湖泊水质卫星遥感方法及其应用

通过系统性的常规水质采样分析与水面光谱测量外场同步试验,建立了由FY-1C多通道扫描辐射计、Landsat卫星TM和Seastar卫星SeaWiFS等在轨卫星多通道遥感器以及一组设想的遥感通道遥感反演叶绿素a浓度和总悬浮物浓度的优化通道组合模型,提出了一种利用水面上标准反射板的反射光谱和遥感图像本身确定大气透过率和反射率从而实现大气校正的水质指标卫星遥感反演方法．所建立的模型和方法被用于遥感解译我国典型富营养化湖泊太湖和滇池从80至90年代的富营养化程度及其分布状况随年份的变化．本项研究为进一步开展湖泊水质业务化卫星监测打下了基础．     

基于实测高光谱的太湖水体悬浮物浓度遥感估算研究

悬浮物浓度是水质和水环境评价的重要参数之一.利用2007-11-08～2007-11-21 14天时间对太湖74个样点进行水质取样分析和波谱实测.在提取水体遥感反射率后,分析其与悬浮物浓度的相关关系,发现在400～900nm波段范围的备波长遥感反射率与总悬浮物、无机悬浮物浓度都存在中高度相关,最大相关系数均出现在725nm处.分别为0.883和0.869,而与有机悬浮物浓度则无较好的相关性.同时利用敏感波段的遥感反射率建立了悬浮物浓度估算的神经网络模型.结果表明:对于总悬浮物浓度,隐含层节点数为6的神经网络模型的R2=0.948,RMSE=4.947,在备节点中的训练效果最佳;而对于无机悬浮物浓度,隐含层节点数为4的神经网络模型的R2=0.956.RMSE:5.104,模型骼体训练结果最好.此外,通过测试样本对神经网络模型和经验模型的预测误差进行分析表明,无论是估算总悬浮物浓度,还是无机悬浮物浓度,无论从建模样本的建模精度,还是测试样本的误差分析,神经网络模型邰优干经验模型.     

湖泊藻类叶绿素-α和悬浮物浓度的高光谱定量遥感模型研究

本文利用地物光谱仪对太湖水体进行了光谱测量和同步采样分析，对获得的数据尝试用光谱分离法进行分析，从中分离出蓝藻和悬浮物的特征波峰，建立波峰高度与同步水质采样得到的叶绿素-α浓度和悬浮物浓度的对应关系，得出其遥感定量反演算法，并实际应用在OMIS成像光谱仪图像上．     

镶嵌晶体模型在计算KAP积分反射率中的应用

为了提高0．2～2nm软X-射线的空间分辨率,用晶格常数在纳米量级的LiF、PET、Mica和酞酸钾(KAP)四种晶体代替衍射光栅作色散元件。根据镶嵌晶体模型理论和量子散射理论,计算了KAP的积分反射率,计算结果表明KAP的积分反射率与波长有关,在0．61～2．23nm软X-射线范围内,KAP的积分反射率先随波长变长而降低,后随波长变长而升高,在1．83nm处的积分反射率最低,而能量分辨率在0．61～2．23nm软X-射线范围内一直随波长变长而降低。     

利用Hyperion星载高光谱传感器监测太湖水质的研究

通过分析Hyperion星载高光谱传感器的数据特征和水质参数监测精度,确定并详细讨论了波段比值、差值和NDVI算法与叶绿素、悬浮物浓度的相关性差异和敏感波段分布,建立并验证了水质参数高光谱遥感反演模型,初步评价了太湖水体富营养化状况.利用模拟环境小卫星的波段设置和反射率光谱,对比分析了Hyperion和环境小卫星高光谱监测太湖水质参数的反演精度,展示了星载高光谱监测内陆水体水质的应用潜力,有力地促进了我国环境小卫星高光谱数据在水体生态遥感监测中的预研工作.     

浑浊Ⅱ类水体叶绿素a浓度遥感反演(Ⅰ):模型的选择

受高浓度悬浮物的影响,浑浊Ⅱ类水体叶绿素a浓度高精度定量反演一直是研究难点之一.利用2004年到2010年太湖4次实测光谱数据和水质参数,分别建立了两波段、三波段、改进三波段及四波段的叶绿素a估算模型;选择最优模型,利用巢湖2009年的实测数据进行独立验证.结果表明,四波段模型最适合高浑浊水体,线性相关性较好,决定系数...     

基于半分析模型的新庙泡叶绿素a浓度反演研究

叶绿素a(Chl-a)含量是反映水体水质的重要参数之一,利用遥感技术监测其浓度具有众多优势.本研究利用2004年5-9月的吉林省新庙泡实测高光谱数据和实验室分析数据,建立了基于三波段的Chl-a浓度反演模型.该模型基于水体叶绿素a、悬浮物、溶解有机物、纯水的生物光学特性分析,优化组合了3个特征波长.结果表明用该方法建立的模型具有一定的物理基础,反演精度较高,其决定系数和均方根误差分别为0.8758、4.98μg·L-1,适合于内陆水体Chi-a含量的定量提取.     

黄浦江不同水质指标的光谱响应模型比较研究

对黄浦江全河段进行了光谱反射率和典型水质参数的同步测量,测量的水质参数包括总磷(TP)、总氮(TN)、溶解氧(DO值)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODC r)、五日生化需氧量(BOD5)、悬浮物浓度(TSS)、浊度(Turb)和氨氮(NH3-N)共9个水质指标,分析了9个水质指标之间的相关关系.研究了单波段归一化反射率与各水质指标的线性关系模型.结果表明,单波段光谱反射率与除氨氮和化学需氧量2个水质指标之外的其余7个水质指标有较好的相关关系,光谱反射率的比值与水质指标的相关性得到一定提高,与氨氮和化学需氧量2个水质指标的相关系数也大于0.5.     

污水油分与悬浮物光学在线检测方法

油田生产过程中排出的超标污水既污染土壤环境又危及水生资源,必须对油田污水进行在线水质监测,实时反映污染物指标,减小对环境的威胁。基于近红外光的吸收透射和散射原理,设计了能同时检测出油田污水中油分和悬浮物含量两个参数的测算模型;选择合适波长,利用三波长法进行光电检测;搭建了插入式污水油分和悬浮物在线检测系统。实验结果表明:该测算模型准确、可靠,可同时检测出待测液中的水中油分和悬浮物的含量,相对于常规的水中油分红外光度检测法和水中悬浮物重量检测法,提出方法的检测误差小于6%,该方法对实际应用有较大参考的价值。     

基于VIIRS数据洪泽湖悬浮物浓度估算算法研究

基于2012~2015年洪泽湖4次星地同步试验数据,建立了较高精度的水体悬浮物浓度单波段(671 nm)模型(R~2=0.74,RMSE=8.58 mg/L),并进行了验证(R~2=0.72,RMSE=11.98 mg/L);然后,将该算法成功应用到了2012~2015年464景VIIRS无云影像上.结果表明,洪泽湖悬浮物浓度呈现春夏低、秋冬高的季节特征和东、中部高,西、北部低的空间分布特征;在年际变化尺度上,悬浮物浓度年均值呈现较小的减少趋势.总体来说,VIIRS在浑浊水体悬浮物浓度上表现了较好的探测能力,在湖泊水色遥感领域具有较大潜力.     

基于短波红外波段的乌梁素海Landsat-8 OLI数据大气校正

采用基于短波红外波段的Vanhellemont和Ruddick算 法对乌梁素海水体的Landsat-8业务陆地成像仪(Operational Land Imager, OLI)数 据进行了大气校正。用该算法得到的OLI反射率与ENVI Flaash大气校正结果 之间具有很好的一致性,且R2为0.8。经大气校正后得到的OLI反射率与实测值 吻合得较好,而且483 nm、561 nm和655 nm波段的误差在19.3%～36.5%之 间,表明该算法适用于乌梁素海水体。基于时间序列OLI数据,得到了 悬浮物浓度的时空分布特征。乌梁素海的悬浮物浓度反演结果存在一定 的不确定性,其主要原因是底质、沉水植物和藻华对离水反射率有很 大影响。     

Detecting solar-induced chlorophyll fluorescence from field radiance spectra based on the Fraunhofer line principle

It is difficult to quantify the amount of chlorophyll fluorescence emitted by a leaf or canopy under natural sunlight because the reflected light obscures the fluorescence signal. In this study, two diurnal experiments were conducted on winter wheat (Triticum aestivum L.) and Japan Creeper (Parthenocissus tricuspidata) to detect the solar-induced chlorophyll fluorescence from field radiance spectra. In the separation of the fluorescence emissive signal from canopy radiance spectrum based on Fraunhofer lines, two Fraunhofer lines of the terrestrial oxygen absorption at 688 and 760 nm were observed in the radiance spectra by an Analytical Spectral Devices FieldSpec Pro NIR spectrometer, which largely overlaps the chlorophyll fluorescence emission spectrum of leaves. Therefore, Fraunhofer lines at 688 and 760 nm were selected to detect the emissive fluorescence. The diurnal changes of chlorophyll fluorescence in the two experiments were primarily affected by the diurnal changes of photosynthetically available radiation (PAR). The correlation coefficients (R/sup 2/) were greater than 0.9 for all the relationships between PAR and the solar-induced fluorescence of winter wheat and Japan Creeper at 688 and 760 nm based on Fraunhofer line-depth (FLD), suggesting that the solar-induced fluorescence could closely track the changes of PAR and chlorophyll fluorescence. The relative solar-induced fluorescence based on FLD was negatively related to Fv/Fm measured by an OS1-FL modulated chlorophyll fluorometer. The correlation coefficients (R/sup 2/) were 0.97 at 688 nm and 0.99 at 760 nm for winter wheat, and 0.79 at 688 nm and 0.78 at 760 nm for Japan Creeper. These results demonstrate that the solar-induced fluorescence from plant canopies can be detected from field radiance spectra based on the Fraunhofer line principle.     

太湖水体悬浮颗粒物生物光学模型及MERIS数据反演

根据太湖悬浮颗粒物生物光学特性建立的悬浮颗粒物红外单波段生物光学模型具有明确的机理性.利用2006年至2009年野外实测悬浮颗粒物浓度和水体光学数据对该生物光学模型进行检验和分析.结果表明,悬浮颗粒物比后向散射系数的时空差异是影响总悬浮颗粒物生物光学模型精度的主要因素.总悬浮颗粒物在红外波长的吸收系数对总悬浮颗粒物生物光学模型精度也具有显著的影响.根据中分辨率光谱成像仪(MERIS)悬浮颗粒物 反演结果和野外实测风速数据,太湖沉积物再悬浮将显著增加水体中悬浮颗粒物的含量.     

重庆市棕碳气溶胶吸光特性及其影响因素研究

于 2015 年 12 月–2017 年 7 月在重庆城区和远郊站点采集气溶胶样品, 系统研究了该地区气溶胶中棕色碳 (BrC) 吸光特性的时空分布和影响因素, 并评估了 BrC 的辐射吸收贡献。研究结果表明, 该地区冬季 BrC 在 405 nm 的吸光系数 b405,BrC、吸光贡献和单位质量吸光效率均值分别为 (13.0±9.0) Mm−1、 (24.5±6.1)% 和 (0.9±0.2) m2·g−1, 分别是夏季的 11.3、 2.9 和 3.4 倍。城区站点 (YB) 夏、冬季 b405,BrC 值分别为远郊站点 (JY) 的 2.8 和 1.8 倍, 但冬季 城区站点气溶胶吸光指数 E 值和 BrC 在 405 nm 的吸光贡献 [(1.2±0.1) 和 (16.7±5.9)%] 低于远郊站点 [(1.6±0.2) 和 (32.3±6.3)%]。 b405,BrC 与污染源示踪组分的相关性分析表明, 夏季 BrC 吸光特性主要受二次有机气溶胶 SOA 生成的 影响, 而冬季的主要影响来源于生物质燃烧、燃煤和 SOA 生成。与夏季不同 (p > 0.1), 冬季 b405,BrC 与 NH4+、 E 与 NO3− 和 NH4+ 质量分数均显著相关 (p < 0.001)。冬季 E 与 φ 的拟合关系与生物质燃烧模拟结果相似, 表明生物质燃 烧是影响冬季 BrC 吸光特性的主要一次源, 而二次源主要是有机物与 NO3−、 NH4+ 发生的老化过程。重庆冬季 BrC 在 405∼980 nm 和 405∼445 nm 的辐射吸收贡献分别为 (29.1±5.8)%、 (60.8±13.7)%, 约为夏季的 2.9 和 3.2 倍, 表明冬 季 BrC 的辐射吸收贡献显著, 尤其是在短波段范围。     

高浊度水体光学测量仪器的比较与验证

利用2017年冬季航次的现场光谱测量数据以及同步 水文泥沙参数,讨论了ASD地物光谱仪和Hypersas海面光谱仪两种光学 测量仪器在长江口局地高浊度水域所测光谱数据的差异情况。结果表 明,Hypersas光谱仪所测的光谱值在整体上 比ASD光谱仪的高;当积分时间 为34 ms时,两者的差异最小,其在412 nm、443 nm、 490 nm、510 nm、 531 nm、555 nm、 670 nm和750 nm各个典型波段的平均相对差异值 分别为22.70%、18.73%、15.01%、 14.07%、13.05%、 11.93%、9.58%和9.85%。 通过分析和对比两组数据与同步实测的悬沙浓度数据的相关性以及 拟合精度可以发现,在局地模式下,ASD光谱仪所测的悬沙浓度 建模精度(R2=0.78)比Hypersas光谱仪的(R2=0.67)高。     

西安市大气颗粒物中棕碳的吸光性研究

利用离线滤膜-溶剂提取-连续光谱分析的方法在 2016 年 12 月 25 日到 2017 年 12 月 26 日期间对西安市大气 颗粒物进行了连续一年的监测与分析。用石英纤维滤膜收集大气 PM2:5 样品, 再分别利用超纯水和甲醇超声萃取样品 中的水溶性有机碳 (WSOC) 和甲醇可溶性有机碳 (MSOC), 最后进行紫外-可见吸收光谱分析获得样品光吸收特性。 对西安市水溶性棕碳 (BrC) 和甲醇溶性 BrC 在 365 nm 下冬季和夏季的吸光贡献分析发现, 冬、夏两个季节甲醇提 取的有机组分光吸收效率均高于水提取的, 甲醇溶性有机碳质量吸收效率 [MAE(MSOC)] 年均值 [(1.60±0.67) m2·g−1] 是水溶性有机碳质量吸收效率 [MAE(WSOC)] 年均值 [(0.90±0.47) m2·g−1] 的 1.17 倍, 表明有机溶剂萃取组分中含有 更多的吸光能力更强的物质。冬季的 MAE(WSOC) 为 (2.05±0.86) m2·g−1, MAE(MSOC) 为 (1.53±0.36) m2·g−1; 夏季的 MAE(WSOC) 为 (1.06±0.24) m2·g−1, MAE(MSOC) 为 (0.51±0.17) m2·g−1。冬季的 MAE 值总体高于夏季的, 且冬季的 WSOC 的 E250/E265 值 (5.25) 相对低于夏季 (5.58), 可能因冬季燃煤取暖排放导致。对 BrC 中的水溶性有机碳与气象 六要素浓度进行了线性拟合, 结果显示 WSOC 与 PM2:5 (R2 = 0.6417) 和 PM10 (R2 = 0.4035) 有一定的相关性, 但与 O3 (R2 = 0.0682) 没有显示出明显的相关性, 表明其二次光化学反应的来源占比很小。     

基于激光散射图像小麦叶片叶绿素检测研究

为了实现叶绿素含量的无损检测研究,采用激光后向散射图像技术来测量小麦叶片光学特性参量的方法,进行了理论分析和实验验证。利用670nm和970nm的半导体激光器和视频成像系统获得了小麦叶片的激光后向散射图像,通过漫反射理论分析了叶片组织表面的漫射光分布和在这两个波长下绿叶、黄叶、干叶的激光后向散射图像的变化特征,取得了其光学特性参量数据(约化散射系数和吸收系数),并与叶片的叶绿素相对含量值建立对应的函数关系。结果表明,小麦叶片的光学特性参量与叶绿素相对含量值呈现线性相关,其中利用约化散射系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中,预测集样本的相关系数为0.9095,预测均方根误差为5.9;利用吸收系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中,预测集样本的相关系数为0.8366,预测均方根误差为7.5,说明激光后向散射图像技术测定植物叶绿素含量是可行的。这一结果对激光散射图像实现农作物长势诊断是有帮助的。