内陆水体叶绿素a浓度遥感监测方法研究进展

叶绿素a是反映水体富营养化的一个重要参数,通过遥感方法监测水体叶绿素a浓度是实现内陆水体富营养化动态监测的一个重要途径,但内陆平原水网区地表水体的水体光学特性复杂,遥感反演模型建立困难。文章通过整理、分析国内外前人研究内陆平原水网区地表水体叶绿素a卫星遥感监测的数据源和方法,总结了当前在内陆平原水网区地表水体中精度较高的叶绿素a卫星遥感监测方法,分析了各方法的优缺点以及研究过程中的一些挑战、难点,并提出对未来的展望。     

湛江港海域叶绿素a浓度的高光谱遥感反演

基于表观光学法研究冬季湛江港海域高光谱遥感叶绿素a浓度的反演模型构建,结果表明,该海域单波段遥感反射率与叶绿素a浓度相关性低,波段比值和遥感反射率的一阶微分法可提高叶绿素a浓度反演精度。665nm处的遥感反射率一阶微分值与叶绿素a浓度相关性良好,相关系数可达0.84。一阶微分相关系数大于0.8的波段大部分处于叶绿素a红光强烈吸收区域,对于富营养化的湛江港海域采用一阶微分方法构建叶绿素a浓度的遥感反演模型具有合理性。     

基于反射峰面积的水体叶绿素遥感反演模拟研究

叶绿素浓度是水体富营养化状态的重要指标,也是水色遥感反演的水质参数之一。水体中叶绿素浓度的遥感反演主要是建立实测光谱和实测水质参数二者之间的关系模型,利用遥感影像进行叶绿素浓度的信息提取。传统的叶绿素浓度遥感反演受区域性和季节性的影响,反演精度不高,而且反演模型不具普适性,需对叶绿素光谱特征进行分析,建立高精度的反演模型。本文采用Hydrolight数据模拟了不同叶绿素浓度(1~200 µg·L^-1)的水体在可见光近红外的反射波谱曲线,通过分析叶绿素的光谱特征选取了特征波段或波段组合,并建立了叶绿素浓度反演模型。研究表明,除反射峰波长模型外,反射峰面积模型、三波段模型、红光线高度模型等均能较好地反演叶绿素浓度。在不同叶绿素反演模型中,除红光线模型外,最优的是反射峰面积模型,其决定系数为0.9689,反演误差为25.25 µg·L^-1;其次是三波段模型,其决定系数为0.9637,反演误差为10.66 µg·L^-1。究其原因,三波段模型考虑了水体中非色素悬浮物、黄色物质及水体后向散射对叶绿素浓度反演造成的影响;反射峰面积模型除此之外还综合考虑了叶绿素散射效率的影响。     

富营养化的太湖水体叶绿素a浓度模型反演

半经验模型反演叶绿素a浓度是目前遥感反演水体叶绿素a浓度的主要方法。但是,大量研究结果表明,太湖水体浑浊,富营养化严重,各种半经验模型的反演精度和模型适用性有较大差异。因此,研究一种既满足一定精度要求,又具有时间普适性的叶绿素a浓度反演算法,对提高模型适用性,促进遥感的反演应用具有重要意义。本研究通过2005年6-10月地面实测数据,建立太湖叶绿素a浓度一阶微分反演模型、波段比值反演模型和三波段反演模型,对比各模型反演效果,认为波段比值模型与三波段模型具有较好的反演效果。运用2006年11月和2007年11月实测数据对这三种模型加以检验,结果表明,三波段模型反演高富营养化的太湖水体,不仅精度高,平均误差仅为实测浓度差的8.3%,而且适用性较强,不同年份数据的检验结果证明平均误差均低于实测浓度差的20%。因此,三波段模型是这三种反演模型中效果最好的一类模型。     

台风对中国东南海域叶绿素a浓度影响的遥感研究

通过对台风过境前后近一个月的MODIS卫星3A级叶绿素a浓度及海表温度数据的比较与分析,发现海表温度,海表叶绿素a浓度均受到较大的影响,其中海表温度平均下降2~3℃,最高下降近10℃;同时叶绿素a浓度在湛江、阳江海域升高约1.43倍,在东海海域平均升高2.44倍,最高可达9.75倍,并且叶绿素a浓度增长有一个约3~5 d的延迟效应。由此可见,利用卫星遥感资料监测台风对海洋叶绿素a浓度、海表表温度等环境参数的变化有应用前景。     

2021年春季北部湾北部近岸浮游植物叶绿素a分布特征及影响因子

【目的】研究2021年春季北部湾北部近岸浮游植物叶绿素a(Chl-a)的分布特性及影响机制。【方法】对2021年春季北部湾北部近岸海域8个站位的现场Chl-a浓度与环境因子数据进行时空分析,利用matlab绘制等值线剖面图和相关性分析等手段,分析Chl-a的分布特征及其响应机制。【结果】1)Chl-a与海表温度(SST)的高值区均在三娘湾;2)SST、浊度(TUR)和氮磷营养盐为影响北部湾北部沿岸海域浮游植物生长的主要理化因子;3)防城港Chl-a和总溶解无机氮最大值存在9 d的显著滞后正相关,在廉州湾有显著滞后负相关,而在钦州湾有较好同步相关。【结论】2021年春季研究区域Chl-a时间变化主要受陆源输运、光照和不规则全日潮影响。不同区域Chl-a空间分布的影响因子有差异,防城港的藻类生长受营养盐限制;高营养盐的廉州湾水体因高TUR光照减弱,藻类受光限制;钦州湾和三娘湾的藻类均不受营养盐和光限制,且三娘湾的SST相对更适宜生长,该区初级生产力最高。     

一种基于FY3D/MERSI2的AOD遥感反演方法

针对目前国产卫星对气溶胶遥感监测应用较少的情况,本研究综合暗象元和SARA算法优势,基于FY-3D MERSI2数据构建了一套气溶胶光学厚度(Aerial Optical Depth, AOD)快速遥感反演方法。首先,引入了传统暗象元算法中的地表反射率经验关系,然后利用AERONET长时间序列的地基观测数据,构建了红波段和蓝波段气溶胶光学厚度、不对称因子和单次散射率之间的关系,最后利用MOD04和AERONET的AOD产品对研究反演结果进行了验证和评估分析。结果发现：① 本研究反演的AOD不仅保持了与MODIS的气溶胶产品空间分布的一致性,而且合理地呈现了AOD的高值分布,改进了MOD04气溶胶产品在云和亮目标方面反演缺失问题;② 利用AERONET地基观测结果对本研究获取的MERSI2的AOD反演结果进行了对比分析,发现二者具有较高的线性相关性,蓝波段AOD线性相关系数超过0.85;③ 利用MERSI2数据完整地捕捉到了2018年3月9—14日京津冀及周边区域的一次重污染过程中气溶胶时空分布变化情况,这也说明了FY3D卫星具备良好的气溶胶遥感监测能力,为我国灰霾监测和预警提供参考依据。本研究对大力发展国产卫星在大气环境遥感的应用有重要参考意义。     

高分六号影像在内陆水体叶绿素a反演中的应用潜力分析

GF-6 WFV影像具有宽覆盖、高时空分辨率、高光谱分辨率等特点,目前在农业和林业遥感领域都有一定应用,但是在水质遥感中的应用潜力还缺乏系统的评估。本文以潘家口和大黑汀水库为研究区,采用2019年9月24—25日获取的潘家口和大黑汀水库叶绿素a浓度、实测遥感反射率和准同步GF-6 WFV影像,构建了潘家口和大黑汀水库叶绿素a浓度经验反演模型,探索GF-6 WFV在内陆水体叶绿素a浓度遥感监测中的应用潜力。研究结果表明,基于GF-6 WFV模拟光谱构建的潘家口和大黑汀水库叶绿素a浓度经验模型决定系数均在0.90以上,GF-6 WFV影像在水体叶绿素a遥感监测中具有应用潜力,尤其是新增的黄波段和红边波段1,有助于提高GF-6 WFV影像叶绿素a浓度遥感监测能力;GF-6 WFV影像大气校正误差降低了叶绿素a浓度遥感监测精度,GF-6 WFV影像水体大气校正精度有待改进,以提升GF-6 WFV影像水质遥感监测能力。     

叶绿素a浓度反演模型：堆栈自编码器粒子群优化BP神经网络

内陆水体叶绿素a浓度是衡量水体富营养化程度的主要指标,是影响水体反射率光谱特征的重要因素之一。本文以白洋淀烧车淀、圈头乡各村庄等水域为研究区,采集了高光谱数据和水样,并在实验室测定叶绿素a等水质参数,应用于白洋淀区域的叶绿素a高光谱遥感反演。针对线性降维方法特征提取能力不足和神经网络构建叶绿素a遥感反演模型时学习效率低、泛化能力差的问题,提出了堆栈自编码器粒子群优化BP神经网络模型。该模型利用堆栈自编码器强大的非线性变换能力,通过最小化重构误差来学习高光谱数据特征,在实现数据降维的同时最大程度保留原始光谱数据中的水体辐射信息,提取出实测水体光谱的深度特征,将BP神经网络初始权重作为粒子的位置向量,通过粒子群算法搜寻网络初始权重的最优值,降低出现局部极值的概率,提高模型的稳定性和反演的精确度。堆栈自编码器粒子群优化BP神经网络模型(R²=0.82,RMSE=2.65μg/L,MAE=1.89μg/L)相较于对高光谱数据不降维的BP神经网络模型(R²=0.75,RMSE=3.16μg/L,MAE=2.39μg/L)、基于主成分分析法降维的BP神经...     

湖光岩玛珥湖叶绿素a与水质因子的相关分析及富营养化评价

2013年1~12月对湖光岩玛珥湖水体的叶绿素a和水质因子进行周年的逐月监测,探讨叶绿素a与水质因子的相关关系,并应用修正的卡尔森营养状态指数(TSI)对该湖泊的营养状态进行分析评价。结果表明,湖光岩玛珥湖水体叶绿素a含量的变化范围为1.08~4.22μg·L-1。氮磷比年均值为20.9,磷为营养限制因子,氮、磷共同限制浮游植物的生长。影响叶绿素a含量的主动因子与叶绿素a之间的Pearson相关系数大小关系为:r(NH4+-N)r(DO)r(NO2--N)r(TP)r(TN)r(NO3--N),其中NH4+-N与叶绿素a含量呈极显著正相关,r(NH4+-N)=0.907,NH4+-N为调控该湖泊浮游植物生长最关键的水质因子。水体TSI值的全年变化范围为34.6~48.0,其中1、2、3月的TSI37,属贫营养型;而其他月份为38TSI53,属中营养型;从全年分布来看,湖光岩玛珥湖属贫-中营养型。     

开发建设对敖江水质浊度影响的遥感监测

本文通过2007、2013和2016年3个时相的遥感影像,反演提取水体浊度信息,从较为宏观的角度分析了敖江流域大面积开发建设所引发的水土流失对敖江水质的影响。研究表明,2007年12月,敖江流域尚未有大面积开发,沿岸植被覆盖良好,江水浊度较低,平均约为23 NTU,分布比较均匀;2013年3月,敖江贵安新区处于开发建设期,特别是东雁-海峡段沿岸大片植被为工地裸土所代替,大量沙土流失至江中,使该段江水的浊度比上游高出3倍以上,平均浊度升高37 NTU,最大浊度差可达60 NTU,影响范围可至下游13 km;2016年9月,贵安新区建设基本成型,水土流失大幅减少,敖江整体浊度恢复相对均匀,但东雁-海峡段的平均浊度约39 NTU,仍高出上游5 NTU。其他分散的局部建设,是江水出现高浊度斑块的重要原因。浊度的上升,降低了水体含氧量,导致水质下降。当前中国城市化快速发展,伴随着大量的工程建设,其所致水土流失问题应引起足够重视,并在工程中采取必要控制措施,以降低其对沿江水质的影响。     

塔基遥感视频监控有效性评估方法

以铁塔作为基础平台,利用其上搭载的相机或其他传感器进行近地面观测被称为塔基遥感。塔基遥感具有不易受到云层遮挡等自然因素影响、可以全天候实时获取视频信息的特点,可有效填补航空航天遥感与地面观测网络之间的尺度空缺,已在各个领域得到广泛应用。然而在面对大面积观测区域和复杂的任务目标时,塔基遥感的实际应用则受到复杂的地形及成像时空间分辨率的约束。如何评估其成像有效性成为未来塔基遥感平台优化建设的关键。为解决上述问题,本研究剖析了塔基遥感相机的成像特点和主要遮挡因素,构建起其实际覆盖范围分析方法。依托主要应用的空间分辨率需求建立分辨率分级体系,并结合实际覆盖范围和相机参数明确各项应用的可应用区域,据此评估塔基遥感视频数据有效性。以南京市江宁区"慧眼守土"塔基遥感视频监控系统为例进行实验分析,结果表明,现有塔基遥感相机受到了周边地形及塔基自身的严重遮挡,5 km内平均覆盖率仅3.20%,塔基自身造成了47.66%视角被遮挡。具有极高、高等级分辨率需求的应用实际覆盖情况较为理想,但中、低等级分辨率应用的实际覆盖情况需要进一步优化。增加相机高度、提升相机变焦能力以及增设环形轨道可以有效对塔基遥感相机的...     

土壤水分微波反演方法进展和发展趋势

土壤水分是连接地表水循环和能量循环的关键参量,精确获取该参量对于理解气候变化、地表水文过程、地气间能量交换机理等具有重要意义。微波遥感由于其较为合适的探测深度和坚实的理论基础在观测地表浅层土壤水分上具有很大优势,结合反演方法可以获取空间连续的土壤水分含量,有助于更加客观认知土壤水分的时空演变机理。随着微波遥感数据的不断丰富,多种微波遥感土壤水分反演方法相继涌现,为了更好地了解其发展和趋势,本文总结了当前土壤水分微波反演常用的卫星遥感数据并分析其发展趋势,后从主动微波反演、被动微波反演和多源协同反演3个方面梳理了各类土壤水分微波反演方法的原理、发展和优缺点,最终总结出目前微波遥感土壤水分反演方法的发展趋势：即土壤水分微波反演方法的时空普适性逐渐增强、面向高时空分辨率的土壤水分微波协同反演方法快速发展以及土壤水分微波反演方法的智能化水平不断提高。     

典型地物波谱库的数据体系与波谱模拟

本文讨论典型地物波谱知识库的数据体系与地物波谱模拟的相关问题 ,并给出波谱知识库支持的农业定量遥感应用示例。波谱知识库的数据体系强调波谱参数与环境参数的配套 ,波谱数据测量是在相关规范的支持下完成的 ,质量控制贯穿于数据采集的全过程。波谱模拟通过遥感物理模型完成 ,模拟波谱计算包括地表参数的时间、空间扩展与遥感物理模型运算。最后以作物生长模型结合植被组分光谱模型和冠层遥感模型为核心 ,构造了定量遥感的农业示例。     

黄河源区放牧家畜数量及空间分布无人机遥感调查

黄河源区拥有独特的生态系统和生物资源,是我国重要的江河水源涵养地和重要的生态屏障。近年来,放牧家畜数量的增加使该地区传统草地畜牧业面临过度放牧、草地退化、季节性失衡等发展难题。为科学掌握黄河源区放牧家畜的情况,本文以黄河源区的玛多县为研究区,应用无人机对玛多县放牧家畜（牦牛、藏羊和马）的数量和空间分布开展航拍调查。根据牦牛、藏羊和马的无人机图像解译标志库进行目视解译,采用5种方法估算玛多县放牧家畜的数量,利用选择指数分析家畜空间位置与环境因子的关系,结果表明：① 在冷季无人机航拍样带内,牦牛、藏羊和马的样带密度分别为4.12、7.34和0.06 只/km²。② 玛多县有牦牛7.08万头,藏羊10.22万只,马0.12万匹,经验证,估算牦牛、藏羊和马数量的误差分别为-0.93%、2.27%和-13.23%。③ 家畜对环境因子的选择倾向于坡度小于12°,草地覆盖度高于0.6,距居民点小于1 km,距水源小于 3 km,距公路大于3 km的区域。研究结果表明,无人机遥感技术在畜牧业方面有较大的应用潜力,为研究牧区放牧家畜的特征和草畜平衡情况提供新的思路。     

我国长江中下游农业区冬闲田的遥感监测分析

 近20年以来,随着我国经济结构的调整和农村劳动力的转移,部分地区冬闲田的面积呈明显增长态势。为了科学、合理及高效地利用冬闲田资源,本研究以长江中下游农业区为实验区,利用长时间序列NDVI数据,结合研究区耕地空间分布和农作物在出苗期和成熟期NDVI变化特征,构建了NDVI动态阈值法的冬闲田遥感监测方法,进而对研究区2007至2008年冬闲田的空间分布和闲置时间进行了提取分析。研究发现,2007至2008年,我国长江中下游农业区冬闲田总面积为20.55万km²,占耕地总面积的45.49%。冬闲田集中分布于研究区北部和西北部的江苏、安徽、河南、湖北、湖南和江西的西北部地区,其中,湖北、湖南和江苏是冬闲田分布面积最多的省份,3省冬闲田面积占了研究区冬闲田总面积的53.41%。     

基于多源遥感数据的断裂构造提取方法研究——以南水北调中线工程核心水源区为例

以南水北调中线工程核心水源区为例,利用中、高分辨率光学影像、雷达影像和数字高程模型等多源遥感数据,开展断裂构造提取方法研究。综合利用多源遥感数据的对地穿透能力、光谱信息和空间几何信息,进行图像增强、融合处理和三维地形分析,突出目标区断裂构造的影像标志。通过多源遥感解译,结合现场调查验证,初步查明目标区内3条主要断裂的几何展布信息,为该区的活断层探测和地震危险性评价提供参考。     

基于等角边界距离相似性的遥感影像面状图斑匹配研究

基于形态特征的目标匹配是地图空间认知、地表位置自动感知等领域的重要方法。然而,由于不同数据源的遥感影像提取的同一个空间目标在空间尺度和局部形态上存在一定的差异,现有形态匹配算法难以获得较高的匹配精度。本文以等角边界距离编码及相似性算法为核心,提出了面向遥感影像的面状图斑匹配方法。(1)从面目标的质心以10°为间隔,顺时针方向从质心向外引36条射线,获取面目标的边缘点,形成等角边界距离编码;(2)提出了与该编码相适应的几个综合形态指标,包括自相似度、圆形度、形态复杂度和质心偏移度,并建立了面状图斑相似度算法;在此基础上,结合近邻目标的形态相似度,构建了遥感影像面状图斑匹配算法;(3)从不同数据源的在线遥感影像上提取中国西部湖泊与全球湖泊,开展面状图斑匹配实验。通过实验,发现本文的面状图斑相似度算法相对于按距离采样的相似度算法,召回率提升了13.8%;在添加近邻目标相似度约束的基础上,面状图斑匹配精度达到90%以上。通过算法适应性分析,发现该算法在一定的投影变形下仍能保持一定的匹配精度;如果空间目标及其邻域目标的总体形态和分布接近,不同空间尺度的匹配精度保持在80%以上。本文的研究为地图空...     

面向高分遥感影像道路提取的轻量级双注意力和特征补偿残差网络模型

针对高分辨率遥感影像背景复杂,道路提取容易受阴影、建筑物和铁路等背景信息干扰的问题,提出一种带有轻量级双注意力和特征补偿机制的DAFCResUnet模型。该模型在ResUnet的基础上,通过增加轻量级的双注意力和特征补偿模块实现模型在性能和时空复杂度上的平衡。其中,双注意力模块可以增强模型的特征提取能力,特征补偿模块可以融合网络中来自深浅层的道路特征。在DeepGlobe和GF-2道路数据集上的实验结果表明,DAFCResUnet模型的IoU和F1-score可以达到0.6713、0.8033和0.7402、0.8507,模型的整体精度优于U-Net、ResUnet和VNet模型。与U-Net和ResUnet模型相比,DAFCResUnet模型仅增加了少量的计算量和参数量,但IoU和F1-score均有较大幅度的提高;与VNet模型相比,DAFCResUnet模型在计算量和参数量远低于VNet的情况下取得了更高的精度,模型在精度和时空复杂度两方面均有优势。相比其他对比模型,DAFCResUnet模型具有更强的特征提取和抗干扰能力,能更好解决道路上的干扰物、与道路特征相似地物、树荫或阴影...