船运铁矿粉污染海冰反射光谱特征研究

国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定,对含有海洋环境有害的物质（HME）的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放,但因费用等因素影响,很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质,并加速海冰融化,对海洋环境造成一定的污染。对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究,能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异,为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的,获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征,探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。为了反演海冰表面铁矿粉面积比例,利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、铁矿粉端元提取,根据混合像元线性解混模型理论,建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 （洁净海冰）,25.8%,37.2%,46.1%,52.1%,65.1%,72.5%,82.3%,92.3%,93.1%和100%（纯铁矿粉）等,数据采集波长范围350～2 500 nm。结果表明,利用1 460 nm波段处的吸收指数（SAI）进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳,反射率与铁矿粉面积在918～1 400,1 500～1 780和2 250～2 300 nm波段,相关系数都大于0.90,86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上,91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。选取1 610～1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例,几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的,在克服海冰背景反射率的影响下,比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例,平均反演精度达到94.23%。     

基于反射率模拟模型的黑土有机质含量估测

定量分析了黑龙江省黑土室内高光谱反射率曲线特征,确定了影响反射光谱曲线的主要特征控制点,建立了黑土光谱反射率模拟模型并对其进行评价,分析比较反射率数据、模拟后的光谱数据与土壤有机质含量的关系,建立了土壤有机质含量光谱预测模型。结果如下：有机质是小于1 000 nm范围黑土反射光谱特征的决定因素,随有机质含量变化,黑土光谱反射率在该范围呈现单/双吸收谷特征;黑土反射光谱曲线在450～930 nm范围内有５个主要特征控制点;黑土反射率模拟模型能较准确地描述黑土反射光谱曲线,直线模型的模拟效果更好;以反射率模拟模型系数为自变量的有机质含量预测模型优于基于反射率及其一阶微分的模型,说明反射率模拟模型的曲线控制点选择合理且有代表性,反射率曲线模拟方法能够准确描述黑土的实际光谱反射率。     

蒙古栎展叶盛期变化的光谱特征及其影响因素研究

植物生长状况是反映环境变化的重要指标,在全球环境变化格局下,研究多环境因子及交互作用对植物的影响尤为重要。为探究植物光谱特征响应环境变化,从而探究环境变化对植物生长状况的影响,同时实现遥感对植物的监测,该研究以东北地区优势树种蒙古栎为研究对象,分析研究了不同光周期、温度和氮沉降交互作用引起的蒙古栎展叶盛期冠层光谱反射特征变化。基于大型人工气候室模拟试验,设置3个温度,3个光周期和2个氮沉降交互处理,每个处理4个重复。当蒙古栎进入展叶盛期时,每个处理选择差异较小的三个重复,使用FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪测量光谱反射率。对不同处理的蒙古栎冠层光谱反射率进行分析,选取NDVI（归一化植被指数）、Chl NDI（归一化叶绿素指数）和PRI（光化学反射指数）3个常用的光谱指数作为辅助分析,同时计算一阶导数光谱以得到红边斜率、红边位置、红边面积等参数。不同处理展叶盛期的蒙古栎光谱反射率趋势大体一致,均符合植物特有的光谱反射特征,在350~680 nm范围内有一个小的波峰,680~750 nm反射率显著上升,750 nm后进入反射平台。结果表明：(1）光周期对于蒙古栎冠层的光谱反射率没有明显的影响;(2）增温会减小蒙古栎冠层在350~750 nm波段处的光谱反射率;(3）施氮会导致蒙古栎展叶盛期350~750 nm波段和750~1 100 nm波段处的光谱反射率降低;(4）增温和施氮的交互作用会显著减小蒙古栎的光谱反射率;(5）通过一阶导数光谱可清晰地指示植物的红边特征。研究结果可为物候变化的监测与影响因素分析提供理论依据。     

基于小波变换的油膜光谱特征分析

水上溢油光谱作为高光谱遥感目标识别与分类的参考依据,在溢油识别与厚度区分等方面具有重要的研究意义。通过测量厚度范围为1.0～127 μm间的轻柴油的20组光谱曲线,计算其反射率光谱曲线随厚度变化的特征,并利用db4小波对反射率数据进行处理,突出光谱奇异性及其位置与奇异值随油膜厚度变化的特征。在研究范围内的油膜光谱反射率高于水体,但反射率值与油膜厚度间无固定增减关系。在其厚度小于6 μm时反射率光谱曲线无明显特征,厚度大于6 μm后在388 nm附近存在区别于水体的反射峰特征且随厚度增加特征愈加突出。油膜光谱小波分析后的细节系数在388～393 nm内表现出明显的奇异性,并且奇异位置随厚度增加向短波方向移动、奇异极值增大。研究证实了小波分析在确定油膜光谱特征位置与变化研究中的积极作用,并发现了紫外-可见光短波范围内的光谱特征,为紫外遥感进行溢油识别提供了科学依据。     

黑土反射光谱特征影响因素分析

以黑土高光谱反射率为研究对象,运用去包络线处理、光谱角度/特征匹配方法,分析黑土反射光谱特征主要影响因素。结果表明, 成土母质决定了土壤反射光谱的基本特征;有机质是小于1 000 nm范围黑土反射光谱特征的决定因素,同时由于有机质与土壤水分、机械组成的相关关系,间接影响着大于1 000 nm的波谱范围;土壤光谱反射率随含水量的变化过程可以用三次方程模型进行定量描述;铁对黑土反射光谱特性影响较小;粗糙度主要影响土壤反射率的大小;秸秆覆盖对土壤反射率大小与形状特征的影响均较大;不同耕作措施土壤反射率大小依次为免耕、翻耕、组合、少耕、旋松。     

有冰海区油膜光谱特征研究

近些年有冰海区石油的勘探、开发以及运输频度逐年上升,这增加了冰区溢油发生的风险。试验通过测量海水、碎冰、整冰等不同背景条件下轻柴油和原油油膜的可见光-近红外光谱反射率曲线,并与洁净的海水、碎冰和平整冰光谱曲线进行比较,得到能够有效识别冰区溢油的波段。测量结果表明：同一油种在不同背景下油膜的光谱反射率曲线有所差异,同一油种同一背景下由于分布形态不同光谱反射率曲线也有所差异。但同一油种的油膜仍呈现出许多区别于背景的共同特征：以海水、碎冰或整冰为背景的轻柴油油膜的光谱反射率曲线呈现“先低后高”、部分“相伴而行”的特点;海水、碎冰和整冰中原油油膜的光谱反射率曲线在750～770 nm区间出现楔状反射峰的典型特点。根据以上特点可以将溢油污染海水/海冰与洁净海水/海冰很好的区分开来,从而为遥感监测冰区溢油时的波段选择和溢油识别提供参考和依据。     

时间域混合像元分析在海冰密集度变化研究中的应用

传统意义混合像元分析方法是对有不同光谱特征的地物进行分解(spectral mixture analysis,SMA),得到各个组分在该像元内所占的百分数。而将光谱域的混合像元分析延伸至时间域内(temporalmixture analysis,TMA),提取的表征时间特性的端元用于像元分解所得残差小于8.5%,说明TMA提取南极地区海冰密集度时间变化特性具有可行性。将获取的多年平均端元用于2005年和2010年海冰密集度数据,得到残差分别为(1.4±2.42)%和(1.7±2.87)%,高于多年平均残差精度(1±1.53)%,在一定程度上反映某年海冰密集度数据相对多年平均值的变化。因此,TMA为全球变暖背景下的海冰密集度的时空特性研究提供了新思路。     

基于多光谱成像的光谱反射率重建

一些对颜色重现要求较高的应用领域需要获取目标表面上各点的光谱反射率。大多数天然物质表面的光谱反射率曲线比较平滑,可视为几个基向量的线性组合。基于这一原理的多光谱成像技术可以准确快速地重建目标表面的光谱反射率。通过对NCS色卡进行主成分分析,得出了彩色印刷品光谱反射率的基向量。建立了一个多光谱成像系统,用以比较基向量个数不同对反射率重建效果的影响。     

海冰高光谱辐射测量系统的设计及应用

海冰是地球气候系统中的关键要素之一,为此设计了用于测量海冰光学特性的海冰高光谱辐射测量系统,可实现3个通道的同时测量,设计了2种类型的光学探头,解决了探头水密性的问题,搭配“L”型支架实现冰下辐射的现场测量。设计了双向反射率支架,搭配角度传感器可实现探头于任一角度位置对海冰双向反射率的测量。系统积分时间智能设定,实现了积分时间设定的最优化和自动化。解决了低温工作的难题。另外系统还集成了4个温度探头和1个全球定位系统GPS。通过在辽东湾附近海域对海冰的现场实验,验证了系统的可靠性及准确性。     

利用光谱吸收深度定量反演碳酸盐矿物的影响因素及应用分析

光谱吸收特征是矿物识别与定量反演的重要指标。为提高利用光谱吸收特征定量反演矿物精度,以方解石为代表,以线性混合光谱模型与连续统去除方法为基础,以连续统去除吸收深度(CRBD)为分析对象,按端元光谱在2.33 μm附近有无吸收特征对光谱进行分类,并分析每类数据与方解石混合光谱CRBD随丰度、反射率以及光谱特征等影响因素的变化规律,进而非线性拟合其变化范围并提出一种新的矿物含量表示方法。研究结果表明,端元丰度对CRBD值影响较大,方解石丰度越大,吸收特征越明显,CRBD值越大。同样,混合端元反射率与光谱特征对混合光谱CRBD值影响也较明显,当混合端元光谱在2.33 μm附近为无特征时,端元光谱反射率越小,CRBD随碳酸盐丰度变化上凸越明显,为反射峰特征时,端元光谱反射率越大,下凹越明显;混合端元在2.33 μm附近为吸收谷特征时,CRBD随碳酸盐丰度接近线性变化。通过交叉分析与多端元混合光谱CRBD变化分析发现,混合光谱CRBD随碳酸盐矿物丰度及混合端元反射率变化受限于一定范围,其上限拟合方程满足指数函数变化,下限拟合方程为三次多项式函数,且拟合精度较高,R2均高于0.99,RMSE低于0.005。为实现矿物含量的精确预测,根据拟合方程提出一种以变化范围替代定量值来表示碳酸盐矿物丰度分布的方法,实现碳酸盐矿物含量反演的范围表示。通过影响因素分析及范围表示法可为矿产监测、定量评估等提供新的表达方法,为建立具有普适性的地物定量反演模型提供理论参考。     

渤海海冰反射光谱基本特征的观测研究

针对渤海海冰监测的需要,在分析前人相关研究的基础上, 从洁净平整冰入手, 通过控制实验,在辽东湾鲅鱼圈港内获取不同厚度的洁净平整冰、有积雪覆盖海冰和含有泥沙海冰的样本,开展海冰现场反射光谱观测实验。根据两年的观测数据, 在可观测到的小于30 cm厚度范围内,洁净平整冰的光谱曲线呈现出“一大一小” 的双峰特征,且主反射峰值与海冰厚度有较好的对应关系;有积雪覆盖海冰的主反射峰光谱值要大大高于相同厚度的没有积雪覆盖的洁净平整冰主反射峰光谱值;含有泥沙的海冰的光谱曲线在675～725 nm波长范围内表现为先略有抬升,然后再继续下降的特征,而且其主反射峰值也大大升高。积雪覆盖和泥沙是产生渤海海冰“同厚异谱”或“同谱异厚”现象的重要原因。     

Regular network model for the sea ice-albedo feedback in the Arctic

The Arctic Ocean and sea ice form a feedback system that plays an important role in the global climate. The complexity of highly parameterized global circulation (climate) models makes it very difficult to assess feedback processes in climate without the concurrent use of simple models where the physics is understood. We introduce a two-dimensional energy-based regular network model to investigate feedback processes in an Arctic ice-ocean layer. The model includes the nonlinear aspect of the ice-water phase transition, a nonlinear diffusive energy transport within a heterogeneous ice-ocean lattice, and spatiotemporal atmospheric and oceanic forcing at the surfaces. First results for a horizontally homogeneous ice-ocean layer show bistability and related hysteresis between perennial ice and perennial open water for varying atmospheric heat influx. Seasonal ice cover exists as a transient phenomenon. We also find that ocean heat fluxes are more efficient than atmospheric heat fluxes to melt Arctic sea ice.     

基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究

基于液晶调谐滤光片(LCTF)的光谱相机由于体积小、功耗低、集成方便,适合多种搭载平台,同时通过光谱反射率来识别目标物,可以有效解决同色异谱的问题,在伪装识别、精细农产品产值估计等方面有很好的应用前景。比较测量法因其能有效排除光照条件和场景背景条件的影响,重建效率较高,在光谱相机的光谱反射率重建中被普遍采用。比较测量法通常采用标准白板作为参考物,但实际应用中,经常会遇到目标场景空间位置不便放置标准白板的情况。针对这种情况,研究采用LCTF光谱相机采集的目标场景中亮度高的颜色作为参考的比较测量法进行目标物的光谱反射率重建来解决上述问题。实验以美国X-Rite的Gretg Macbeth Color Checker(MCC)色卡作为目标物,分别参考亮度高的五个不同色块,运用比较测量法完成红、绿、蓝三个色块的光谱反射率重建。将重建后三个色块的光谱反射率与采用台式分光光度计(X-Rite Color Eye7000A)测量的标准光谱反射比进行比较。结果显示,重建后的红、绿、蓝三个色块的光谱反射率曲线与用分光光度计测量的标准光谱反射率曲线的形状基本相似,每组曲线的均方根误差均小于0.05;重建的蓝色色块的光谱反射率以参考与其光谱反射比接近的蓝绿色重建的效果最好;重建的红色和绿色色块的光谱反射率以除白色外亮度最高的黄色为参考重建的效果最好;二者均比参考标准白板的反射率重建效果好。实验结果说明采用目标场景中亮度高目视效果明显的色块作为参考对象可被用来进行LCTF光谱相机的光谱反射率重建。该方法有效扩大了比较测量法以及液晶调谐光谱成像系统的应用效率。     

积雪性质与积雪表面双向偏振反射之间关系研究

积雪性质的变化会影响积雪的反射,从而遥感技术中可以利用反射信息的变化来确定积雪性质。由于反射过程中会产生偏振信息,在研究可见光近红外波段(350～2 500 nm)不同粒径大小积雪表面多角度反射特性的基础上,同时分析了粒径以及由干雪变成湿雪对积雪表面偏振反射特性的影响。通过野外测量结果表明,粒径大小对积雪表面偏振反射的影响在近红外波段1 500 nm附近比较明显,表现为在前向散射方向,随着粒径的增加对应的偏振度变大;这是由于在该波段附近,积雪对光的吸收很强,随着粒径的增加,吸收会变大,探测器获取的光大部分为单次散射光,而单次散射光是引起偏振信息的主要来源;在研究过程中发现从干雪变成湿雪这一过程会使偏振信息增加,这是由于湿雪表面水膜的存在,将相邻的雪粒粘连在一起,相当于使积雪粒径变大,但是这种影响主要体现在近红外波段。综上所述,将多角度偏振信息与反射信息结合可以为反演积雪性质提供可靠的方法与理论基础。     

Spectral reflectance characteristics of different snow and snow-covered land surface objects and mixed spectrum fitting

The field spectroradiometer was used to measure spectra of different snow and snow-covered land surface objects in Beijing area.The result showed that for a pure snow spectrum,the snow reflectance peaks appeared from visible to 800 nm band locations;there was an obvious absorption valley of snow spectrum near 1 030 nm wavelength.Compared with fresh snow,the reflection peaks of the old snow and melting snow showed different degrees of decline in the ranges of 300～1 300,1 700～1 800 and 2 200～2 300 nm,the lowe...     

历代景德镇青花瓷光谱特征分析研究

景德镇青花瓷是我国最具代表性的陶瓷品种之一,具有很高的学术价值和社会经济价值。不同年代的青花瓷仅靠外观难以区分,如何快速准确区分不同年代的景德镇青花瓷是文物保护界面临的一个难题。高光谱技术是一种完全无损的分析方法,并已经在壁画、字画等文物的颜料分析中得到成功应用,目前还没有关于瓷器文物的高光谱研究成果出现。选取28个历代景德镇青花瓷碎片样本,使用地面光谱仪测量样本胎釉和青花料部位反射率光谱,分析其典型光谱特征,并对历代青花料光谱特征参量变化趋势进行了分析。研究表明,青花料部位在可见近红外波段光谱特征较为显著,历代青花料光谱特征参量有较明显的差异,并有一定的变化规律。高光谱技术对于景德镇青花瓷的断代研究有很大潜力。     

基于实测数据的新疆富蕴季节性积雪光谱分析

使用FieldSpec 3(350～2 500 nm)光谱仪野外测得新疆富蕴地区季节性积雪光谱,与冰对比得出了该地区典型季节性积雪光谱特征,并分析了太阳高度角、 坡度、 雪深、 污染物浓度对积雪光谱的影响。研究结果表明：积雪反射率在可见光波段较高,随波长的增加逐渐减小;随着太阳高度角的增大积雪反射率逐渐降低,且在1 090和1 300 nm对太阳高度角的变化敏感;坡度的存在使积雪反射率大幅上升;在一定深度范围内,积雪反射率随雪深的增加而增大,在400～500和1 250～1 320 nm,反射率对雪深变化敏感;随着污染物的增加,积雪反射率在可见光波段明显下降,且波峰波谷趋于平缓。季节性积雪的光谱测量和分析工作对于积雪参数的监测和反演具有重要意义。     

雪的偏振高光谱反射影响因素分析

针对雪监测的需要和全球变化对雪的影响,在传统对雪研究的基础上,从多角度偏振反射入手,对光线的入射天顶角、探测天顶角、探测方位角、偏振角、雪密度、雪中污染情况、雪下覆背景等影响因素进行了分析。发现这些因素对雪的反射光谱曲线均有影响,而且某些因素对偏振高光谱反射的影响较垂直观测更显著。这些影响因素中雪污染情况对雪的反射光谱曲线有明显的改变,其他因素对雪的反射光谱曲线形状变化影响不大,主要是影响雪的反射比值。雪的偏振反射信息的研究具有重要理论意义,也有广泛的应用前景,同时也为利用遥感技术对雪的定量研究提供新的思路和方法。     

北极水下声信号跨冰层变化分析

北极海冰阻碍了海水和空气两个空间的信息传输。为获得冰层对水下声信号跨冰层传输的影响,采用三维检波器在北冰洋中心区开展了水下声信号的跨冰层实验。利用水冰界面反射模型和自由冰层Lamb波模型,对水下声信号小角度(小于10°)入射冰层时测量数据进行分析,结果表明:(1)20 Hz~1 kHz声信号入射到光滑冰层时,某些频率声波的反射率会明显降低,其中93%的反射率低点超过-10 dB,有的甚至会达到-20 dB以上。(2)冰层反射率低点对应的频段声波,能被冰层上方检波器接收到,并显示出较强的合振速谱,且与该站位自由冰层模型中同时产生的A2和S2模态Lamb波在频段上相符。这些结果可为跨冰层水声信号拾取和水声传播研究提供参考。