关性分析发现,在690nm和830nm左右出现显著的反射峰,分别位于HJ CCD影像的第3和第4波段范围内;大于700nm波长处的Rrs与SSC相关性较好。基于实测Rrs和SSC之间的相关关系,利用第4和第3波段比值作为遥感因子建立SSC反演模型,模型决定系数达到0.90。借鉴近红外-短波红外(NIR-SWIR)结合的大气校正方法反演出的准同步MODIS气溶胶数据,实现了HJ CCD影像的大气校正,第3、第4波段的大气校正结果相对误差分别为5.54%和6.97%。结果显示,HJ CCD影像反演的SSC相对误差为7.12%;杭州湾悬浮泥沙浓度要显著高于长江口,且内部差异明显。研究表明,通过适当的大气校正方法和反演算法,HJ CCD影像可用于杭州湾悬浮泥沙浓度的估计。     

随机森林回归模型的悬浮泥沙浓度遥感估算

三峡工程蓄水以来,清水下泄,坝下游河段发生了长时间、长距离的沿程冲刷,河流悬浮泥沙浓度发生改变,给沿岸生态系统带来了不利影响。随机森林算法灵活、稳健,已被广泛应用于各类生态环境变量的回归预测分析,但其在水体悬浮泥沙浓度估算方面的能力尚未得到充分认识。基于泥沙站点监测数据和MODIS卫星遥感反射率数据,通过构建随机森林非参数回归预测模型,对三峡工程坝下游宜昌至城陵矶河段在建坝前后14年间(2002年—2015年)各月的悬浮泥沙浓度进行遥感估算。研究表明:(1)基于随机森林的悬浮泥沙浓度估算模型表现较好,模型预测值与实测值间相关性好、预测精度高,优于其他模型(线性回归、支持向量机、人工神经网络模型)。(2)在参与模型构建的MODIS波段变量中,红波段被认为是最重要的预测变量,但不能单独使用它进行预测,悬浮泥沙遥感预测需要多变量共同参与。(3)将悬浮泥沙数据按季节分类所构建的随机森林模型,其平均误差为0.46 mg/L,平均相对均方根误差为12.33%,估算效果最优,能够满足较高精度下悬浮泥沙浓度估算的需求。综上,可以考虑以季节为划分依据,用随机森林回归模型估算悬浮泥沙浓度,并用于后期坝下游河道悬浮泥沙浓度时空反演。     

基于HICO模拟数据的杭州湾水体悬浮物浓度遥感反演

以杭州湾及其邻近海域为研究区,利用现场实测光谱模拟了近海高光谱成像仪(hyperspectral imager for the coastal ocean,HICO)波段,并在光谱特征分析的基础上确定特征波段,通过比较单波段、波段比值和反射峰面积等算法,建立了该海域悬浮物的遥感反演模型,并采用均方根误差和相对误差进行精度评价。研究结果表明,利用724. 84 nm与461. 36 nm波段光谱反射率比值建立的模型精度较高;模型的决定系数为0. 925 2,反演得到的悬浮物浓度与实测悬浮物浓度之间的均方根误差为14. 09 mg/L,平均相对误差为5. 2%。本研究对利用HICO模拟数据反演近海岸水体悬浮物具有一定的参考意义。     

近海Ⅱ类海水反射率与表面悬浮泥沙相关性的研究

阐述了1998年5月2日至27日“东海重点试验区水下光谱观测”试验期间,利用上海技术物理研究所研制的PIS-B型光谱辐射计测得的现场光谱数据和用常规吊桶表面水质取样,经实验室泥沙样和光谱数据处理后,用最小二乘法建立光谱反射率与表层悬浮泥沙浓度之间的关系。结果表明,水体表面的光谱反射率与表层悬浮泥沙浓度之间呈指数关系。实践证明,遥测东海海区表面悬浮泥沙浓度的最佳波带为555nm和670nm。     

内陆湖泊颗粒有机碳反演及日变化初步研究

以太湖及洞庭湖为例,检验海洋一类水体颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)浓度遥感估算方法在内陆湖泊二类水体中的适用性,结果表明,一类水体POC反演模型并不适用于二类水体。针对二类水体建立了以近红外波段(834 nm)为因子的单波段POC反演模型以563及834 nm波段组合为因子的两种双波段反演模型,模型验证结果显示,单波段模型的均方根误差(RMSE)为1.12 mg/L,平均相对误差(MAPE)为35.8%,两个双波段反演模型的RMSE分别为1.09 mg/L及1.11 mg/L,MAPE分别为37.3%及37.8%,三种模型均可用于太湖及洞庭湖水体的POC浓度遥感估算。在此基础上,以太湖为例,建立了基于静止轨道卫星海洋水色(GOCI)卫星数据的太湖POC反演模型,反演模型的MAPE为35%。利用5月13日8景GOCI影像,研究了太湖POC浓度日变化,发现POC浓度日变化存在两个阶段:上午至中午的递减阶段和中午至傍晚的递增阶段。     

近岸水体表层悬浮泥沙平均粒径遥感反演

悬浮泥沙的粒径分布特征不仅体现了悬浮颗粒态物质的存在状态,而且可以指示水动力及再悬浮作用的过程和强度,因此研究悬浮泥沙粒径分布特征具有重要意义。利用Mie理论建立悬浮泥沙平均粒径反演模型,结果表明,悬浮泥沙后向散射系数与其平均粒径的三次方线性关系明显,4个波段(412nm、443nm、555nm、667nm)拟合方程决定系数均在0.93以上,拟合误差最小值为16.6322%(412nm),最大值为20.3143%(667nm)。利用QAA算法从MODIS影像上反演研究区域悬浮泥沙后向散射系数,并结合反演的悬浮泥沙浓度推算研究区域表层悬浮泥沙的平均粒径。对比发现,近岸高悬浮泥沙区域的反演结果与实测数据吻合较好,相关研究可以为深入开展陆海相互作用、海洋生态系统演变和海洋参与全球碳循环等研究提供重要数据支持。     

基于遥感的鄱阳湖丰水期悬浮泥沙数值模拟预测

悬浮泥沙是湖泊水体的重要水质要素之一,是湖泊水生态系统重要影响因子。利用遥感提取的鄱阳湖底质类型数据,对各类型底质区域上泥沙模型参数进行敏感性分析,基于2011年实测的不同底质区上泥沙浓度数据率定得到空间上不一致的泥沙模型参数,从而建立鄱阳湖丰水期二维悬浮泥沙输运模型。利用该模型模拟预测2013年丰水期悬浮泥沙输移过程,实测泥沙数据验证表明,模拟悬浮泥沙均方根误差为19.8 mg/L,相关系数R2为0.78,该模型能够较好地进行悬浮泥沙模拟预测。对比模型模拟和遥感反演的悬浮泥沙空间分布,两者具有较好的空间一致性,进一步表明该模型能够可靠地模拟预测鄱阳湖悬浮泥沙的时空动态变化。本研究充分利用遥感数据辅助建立鄱阳湖泥沙输移模型,为湖泊水环境动态变化监测提供有力的技术方法支撑,为进一步进行鄱阳湖水环境动态变化的数值模拟预测研究提供基础。     

多光谱遥感影像大气校正与悬沙浓度反演——以曹妃甸近岸海域为例

遥感影像的大气校正是遥感定量化研究的难点之一。以曹妃甸近岸海域为研究区,以水体悬浮泥沙浓度(suspended sediment concentration,SSC)定量反演为目标,采用6S(second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)模型和FLAASH模型对研究区MODIS影像的大气校正方法进行对比实验,对2个模型校正前后的影像质量以及对目标地物信息的校正效果进行了评价。研究结果表明:2种模型均能在一定程度上削弱大气对水体信息的影响;相比之下,6S模型校正后影像质量优于FLAASH模型,能更真实地反映目标地物,可更好地实现对近岸海域遥感影像的高精度大气校正;将6S模型大气校正后的MODIS影像应用于悬浮泥沙浓度的遥感反演,反演结果的平均相对误差为24.79%,均方根误差为4.32 mg/L。研究结果可为近岸海域Ⅱ类水体大气校正方法的选择提供依据,为深化泥沙运移规律研究及水质、水环境评价提供技术支持。     

应用MODIS数据反演河北省海域叶绿素a浓度

为了建立更加合理、准确的叶绿素a遥感反演模型,利用地物光谱仪测定了河北省海域水面的光谱反射率,分析了光谱反射率与实测叶绿素a浓度之间的关系.在此基础上,通过MODIS数据各波段及波段组合的反射率与实测叶绿素a浓度的相关分析,确定第1波段(B1)为最佳反演波段,建立了应用B1反演叶绿素a浓度的遥感模型,并对模型精度进行验证.结果表明:该模型相关系数为0.66,反演结果均方根误差为0.48 mg/m3,模型精度优于SeaDAS的OC3标准经验算法;该模型反演河北省海域表层水体的叶绿素a浓度有较好的效果.     

黄河口水体光谱特性及悬沙浓度遥感估测

通过黄河口含沙水体野外遥感光谱反射率的观测实验，探讨了黄河口水体表观光谱特性，分析了悬浮体中有机颗粒含量和悬沙粒度对光谱特性的影响。针对Landsat TM／ETM^＋影像波段特性，对黄河口含沙水体在其可见光至近红外4个波段的光谱特性进行了模拟分析，并结合表观光谱观测数据建立了经验回归函数，以估测不同时相黄河口水体表层悬沙的浓度。     

江苏近海岸水深遥感研究

以江苏近海辐射沙脊群海域为典型研究区,通过实测水深数据和水体光谱测量与分析,发现对应TM3和TM4波段的水体光谱反射率对水深信息敏感,线性相关系数分别达到-0.561和-0.694。结合多光谱遥感信息传输方程所推导出的水深信息对数反演模式,针对本研究区TM4和TM3波段数据所建立的水深预测模式的复相关系数R2为0.4793,对0-15m水深,预测水深和实测水深之间拟合较好。利用TM5波段反射率、出露沙洲反射率以及海水反射率的差异,通过建立掩膜图像,可较有效地对TM遥感图像进行水陆分离,提取TM图像中海水部分,进一步可通过常用的图像处理软件绘制每隔5m的TM水深遥感制图、等深线图。随着高空间、高光谱、高辐射分辨率遥感技术的发展,对浅海水域的水深和水下地形进行遥感探测的技术方法和应用将会不断地深入开展。     

大豆残茬光谱响应特征研究

利用HR-768型便携式光谱仪,测定了不同大豆残茬覆盖度下的地面光谱,利用照相法获取对应的大豆残茬覆盖度。采用线性回归方法分析了单波段反射率、反射率一阶导数、归一化指数、比值指数与大豆残茬覆盖度的相关性,获取了不同覆盖度水平下大豆残茬的光谱响应特征,并结合MODIS、TM、HJ-1B星的波段响应函数建立了大豆残茬覆盖度最优估算模型。结果表明,在2050—2150nm和2250—2350nm两个波段范围内,大豆残茬与裸土的光谱差异最显著,可用于二者的区分;大豆残茬的光谱特征与玉米、小麦残茬的光谱特征相似,仅在920—967nm范围内存在特殊的吸收峰;以高光谱数据为数据源,941.6nm处的反射率、2151.8nm处反射率一阶导数、1461.3nm和2404.4nm反射率构建的归一化指数以及2247nm和608.6nm反射率构建的比值指数适宜用于作物残茬覆盖度估算,以宽波段数据为数据源,短波红外与红波段反射率构建的比值指数适宜用于大豆残茬覆盖度估算。     

HJ-1A/B卫星CCD影像的武汉市东湖水色三要素遥感研究

以武汉市东湖为研究区域,利用同步的MODIS-Terra气溶胶光学厚度数据为输入参数,采用FLAASH模型对2010年3月11日HJ-1A/B卫星CCD影像进行大气校正处理,并利用多年实测数据建立叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数三要素神经网络反演模型,对水色三要素进行反演。通过对反演结果与实测数据的对比分析可知,悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数和叶绿素a浓度的平均相对误差分别为28.052%、17.628%和35.621%,表明HJ-1A/B卫星CCD传感器基本能满足II类水体水色要素的遥感监测需求。     

基于BP神经网络模型的太湖悬浮物浓度遥感定量提取研究

构建了含有一个隐含层的两层BP神经网络反演模型，以TM数据的前4个波段的反射率作为输入，以悬浮物浓度值作为输出，成功反演了太湖水体的悬浮物浓度。     

基于高光谱遥感反射比的太湖水体叶绿素a含量估算模型

旨在寻找叶绿素a的高光谱遥感敏感波段并建立其定量估算模型。通过对太湖水体的连续监测，获得了从2004年6月到8月3个月的太湖水体高光谱数据和水质化学分析数据。利用实测的高光谱数据分析计算太湖水体的离水辐亮度和遥感反射比；然后，通过相关分析寻找反演叶绿素a浓度的高光谱敏感波段，进而建立反演太湖水体叶绿素a浓度的高光谱遥感定量估算模型，并用相关数据对模型进行精度分析。研究发现，水体的遥感反射比光谱在719nm和725nm存在两个峰，其中719nm处的峰更明显且稳定。通过模型的对比分析，发现用这两个峰值处的遥感反射比参与建模可以提高叶绿素a的估算精度；并且认为由反射比比值变量R719／R670所建立的线性模型对叶绿素a浓度的估算精度最理想。     

基于分析方法的太湖叶绿素a反演研究——以MODIS数据为例

目前, 针对太湖水体的叶绿素波段敏感性的分析, 大多集中在实测的高光谱反射率数据或者图像提取反射率与叶绿素浓度的统计分析结果上, 缺乏基于水体光学特性的研究, 并且两者之间的一致性也一直缺少论证。研究中采用2004 年4 月和2007 年8 月的两期数据, 首先从水质参数的生物光学特性入手, 基于生物光学模型, 利用叶绿素和其他水质参数的吸收和后向散射系数, 模拟计算其他水质参数不变, 叶绿素浓度处于不同水平时的水面反射率, 分析实测反射率对叶绿素浓度变化的响应; 利用MODIS 的波段响应函数把实测光谱模拟成宽波段的MODIS 反射率, 以此作为桥梁进而对实测的高光谱反射率和MODIS 图像提取反射率与叶绿素浓度的相关程度的一致性进行分析, 为利用MODIS 图像进行水质参数反演时的反演因子选择提供了依据。     

琯溪蜜柚叶片氮浓度高光谱遥感监测初探

以福建省平和县琯溪蜜柚为研究对象，利用星载Hyperion高光谱遥感数据对蜜柚叶片进行氮浓度估测。在分析Hyperion数据特征的基础上进行大气校正、几何纠正等预处理，从而得到图像反射率；结合地面光谱测量和蜜柚叶片采样分析，通过逐步回归分析法研究叶片氮浓度与高光谱图像反射率及其衍生量的关系，最终建立其遥感定量监测模型。结果表明，图像反射率的对数变换更有利于氮浓度的定量反演，入选的波段是983 nm、1 245 nm、1 316 nm和1 457 nm，其中1 245 nm波段对氮浓度影响最大，1 457 nm波段最小。利用该模型对氮浓度进行估算的值域与地面调查结果一致，说明利用高光谱进行氮浓度定量反演具有一定的可行性。     

中国近岸浑浊水体大气修正的迭代与优化算法

中国近岸水体泥沙含量较高，且变化梯度大；泥沙浓度可从几千mg／l变化到1mg／l以下。针对上述浑浊二类水体的大气修正一直是水色遥感应用的难点之一。利用水体近红外固有光学特性的Arnone光谱迭代算法在泥沙含量较低时适用，其近红外光谱迭代关系与根据2003年春季黄东海水色试验数据得出的现场光谱关系大致相当。当泥沙含量达到某一程度时，该算法失效，导致蓝光等较短波段的离水辐亮度为负。根据现场数据分析结果，这一分界点大概在泥沙浓度10—20mg／l。因此，本文首次提出将中国近岸浑浊水体进一步区分为中低和中高浑浊水体，并给出初步的划分标准，采用光谱优化方法对中高浑浊水体进行水色大气修正。优化误差函数的选取以现场试验获取的可见光波段光谱关系式为基础。结果表明，优化算法在近岸高浑浊水体可给出满足光谱分布规律的反演结果。与其他大气校正方法一样，优化方法也需要进一步的微调。将Gordon标准算法、Arnone光谱迭代和优化方法结合，对SeaWiFS图像进行处理，分别得出归一化离水辐亮度和总悬浮物（TSM）浓度分布图像，结果令人满意。