基于国产卫星多光谱影像的河流水体浊度遥感联合反演研究

基于集合建模思想,在水体光谱特征分析与敏感波段选择基础上,集成多种遥感反演模型优势,构建了河流水体浊度多光谱遥感联合反演模型(Combined Model-BP,CM-BP)。选择汉江中下游典型河段为研究区,利用2012—2013年原位观测数据,以具有较高时间分辨率和空间分辨率的国产卫星数据作为多光谱遥感数据源,测试评估了CM-BP浊度遥感反演模型适用性,并与传统波段组合模型进行精度比较,基于反演结果分析了研究区浊度时空分布特征。结果表明:基于集合建模思想构建的CM-BP模型的反演精度、适应性及稳定性均高于波段组合模型;从光谱分辨率、时空分辨率等角度考虑,环境与灾害监测预报小卫星星座系统、高分一号卫星、资源三号等国产卫星多光谱遥感数据是河流水体水质反演优选数据源;国产卫星遥感数据可以满足河流水体水质高精度、实时性与大尺度等遥感反演需要,为河流水环境监测研究提供数据基础。     

水体悬浮泥沙含量遥感的模拟研究

本文利用地面模拟研究对水体悬浮泥沙含量遥感中的一些关健问题进行了深入的探讨.在0.38～1.10微米波段内测定了含有悬浮泥沙水体的反射光谱特性,确定了反射光谱特性与泥沙含量之间的关系.利用曲线拟合法,求得了光谱反射比、波段的平均反射比与水体悬浮泥沙含量之间的最佳拟合函数(即最佳回归方程).结果表明,波段不同则最佳回归方程的函数形式亦不同.回归分析的结果指出,水体悬浮泥沙含量的最佳遥感波段是ERTS和LANDSAT-D的5波段,最佳遥感波长是0.60微米.此外,还研究了拟合优度不同的回归方程对最佳遥感波段选择和泥沙含量遥感探测准确度的影响.计算证明,拟合优度非最佳的回归方程不但会导致最佳波段的错误选择,而且亦将造成水体泥沙含量的遥感探测准确度的严重下降.本文的模拟研究不仅为水体悬浮泥沙含量的航空和卫星遥感提供了有价值的理论依据,而且在模拟实验的基础上提出了一种利用光谱辐射计对地表水体悬浮泥沙含量进行地面遥测的新设想.     

悬浮泥沙反射光谱特性和泥沙量估算试验研究

通过实验室含沙水体的配比试验，对不同浓度含沙水体进行了光学特性测量，建立了不同悬沙含量遥感反演模型，结果表明：1）确立的水体光谱反射率和悬沙浓度之间的数值关系，为用卫星遥感技术探测表层悬沙浓度做了基础性的研究，取得了令人满意的效果；2）悬沙水样的敏感波段位于700nm～720nm，730～750nm和800～850nm；3）利用主成分分析方法结合多元线性回归可较为精确地估算悬沙含量，其模型反演能力明显优于敏感波段线性模型。对于浓度范围为0．1905g／L～3．6991g/L的悬沙水体，主成分回归模型反演精度更高，反演值和实测值的平均相对误差仅为5％左右；4）用实验室含沙水体配比方法进行的悬沙浓度与光谱关系的研究，其数据采集的同步性好，精度可靠。     

长江口浑浊带枯季悬沙粒度分布特征

根据2011年长江口浑浊带枯季悬沙粒度的实测数据分析,发现浑浊带悬沙粒度分布存在明显的时空差异,同时探讨了近20年的粒度变化过程。浑浊带粒度受动力驱动,大潮垂向分布差异显著且粒径较大,中值粒径表层在7μm左右,中层在10~20μm之间,底层在10~25μm之间;小潮期间垂线分布比较均匀且粒径较小,表中底三层中值粒径分布均在3~6μm之间,中值粒径沿水深的垂向分布梯度很小。浑浊带粒度的空间分布特征表现在:浑浊带核心区域,大潮悬沙粒度中约含有30%黏土,70%粉砂,砂含量较少,砂比例垂向上呈增加趋势;核心区悬沙粒度三组分沿水深的分布在大小潮两个时段变化幅度较大,而浑浊带外缘粒度随潮动力的变化幅度不明显。近20~30年间,浑浊带区域的悬沙粒度中值粒径经历了"小-大-小"的变化过程,三组分也同样经历了一个先粗化再细化的过程。     

鄱阳湖丰水期水体悬浮颗粒物粒径空间分布特征

悬浮颗粒物粒径作为一项重要湖泊水环境影响因子,掌握其分布特征对改善湖泊水体生态环境具有重要意义。以鄱阳湖为对象,通过2017年6月丰水期的全湖观测,利用LISST-100X现场激光粒度仪野外采集颗粒物粒径数据,从平面和垂向两个空间角度分析了鄱阳湖丰水期水体悬浮颗粒物粒径分布特征及其影响因素。结果表明,鄱阳湖丰水期悬浮颗粒物所测中值粒径分布3. 63～62. 77μm范围内,在垂向上,悬浮颗粒物粒径整体上表层低于底层;在平面上,悬浮颗粒物中值粒径值大小:北部中部南部;同时对鄱阳湖丰水期悬浮颗粒物进行粒径等级划分结果表明,粒径组分以粉砂(3. 79～53. 49μm)为主,约占70%;悬浮颗粒物黏土和细砂的空间分布差异较大,南部湖区的黏土占比为北部湖区的一倍,而大粒径的细砂、中砂呈现出北部湖区和中部主湖区多于南部湖区的现象。水动力、人为采砂作业是影响鄱阳湖悬浮颗粒物粒径分布的主要因素,此外还受到底质与浮游植物的影响。     

长江口南 北槽悬沙遥感反演模型研究

为了给长江口航道治理及区域水土资源开发提供技术支持,利用2006~2008年卫星遥感影像数据和长江口多点实测含沙量数据,建立悬沙遥感反演模型,对长江口南、北槽泥沙含量进行了深入研究。结果表明：在含沙量小于0.2 g/L的低含沙量区,遥感反射率与水体含沙量之间呈线性关系;而在含沙量大于0.2 g/L的中高含沙量区,遥感反射率与含沙量之间呈对数关系。长江口大潮与小潮期的含沙量差异明显,按大、小潮分别建立遥感反演模型的精度较高。利用该模型可较好地反演出长江口南、北槽的含沙量场,并据此推断悬沙可能是造成北槽航道淤积的主要泥沙来源。     

悬浮泥沙反射光谱特性实验研究

作者对水槽中的不同浓度含沙水体的反射光谱特征进行了分析,并且同国内外同类研究结果进行了对比。在参考了国内外公认的Ⅱ类水体悬浮泥沙反演模式的基础上,选用了泥沙遥感参数,建立了悬浮泥沙遥感定量分析统计相关模式。该模式已成功地应用在神舟三号CMODIS影像的悬浮泥沙遥感定量反演中。     

基于MODIS影像的珠江口表层悬沙浓度反演及时空变化分析

利用MODIS光谱数据,采用经验反演法,建立了珠江口悬浮泥沙浓度与MODIS第一波段反射率的指数反演模型,模型能较好地反演浓度介于0.014~0.3/m3珠江河口的悬浮泥沙浓度。在此反演模型的基础上,对珠江河口反演出来的不同时段的悬沙分布进行统计分析,结合对应时段的珠江来水来沙、潮汐及风场的统计数据,分析悬浮泥沙的空间分布及季节变化特征,进一步探讨了不同影响因素对珠江河口悬沙输运扩散的影响。     

长江口深水航道海域悬浮泥沙光谱特性研究

 长江口深水航道治理和维护的核心问题为泥沙问题。对长江口深水航道 7 个浮标所在海域进行了不同浓度含沙水体的反射光谱测量,并且结合“长江口深水航道水文、泥沙、波浪自动遥测系统”遥测数据和野外现场取样数据,对其光谱特性进行了分析,发现这些海域悬浮泥沙的敏感波段在 730 ～ 930 nm 之间,并且 731 nm 附近的一阶微分与悬浮泥沙浓度相关性较好。在对其光谱特性进行分析的基础上,分别建立了悬浮泥沙光谱反射率、光谱反射率均值和反射率一阶微分的指数反演模型和二次反演模型,结果显示 900 nm 波长的指数模型可以较准确地定量反演出悬浮泥沙浓度。     

基于MODIS数据的鄱阳湖总悬浮物浓度监测分析

为了利用遥感卫星影像资料对湖泊水质进行连续、大范围的监测,以鄱阳湖为研究对象,通过对水体实测高光谱的特征分析,采用分期统计回归的方法建立总悬浮物(TSS)浓度反演模型,利用MODIS影像反演鄱阳湖TSS浓度的空间分布,并分析其时空分布特征.研究结果表明:红光和近红外波段是反演水质参数TSS的敏感波段,在同一环境下分析,...     

入流泥沙粒径组成对弱分层水体异重流及挟沙特性的影响

利用水槽设计水库分层水体模型试验,研究温度弱分层水体中不同入流泥沙粒径组成时异重流及其泥沙运动的特性。选用颗粒粒径0.01 mm、0.02 mm、0.05 mm的泥沙,开展了不同入流泥沙粒径组成条件下的异重流试验研究。在水温弱分层水库水体中,分析入流泥沙粒径组成的变化对分离点水深和间层流厚度的影响规律;不同泥沙粒径组成下,分析异重流在水库断面的泥沙浓度、较深的水域挟沙量变化规律;研究了泥沙沉淀量和悬浮量与入流泥沙粒径组成的关系。研究结果表明:在弱分层条件下,维持入流泥沙浓度3.75 g/L、入流速度0.005 m/s不变,异重流在水库中泥沙沉淀比例为29%~38%,泥沙在水库中的悬浮比例为46%~60%;粒径组成变化导致分离点深度和间层流厚度不同,颗粒粒径越大,分离点深度越深,间层流厚度越厚;异重流挟沙能力弱,水库淤积更严重,泥沙也会造成水库水浑浊;入库泥沙粒径越小,水库悬浮的泥沙浓度越大,水库的内源污染越大;当入库泥沙粒径较小时,宜在水库深水区取水,可减少水处理费用。研究成果可为水库取水、调水调沙提供参考。     

珠江磨刀门河口洪季悬沙与沉积物颗粒度分布及交换过程

基于洪季磨刀门河口实测水沙观测资料和河床表层沉积物数据,通过对不同区域不同时刻悬沙浓度和粒度、沉积物粒径组成分析,运用因子分析和粒度谱等统计计算方法,重点研究近期洪季磨刀门河口及滨海水域悬沙与河床沙交换过程及其动力机制。结果表明:磨刀门河口拦门沙内河道及汊道口区域的动力以径流为主的涨落潮流流系,悬沙与河床沙交换过程较弱;拦门沙浅滩区域泥沙运动表现为"波浪掀沙,潮流输沙"特性,再悬浮泥沙平均量占实测悬沙浓度的32%;拦门沙外滨海水域悬沙组成受径流与潮汐相对强度影响显著,构成上大潮时以再悬浮泥沙为主,小潮时则以径流下泄悬沙沉积为主,而悬沙输运方向受到东南向波浪和沿岸流控制。     

非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响

利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10～10²,泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10^-1～1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。     

Two Dimensional Heavy Metal Transport Model for Natural Watercourses

This work presents the development and calibration of a two‐dimensional (depth‐averaged) river flow, sediment transport and heavy metal transport model in natural watercourses. Because heavy metals occur in dissolved and adsorbed phases, implementing the active‐layer concept for sediment transport computation enabled the development of a heavy metal transport model that accounts for pollutant moving in dissolved phase, adsorbed on suspended sediment, adsorbed on bed‐load, deposited in the active‐layer of the river bed or adsorbed on sediment in deeper strata. The proposed concept also enables the modelling of pollutant exchange processes using accessible sediment particle surface area for suspended and bed sediment separately. The presented heavy metal transport model is able to manage sediment mixtures found in natural watercourses using an arbitrary number of sediment size‐classes, distinguishing in this way smaller size‐classes that engage in interaction with the pollutant. Using field measurements for a reach of the Danube River, simulations were conducted for water flow, sediment transport and heavy metal transport. While some discrepancies between measured and computed values for pollutant concentrations were observed, the model reproduced the water and sediment contamination quite reasonably with acceptable mass conservation errors. The simulations also gave an insight in the general behaviour of the monitored heavy metals in the considered river reach. Therefore, it can be concluded that the developed model is suitable for simulating complex flow, sediment transport and heavy metal transport conditions in natural watercourses. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于PLSR的珠江口城市河流水质高光谱反演

为研究珠江口城市河流水体高光谱特征与城市河流水质指数(CWQI)的关系,对中山市典型河流开展了高光谱监测和同步水质分析,基于偏最小二乘回归(PLSR)建立了高光谱数据与CWQI的反演模型,并研究了反演模型的最佳光谱分辨率和最优主成分数.结果 表明:基于化学需氧量、总磷、氨氮和溶解氧4项水质指标质量浓度值计算得到的CWQ...     

单排三角锥透空圆孔礁坝保滩促淤的试验研究

借助波浪水槽断面模型试验,开展了不同设计水位下的单排三角锥透空圆孔礁坝对波浪的消减作用及对砂质岸滩地形演变和底层水质点运动轨迹影响的研究。由试验资料分析可知:人工礁坝对波高消减、波面形态及波浪爬高有较大影响;人工礁坝会削弱掩护区的水动力强度,减弱波浪挟沙能力,促使超饱和悬沙在礁后落淤,且通过对水质点水平运动离岸流速的阻减,防止底层泥沙产生离岸亏损。本试验研究在一定程度上揭示了人工礁坝的消浪阻流特征及砂质岸滩地形的响应规律,可为人工礁坝在砂质海滩防护中的应用提供依据。     

鄱阳湖水环境演变特征研究

鄱阳湖水质安全是鄱阳湖生态经济区规划实施的重要物质基础,也是长江流域生态安全的重要组成。本文通过收集湖区主要水质监测断面2003-2008年逐月监测资料,采用单因子评价、湖泊富营养化评价、季节性肯达尔检验等分析主要河流、湖泊水环境演变特征。研究表明,鄱阳湖区现状水质较好,全年、汛期、非汛期的I-Ⅲ类水面积比例分别为63．9％、99．3％、40．8％,水体处于中营养一轻度富营养化状态。赣江、抚河、修河等人湖控制断面I一Ⅲ类水比例高于90％,乐安河、长江等控制断面I-Ⅲ类水质比例高于70％,湖口断面现状水质较差,Ⅳ类及以下水质比例高于30％。随着鄱阳湖流域社会、经济的发展,部分水质断面污染物浓度增加,湖泊I-Ⅱ类水面积比例呈下降趋势,需要采取有效措施,减少流域污染物排放量和人湖量,实现一湖清水的目标,为水利枢纽工程实施提供良好的水环境条件。     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

基于GF-1/WFV的钱塘江叶绿素a和总悬浮物浓度遥感估算

为了探究高分一号(GF-1)卫星对河流水体水质参数遥感反演的效果,使用GF-1卫星数据的16 m分辨率的GF-1/WFV传感器数据和地面实测数据,基于地面实测光谱反射率数据模拟WFV波段组合,构建水体叶绿素a和总悬浮物浓度遥感模型,从而对钱塘江流域杭州段水体水质参数进行估算。研究结果表明:基于B1-B3差值的二次多项式模型可用于叶绿素a浓度估算(R²=0.83,RMSE=0.74 μg/L),基于B3波段的二次多项式模型可用于总悬浮物浓度的估算(R²=0.92,RMSE=1 mg/L);通过模型应用于准同步的GF-1/WFV数据,较好反映了低潮位钱塘江杭州段水体叶绿素a和总悬浮物浓度的空间分布,为高分一号卫星数据遥感监测钱塘江水色参数做出了有益的探索性工作。研究方法及结果对其他流域河流水色遥感研究具有参考价值。