东平湖CDOM的光谱吸收特征及环境指示意义

随着南水北调东线工程的开通,东平湖作为山东段的两大调蓄湖泊之一,其水质的有效监测和污染预警显得尤为重要。根据东平湖夏季有色可溶性有机物(CDOM)吸收系数的空间分布特征和CDOM光学参数,探讨了CDOM吸收系数与溶解性有机碳(DOC)、叶绿素(Chla)等水质指标之间的关系,以期为今后建立水源水质突变的实时监控和污染事件预警系统提供依据。结果表明, 东平湖属于中-富营养型湖泊, CDOM吸收系数(a(280),a(350),a(440))均值分别为(12.90±1.17),(3.11±0.40)和(0.65±0.09) m-1, 在一定程度上反映了湖泊的营养状况。东平湖内CDOM浓度整体呈现出从东岸河口区向湖心区、西南岸递减的趋势, 体现了河流陆源输入对东平湖CDOM的重要贡献。东平湖水体的CDOM浓度(如a(440))可以用来估算反演常规水质参数, 但仍需要进一步对不同季节不同水域CDOM的物质构成进行深入分析和研究。由吸收特征值S值、E₃/E₄、M值得出, 东平湖河口区输入的陆源CDOM进入湖泊后, 随着陆源输入的比例下降CDOM腐殖化程度降低, 富里酸的相对含量升高, 且相对分子质量也逐渐减小。     

辽东湾海冰反射特性

海冰反照率是研究海冰表面特性、海冰分布、海冰厚度和极地气候的重要光学量之一。将卫星于不同位置所测量到的海冰双向反射率准确地转化为相应的反照率的值,对于获得大规模海冰的时空特性是非常重要的。研究了辽东湾海冰反照率与海冰双向反射分布函数之间的相关关系。结果表明：(1)反照率与海冰组分密切相关,海冰表层颗粒物浓度越高,反照率α(λ)的值越小,气泡的含量越高,α(λ)越大;(2)当仪器探头天顶角θ为0°时,所测量的双向反射因子R_f与反照率α(λ)的值是相似的;随着θ的增大,R_f的值逐渐增大,且与探头方位角的相关性逐渐增强;当θ的值等于太阳天顶角63°时,R_f的值最大,且与探头方位角的相关性最强;(3)不同类型的冰具有不同的各向异性反射因子。     

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ: 实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数m_os以及油的折射系数m_o;最后,利用β(λ,θ)和估算的m_os值及m_o计算出各类样本的后向散射系数b_b(λ),分别建立油污水b_b,o(λ)和石英砂b_b,s(λ)与油砂混合总b_b,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。     

大型丝状绿藻生长过程中有色溶解有机质光谱特征的变化

通过室外模拟实验研究崇明岛北湖滩涂大型丝状绿藻常见种-刚毛藻在生长过程中有色溶解有机质(CDOM)的光谱特征变化。利用三维荧光光谱(EEMS)检出的类蛋白和类腐殖酸荧光峰在对照实验中变化不大,而在培养实验中明显增加。采用平行因子模型(PARAFAC)结合三维荧光激发-发射矩阵数据分析得到的CDOM的4个组分: C₁, C₂, C₃, C₄,分别与类腐殖酸荧光峰A(C),M和类蛋白荧光峰B和T有关。培养实验中,4组分分别增加了211.5%,255.8%,75.3%和129.3%;对照实验中除C₁降低34.3%外,其他组分无明显变化。吸收系数a(355)在培养实验中增加了92.9%,并且与4组分显著正相关(P<0.01);对照实验中a(355)降低了59.8%,仅与C₁显著相关(P<0.05)。此外对表征分子量和组成的M值和S值进行比较发现,培养实验中M值和S值均低于对照实验。这说明在刚毛藻生长过程中可能有大分子和较强芳香性的CDOM产生。所有结果表明,刚毛藻的生长过程能够引起CDOM含量和组成结构的变化。     

基于光谱相关关系的海水总悬浮颗粒物吸收光谱的分解

基于吸收光谱相关关系建立了一种海水总颗粒物吸收光谱(a_p(λ))分解模型, 利用有约束的非线性优化算法实现了浮游植物(a_ph(λ))和非藻类颗粒物吸收光谱(a_NAP(λ))的分离。采用2004年南海北部航次调查水体的实测数据分析发现, 在短波波段(a_ph(λ))可以较好地表示为a_ph(443)的二次多项式形式, a_NAP(λ)遵循普遍的指数衰减规律。基于这种光谱变化规律本文建立了a_p(λ)分解模型, 并采用2005年同一海区实测数据进行验证,发现模型计算光谱与实测数据有较好的相似性,在主要的吸收波段如443,490和683 nm处的平均相对偏差值在17％以内,两者之间线性关系拟合的决定系数(R2)均在0.97以上, 斜率接近于1.0。与现有的分解方法相比,该模型具有明显的区域优势,这种基于光谱相关关系的分解思想可进一步应用于水色遥感信息的反演和海水总吸收系数的分解。     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

利用高光谱植被指数估测苹果树冠层叶绿素含量

叶绿素含量是反映植物生长状况的重要参数。利用ASD FieldSpec 3光谱仪,测定春梢停止生长期苹果冠层高光谱反射率,对原始光谱进行微分变换,与苹果叶绿素含量进行相关分析确定敏感波段,通过分析敏感区域400～1 350 nm范围内所有两波段组合的植被指数,选择最佳植被指数并建立苹果冠层叶绿素含量估测模型。结果表明：(1)苹果冠层叶绿素含量的敏感波段区域为400～1 350 nm。(2)利用筛选得到的植被指数CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)构建的估测模型能较好的估测苹果冠层叶绿素含量。(3)以CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)指数为自变量的估测模型CCC=6.409+1.89R3+1.587R2-7.779R预测效果最佳。因此,利用高光谱技术能够较快速、精确的对苹果冠层叶绿素含量进行定量化反演,为苹果长势的遥感监测提供理论依据。     

基于高光谱特征与人工神经网络模型对土壤含水量估算

土壤含水量(θ)是影响作物生长和作物产量的主要因素之一。旨在评估基于光谱特征参数的各种回归模型估算土壤含水量的精度,并比较人工神经网络(BP-ANN)和光谱特征参数模型的性能。2014年在室内获取砂土和壤土的土壤含水量和光谱反射率数据。结果表明：(1)当砂土容重为1.40 g·cm-3时,900～970 nm最大反射率和900～970 nm反射率总和估算θ达到极显著水平(R2超过0.90);容重为1.50 g·cm-3时,用蓝边最大反射率和900～970 nm反射率总和估算θ相关性最好(超过0.70);容重为1.60 g·cm-3时,780～970 nm反射率总和与560～760 nm归一化吸收深度的R2均超过0.90,达到极显著水平;容重为1.70 g·cm-3时,900～970 nm最大反射率和900～970 nm反射率总和的R2为0.88,呈极显著水平。(2)当土壤类型为壤土时,用900～970 nm最大反射率和900～970 nm反射率总和估算θ相关性最好。(3)蓝边反射率总和(R2=0.26和RMSE=0.09 m3·m-3)和780～970 nm吸收深度(R2=0.32和RMSE=0.10 m3·m-3)估算砂土的含水量相关性最好。在估算壤土的含水量时,900～970 nm最大反射率(R2=0.92和RMSE=0.05 m3·m-3)与900～970 nm反射率总和估算模型的精度最高(R2=0. 92和RMSE=0.04 m3·m-3)。(4)用人工神经网络模型能够更好地估算两种土壤的含水量(R2=0.87和RMSE=0.05 m3·m-3)。因此,人工神经网络模型对θ估算具有巨大的潜力。     

实测高光谱和HSI影像的区域土壤盐渍化遥感监测研究

通过典型研究区不同盐渍化土壤光谱反射率数据的变换和分析,选择与土壤含盐量响应敏感波段,建立实测高光谱土壤含盐量反演模型,以校正HSI影像建立的土壤含盐量反演模型。结果表明：实测高光谱土壤含盐量反演模型与HSI影像土壤含盐量反演模型均有较好的精度,模型判定系数(R2)均高于0.57,且模型稳定性较好。校正后的HSI影像土壤含盐量反演模型,模型判定系数有了较大提高,R2从0.571提升至0.681,且通过了0.01的显著性水平,均方根误差(RMSE)值为0.277。模型能够较好地提高区域尺度条件下土壤盐渍化监测精度,运用此方法开展盐渍化土壤定量遥感监测是可行的。     

卤代苯甲酰基二茂铁的紫外光谱研究

研究了全系列的邻、间、对-卤代苯甲酰基二茂铁的紫外光谱,发现化合物紫外光谱K带及R带 λ_max值呈现如下规律：卤素相同而取代位置不同时,K带和R带λ_max值均为λ_max(m-X)＞λ_max(p-X)＞λ_max(o-X); 卤素不同而取代位置相同时,K带λ_max值顺序为λ_max(Cl)＞λ_max(Br)＞λ_max(I)＞λ_max(F),而R带λ_max值顺序为λ_max(I)＞λ_max(Br)＞λ_max(Cl)＞λ_max(F), 邻位为Br,I时出现例外。     

标准线性固体材料中球面应力波传播特征研究

基于标准线性固体模型, 结合球面波波动方程, 给出了球面应力波的粒子速度v、粒子位移u、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、径向应变ε_r、切向应变ε_θ、折合速度势、折合位移势在Laplace域的理论解. 采用基于Crump算法的Laplace数值逆变换方法分析了上述物理量的传播特征. Laplace数值反演结果表明, 线黏弹性材料对强间断球面应力波的初始响应为纯弹性响应, 强间断在传播过程中包含了几何衰减和本构黏性衰减, 应力、应变、粒子速度的衰减特性和粒子位移、应力、应变、折合位移势等物理量的稳态值同黏弹性球面波的理论预测一致. 折合速度势和折合位移势的峰值随波传播距离的增加逐渐衰减, 这与理想弹性理论给出的折合速度势和折合位移势不随传播距离变化的结论不同. 折合位移势的稳态值与介质的静态剪切模量成反比, 与稳态空腔压力成正比, 与空腔半径的三次方成正比.     

四种姜黄素类似物核磁共振谱的理论研究

在B3LYP/6-31G(d, p)水平下优化了四种姜黄素类似物的几何构型,并通过振动分析验证了其构型稳定性。在B3LYP/6-311G(d, p)水平下计算了该类化合物的核磁共振谱,研究结果表明：四种化合物主体结构共平面性较好,为一较大共轭体系。由于羟基及甲氧基的引入,使Compound-B/C/D中C₃,C₄以及Compound-A/D中C₅均具有较大δ值,Compound-A中C₄和C₆的δ值相对较小,C₃的δ值相对较大。而在羰基与碳碳双键所形成的共轭羰基化合物中,羰基C₁₃的δ值(183 ppm)相对于乙醛中的δ值(201ppm)有所减小,C_{11, 15}(α碳)的δ值(122 ppm)相对减小,而C_{9, 17}(β碳)的δ值(145 ppm)相对增大。最后,通过线性回归方法,利用相关系数值r研究了1H NMR δ值的实验和理论计算值的相关性,结果表明相关性较好,实验值和理论值基本吻合。     

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的空间分布

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂为源料气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石中的氢原子(H_α,H_β,H_γ)、碳原子C(2p3s→2p2：λ=165.7 nm)以及CH(A2Δ→X2Π：λ＝420～440 nm)的发射过程进行了模拟,研究了不同CH₄浓度下各发射谱线的空间分布。结果表明,不同CH₄浓度下各发射谱线在反应空间的大部分区域内均随距灯丝距离的增大而增大,而当到达基片表面附近时有所减弱。随着CH₄浓度的增加,H谱线强度减弱,CH与C谱线强度增强。     

典型半干旱区土壤盐分高光谱特征反演

选取陕北典型半干旱区为研究对象,利用土壤高光谱特征对盐分进行反演研究。在研究区域选取样点,采集土壤样品测定土壤光谱特征,以土壤反射率(R)、反射率对倒数(Log(1/R))及去包络线的反射率(R_cr)三个光谱特征进行土壤盐分反演研究,分析其与土壤盐分的相关性,遴选特征波段,并通过Matlab编程利用最小偏二乘回归方法(partial least squares regression,PLSR)建立土壤盐分定量反演模型,然后利用检验样点进行精度检验和比较。结果表明,利用经包络线去除后光谱反射率进行定量反演的均方根预测误差最小(1.253<1.367<1.575),其预测精度最高;利用土壤高光谱特征进行盐分反演的预测值与实测值相关性良好(r2=0.761),趋势线接近于y=x。总之,研究发现,土壤反射率经过包络线去除后,利用偏最小二乘回归方法建立的反演模型具有良好的精度,这将有利于提高土壤盐渍化的监测效率。     

基于叶片光学属性的作物叶片水分含量反演模型研究

叶片含水量是反映作物生理特性的一个重要参数,对生态环境的研究具有重要意义。采用小波分析方法,分析叶片含水量对反射率的影响特征,建立综合利用多波段信息的作物叶片水分含量反演模型。基于PROSPECT模型的辐射传输理论,推导出由叶片反射率光谱的小波系数反演叶片水分含量C_W的理论模型。利用六种常用的小波函数,对叶片组分水、干物质和白化基本层的吸收光谱进行小波分解。选取对水分变化最敏感,同时对其他组分不敏感的分解尺度和波段位置,找到能稳定突出水的光谱特征的小波系数。结果表明：bior1.5小波函数在尺度为200 nm,波段位置为1 405和1 488 nm的小波系数具有上述特征。建立由叶片反射率光谱的bior1.5小波系数反演叶片水分含量C_W的反演模型,模型有两个转换系数a和Δ都受叶片结构参数N的影响。利用PROSPECT模型生成模拟光谱数据集,校正建立的叶片水分含量反演模型中的两个转换系数a和Δ,并与LOPEX93实验光谱数据集结合验证反演模型。结果表明：反演模型不仅比传统基于植被指数的统计模型在精度上有提高(反演值与实测值的R2最高达到0.987),而且更加稳定,普适性更高。研究表明,小波分析方法在利用高光谱数据反演作物叶片水分含量方面具有独特的优势。     

绿松石的激光拉曼光谱研究

对湖北、安徽地区绿松石进行了激光拉曼光谱测试分析。结果表明,绿松石中H₂O,OH-及PO3-₄的基团振动是导致其激光拉曼光谱形成的主要原因。3 510～3 440 cm-1的谱峰是由ν(OH)伸缩振动所致,其中ν(OH)振动导致的强拉曼特征谱峰在3 470 cm-1附近,ν(H₂O)伸缩振动致拉曼谱峰位于3 290～3 070 cm-1附近的较为宽缓的弱谱峰处;由ν₃(PO₄)伸缩振动致强拉曼特征谱峰在1 200～1 030 cm-1之间,其中ν₃(PO₄)振动导致的强拉曼特征谱峰在1 039 cm-1附近,ν₄(PO₄)弯曲振动位于650～540 cm-1范围,ν₂(PO₄)的弯曲振动谱峰位于500～410 cm-1处;不同产地、不同结晶类型的绿松石表现出的拉曼谱峰特征基本一致。     

基于EEMs及PARAFAC的洪湖、东湖与梁子湖CDOM组成特征分析

国内外关于长江中下游地区如洪湖、东湖及梁子湖等大中型浅水湖泊DOM组成特征的分析较少,本文基于2007年9月—10月洪湖、东湖与梁子湖34个站点野外实地采样数据,运用三维荧光图谱(EEMs)与平行因子分析(PARAFAC)模型,着重分析了三个湖泊CDOM吸收荧光特性及组成特征。结果表明,CDOM在350 nm处吸收系数a(350)在三个湖泊表现为洪湖极显著高于东湖与梁子湖(p<0.001);三个湖泊CDOM光谱斜率S_280～500与a(350)呈极显著负相关(R2=0.781, p<0.001)且洪湖S_280～500值极显著低于东湖与梁子湖(p<0.01);光谱斜率比值S_R值也表现为洪湖显著低于东湖与梁子湖(p<0.05)。PARAFAC模型解析得到两个类腐殖质组分(C1, C2),两个类蛋白质组分(C3,C4),其中组分C1与C2呈极显著正相关(R2=0.884,p<0.001),组分C3与C4亦为极显著正相关(R2=0.677,p<0.001),这表明三个湖泊CDOM组分C1与C2,C3与C4来源相似,然而统计结果并未发现四个荧光组分与DOC及Chl-a浓度之间存在任何显著性相关关系。三个湖泊荧光指数FI₂₅₅(HIX),FI₂₆₅,FI₃₁₀(BIX)与FI₃₇₀值均表现为东湖显著高于梁子湖(p<0.05),极显著高于洪湖(p<0.01),这意味着东湖富营养化程度高于洪湖与梁子湖。     

面向高光谱大气臭氧传感器的多观测几何条件下紫外辐射模拟及对TOMS V8算法臭氧初值估算模型改进与评价

新型高光谱大气臭氧传感器大多计划搭载地球静止轨道平台,其对大视场范围和时间范围内的臭氧总量提取提出了更高的需求。TOMS V8算法在低轨卫星大气臭氧传感器得到广泛的应用和发展,但其在大观测几何条件下的提取精度不足,因此如何提高TOMS算法在新型传感器上的提取精度是当前亟待解决的问题。利用MODTRAN大气辐射传输模型模拟了晴空场景TOMS算法标准廓线各观测几何条件下的地球紫外后向散射辐射,分析了各观测几何条件下后向散射辐射亮度与臭氧总量拟合模型,并根据模型拟合精度情况,得到了不同观测几何条件下后向散射辐射随臭氧总量的变化关系,提出了改进的臭氧总量初值估算模式。对改进模式与传统模式的臭氧总量初估结果表明,传统模式依赖于指数模型的拟合精度,而改进模式依赖于对数模型的拟合精度,指数模型和对数模型均表现出高的拟合精度,但对数模型的拟合精度比指数模型在整个臭氧浓度范围内平均高约0.9%。改进模式使臭氧总量初估的总体精度得到改善,RMSE降低约0.087%～0.537%,并且在较大观测几何和臭氧总量低值区（175～275 DU）间则更加显著。在臭氧总量低值区间以及较大观测天顶角和太阳天顶角条件下,改进模式具有更高的估算精度和更大的适用范围。该改进的臭氧总量初值估算模式可为日后TOMS算法的更新提供支持和参考依据。