基于车载便携式DOAS对工业园区SO_2,NO_2和苯的走航观测

介绍了自行研发的便携式DOAS系统,该系统基于差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS),并结合了光纤光谱仪和多次反射池技术。通过采用SO_2标准气体和NO_2标准气体对系统的精确度及稳定性进行测试,利用该系统对铜陵市某工业园区的SO_2,NO_2和苯等污染成分开展了走航观测实验。结果表明,在整个测量期间,以上污染气体在近污染厂区显示了较高的浓度值,SO_2的最高浓度为5 023.2μg·m~(-3),NO_2为2 195.2μg·m~(-3),苯为162.5μg·m~(-3)。在吸收光程为12.6m时,系统对SO_2,NO_2和苯的最低检测限分别为67.0,169.9和30.6μg·m~(-3)。该便携式DOAS系统可为工业园区气体泄漏、无组织排放等气态污染物的应急性及监督性监测和评估提供便捷、有效的技术手段。     

通道式辐射计自动观测数据的反射率光谱拓展方法

为了适应光谱特性、观测角度不同的卫星载荷定标需求,提出了一种考虑地表双向反射分布函数特性(BRDF)的通道式辐射计光谱反射率拓展方法。利用国家高分辨遥感综合定标场的星地观测数据,对提出的自动观测数据光谱拓展方法进行验证。结果表明,通道反射率光谱拓展结果与地物光谱仪实测值相比平均相对差异为2.67%;而与Sentinel-2A/B卫星实际观测结果相比,各波段差异均在10%以内。进一步开展了不确定性分析,利用提出的光谱拓展方法获得的地表光谱反射率不确定度为3.34%,基于该方法的Sentinel-2A/B蓝、绿、红、近红外波段辐射定标总不确定度分别为3.35%,3.77%,4.10%,4.29%。     

基于走航观测的长江口邻近海域悬浮颗粒物高频变化研究

基于2018年5月27日—31日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江口邻近海域SPM浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显示,SPM在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程的作用明显,且SPM浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域中SPM浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。     

杭州湾水体光谱高频观测及在悬浮物动态变化监测中的应用

现场光谱观测是水色遥感真实性检验的基础。传统基于航次站位观测获取的水体光谱数据少,难以满足快速变化的近岸水体遥感产品真实性检验的需求。为此,国际上开始发展水体光谱连续观测系统,但目前近岸水体光谱连续观测系统仍较少,特别是在高浊度、高动态的水体。针对该问题,在杭州湾建立了一套基于海上塔台的高浑浊水体光谱高频观测系统。该系统每3 min获取一次水体光谱数据,实现与过境卫星观测时间的匹配。本文重点开发了基于海上塔台特点的水体光谱高频观测数据的处理方法,实现了晴空、耀斑、阴影、弱光照等自动判别,并对处理结果进行了检验。结果表明,塔台观测获得的归一化离水辐亮度光谱与船测结果具有较高的一致性,相关系数大于0.99, 平均相对误差为9.96%。此外,对塔台水体高频观测系统的长期观测能力进行了评价,结果表明,尽管系统运行一年之久,系统与便携式地物光谱仪ASD同步观测获得的水体归一化离水辐亮度在谱形和数值上一致性均较好,相关系数大于0.90,平均相对误差为6.48%。同时,利用系统高频观测的水体光谱可有效监测悬浮物浓度随潮汐的快速动态变化。杭州湾塔台水体高频观测系统为进一步开展浑浊水体水色卫星遥感产品真实性检验提供了丰富的现场光谱数据,特别是高时间分辨率的静止轨道水色卫星遥感产品的真实性检验。     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。     

立方氮化硼的振动光谱及反射光谱的研究

 将黑色、黄色、棕色三种小于50 μm立方氮化硼粉末为样品，研究了其红外光谱、拉曼光谱、反射光谱，结果表明：（1）样品的红外光谱中，1 818 cm^-1和1 548 cm^-1属于cBN的晶格本征振动，而立方氮化硼的晶格本征振动外的晶体缺陷吸收则发生在~800 cm^-1，1 580 cm^-1~1 740 cm^-1和大于2 400 cm^-1处。（2）拉曼光谱测试表明，在1 052 cm^-1和1 304 cm^-1附近出现的散射与cBN不具有反演中心及cBN具有立方结构这样的事实相一致，并且这种散射伴随着布里渊区中心声子的横向和纵向发射。144 cm^-1附近出现的散射，被认为是由于局部振荡模式的出现，在反斯托克斯区造成的信号，这与晶格中杂质缺陷有关。（3）依据得到的反射光谱，计算了cBN单晶禁带宽度，发现这三种cBN都具有大于金刚石的禁带宽度值，分别为：E_g(黑)=6.21 eV，E_g(黄)=5.73 eV，E_g(棕)=5.71 eV。     

Sentinel-2卫星的多光谱轻量级船舶目标检测算法

近年来深度卷积神经网络在可见光船舶检测方面取得了显著的进展,然而,大多数相关研究是通过改进大型的网络结构来提高检测性能,因此加大了对更高计算机性能的需求。此外,可见光图像难以在云、雾、海杂波、黑夜等复杂场景检测到船舶。针对以上问题,提出了一种融合红（red, R）、绿（green, G）、蓝（blue, B）和近红外（NIR）4个波段光谱信息的由粗到精细的轻量型船舶检测算法。与现有的方法中根据光谱特性利用水体检测算法提取水体区域不同之处是该算法是利用改进的水体检测算法来提取船舶候选区域。为获取更准确的候选区域,对船舶、厚云、薄云、平静海面、杂波海面5种场景中4个波段的像素值进行了统计分析,选取近红外大于阈值作为辅助判断,并以其中心点获取候选区域32×32大小的切片,并对切片进行非极大值抑制,由此获得了船舶粗检测结果。随后构建了轻量级LSGFNet网络对船舶候选区域切片进行精细识别。构建的网络融合了1×1卷积提取的波谱特征与3×3的提取几何特征,为防止光谱特征与几何特征的信息在融合时“信息不流通”,在LSGFNet网络中引入了ShuffleNet中的通道打乱机制,并减小了模型结构,与典型的轻量级网络相比具有更好的效果且模型较小。最后,利用Sentinel-2卫星多光谱10 m分辨率数据构建了512×512大小的1 120组数据进行粗检测,以及32×32大小的6 014组数据进行精细网络训练,其中候选区域粗提取的查全率为98.99%,精细识别网络精确度为96.04%,不同场景下的平均精确度为92.98%。实验表明该算法在抑制云层、海浪杂波等干扰的复杂背景下具有较高的检测效率,且训练时间短、计算机性能需求低。     

基于垂直观测的植被冠层高光谱偏振反射特性研究

以玉米冠层为研究对象,首先利用偏振反射机理分析了玉米冠层的反射信息中存在偏振现象;随后在抽穗前不同生长时期垂直观测方向对其高光谱偏振信息进行了测量,证明了理论推导,而且发现偏振光在总的反射光中所占的比例可达10%。这即表明了偏振测量可以为对地遥感提供辅助信息,同时也说明利用偏振信息反演大气参数时应该考虑地表偏振对它的影响。     

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究.从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、...     

基于多角度高光谱技术冰的偏振反射特性分析

对于可见光范围内,冰的反射光中包含部分偏振光,尤其是光滑的冰面,往往会使探测器获得的反射信息中包含更多的偏振信息。对淡水冰与海冰的反射信息进行了测量,同时结合角度信息与光谱信息分析了它们之间偏振反射特性的差异。发现在以偏振度为指标的前提下,海冰与淡水冰之间的差异相对反射信息较大,同时冰表现出了其特有的偏振特性。从而偏振测量可以辅助现有遥感技术更好的检测覆盖在地球表面的冰。     

不同质量含水量的土壤反射率光谱模拟模型

土壤含水量的时空分布与变化情况对土壤温度变化、陆地—大气间热量平衡以及陆面大气环流产生显著的影响,因此,对大范围内土壤含水量进行实时动态监测,获得某段时间内土壤含水量的连续变化情况具有重要的意义。研究目的是借助高光谱遥感手段,通过构建不同质量含水量的土壤反射率光谱模拟模型,深入了解土壤质量含水量与土壤反射率光谱之间的关系,为监测土壤含水量提供有效手段。利用ASD Field Spectral FR野外光谱仪和加水称重法获得北京市8个采样点的土壤样品不同质量含水量下的土壤反射率光谱实测数据,利用其中2个土壤样品不同质量含水量下的光谱数据构建含水土壤反射率光谱模拟模型,并利用未参与建模的另外6个土壤样品数据对该模型的模拟效果进行了检验。通过数据验证发现,当土壤质量含水量小于田间持水量时,该模型的模拟精度较高;而且对于不同的土壤样品,模型的模拟效果都比较好。最后又利用北京大学校园内三个采样点的实地测量光谱数据对模型进行了验证,光谱的模拟值与实测值之间的均方根误差最小可达0.005 8。因此该模型可实现对质量含水量小于田间持水量的不同类型土壤的反射率光谱进行较高精度的模拟。     

水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

在不考虑叶绿素荧光效应的前提下,基于水体光学活性因子藻类叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射系数,根据前向辐射传输模型模拟水面以上遥感反射率,分析了藻类叶绿素红光峰强度和波长位置随浓度的变化规律。结果发现：叶绿素浓度为1～50 μg·L-1时,红光峰强度和叶绿素浓度呈较好的线性关系,随叶绿素浓度的增加,线性关系越来越不明显。当叶绿素浓度为1～1 000 μg·L-1时,则呈现较好的对数关系;随叶绿素浓度的增加,红波段反射峰波长位置按对数规律逐渐向长波方向移动,不同水色组分的水体,其叶绿素在红波段的光谱反射特性随浓度的变化规律是一致的;此外,对比研究显示红波段反射峰特征不同于荧光光谱。     

双向反射模型反演沙地表粗糙度研究

由于沙地通常处在半干旱地区,在风蚀作用下表面结构特征会有所改变,同时,沙地表面粗糙度与组成成分的时间与空间变化也是研究风蚀模型所必须的输入信息。作为一种非接触的探测手段,遥感技术有助于实现对沙地表面粗糙程度在时空尺度上的研究。为了利用反射特性描述沙地表面结构特征,以人为模拟的粗糙沙地表面为研究对象,基于野外实测多角度高光谱反射信息,分析了沙地表面粗糙度变化对反射信息分布的影响,并且结合双向反射模型,试图利用模型参数反演粗糙度特征。通过研究发现,如果按照入射方向与沙地表面沙垄方向分类来看,与入射方向平行或者垂直均会对沙地表面反射分布特性有所改变。当沙垄方向与入射光方向垂直时,会使后向散射的反射峰值增加;而沙垄方向与入射光平行时,会使后向散射峰值向主平面两侧扩张。双向反射模型可以模拟沙地表面的反射特性,根据模型参数的变化也可以表示出沙地表面的粗糙度变化特性。这表明双向反射信息可以用于量化沙地表面结构特征,而且有助于了解结构特征对沙地光学特性的影响,也为研究颗粒介质固有光学特性以及反演沙地表面结构特征提供依据。     

杭州湾混浊水体表面光谱测量及光谱特征分析

悬浮泥沙是近海水体的主要光学活性物质之一,了解其光谱特征是建立准确遥感反演算法的基础。在我国典型高含沙海域——杭州湾的南北岸分别布设连续监测站位,采用水面之上光谱观测方法,利用美国ASD便携式地物光谱仪测量混浊水体的反射光谱,并且同步采集表层水样获取含沙量数据。研究结果表明：杭州湾水体表层含沙量较高,且随潮汐发生显著变化;水体反射率光谱曲线随含沙量浓度增大也相应升高,不同波长处升高幅度不同;通过光谱微分的方法分析水体反射率光谱特征,发现第一个反射峰出现“红移现象”;表层含沙量和对应MODIS各光谱通道的遥感反射率有不同的相关性,大于650 nm的长波通道的相关系数较大,400～550 nm短波通道的则较低;选取MODIS第2通道对应的遥感反射率利用最小二乘法进行回归分析取得了较好的拟合效果,可以作为杭州湾水体含沙量遥感反演的主要波段。     

光谱导航技术在果树果实定位中的应用

将光谱技术与导航技术有机结合是光谱分析技术的一个新颖且重要的应用方向。果实表面的反射光谱特征是果实物质的一种固有特征,果实与树叶、树枝的反射光谱在多个波段都有明显差异,根据果实表面反射光谱的不同, 进行导航定位是一项具有实用意义的研究课题。文章提出了一种光谱导航技术,将果实、树叶、树枝的反射光谱作为一个重要的导航参数,利用其差异进行导航。研究结果表明,果树叶光谱在可见-红外区具有明显的“平坦效应”; 果树枝光谱则是在很宽的波长范围内具有平稳的上升趋势; 而果实的反射率具有波动性变化。在850 nm处果实和叶子之间的反射率有较大差别,在这个波段附近设计阈值,则很容易识别果实与树叶。所提出的方法不仅可以快速区分果实、树叶和树枝,还可以有效消除外界环境的干扰。与传统的计算机视觉导航方法相比,光谱导航技术在果树果实定位方面具有一定的特色。     

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。     

多组分金属催化剂表面漫反射紫外可见光谱研究

研究了二氧化碳加氢甲烷化二组分、三组分担载型金属催化剂表面漫反射紫外可见光谱（ＤＲＵＶＳ）。根据ＤＲＵＶＳ提供的信息,揭示了催化剂组分间相互作用结果对催化活性的影响;不同助剂量催化剂ＤＲＵＶＳ特征强度与催化活性间定量关系也得到合理确定 。     

典型重金属污染水体光谱特征分析———以广东省大宝山尾矿水为例

目前水体重金属遥感反演相关研究仍比较薄弱。自然界中重金属污染水体的光谱特征研究是重要的基础性工作,是将来实现卫星遥感反演时波段选择的重要理论依据,也是遥感反演模型所必须的基础参数。首先利用Analytical Spectral Devices（ASD）光谱仪,测量获得以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体在两种水深和两种光照条件下的离水反射率光谱曲线,发现在600~700 nm（红波段）均有稳定的反射峰,然后进一步与自然界常见的两类水体（浑浊水体和富营养化水体）的反射峰位置进行对比,发现：以长湖水库石英砂厂附近为例的浑浊水体反射峰在550~700 nm（绿、红波段）,以北江韶关冶炼厂附近为例的富营养化水体反射峰在550~600 nm（绿波段）,3种水体的反射峰位置各异,说明该重金属污染水体反射率光谱与这两类水体具有很好的可分性。然后在测量水体反射率基础上,结合水质遥感模型和进行室内消光系数测量,反演得到大宝山尾矿水体的总散射系数和总吸收系数光谱,并进一步分离水分子吸收作用,最终得到水中成分的综合吸收系数光谱曲线,结果表明：在紫光波段吸收最强,在红光波段吸收最弱;具体表现为：从400 nm开始,吸收系数快速递减,在蓝绿光波段递减速度变缓,从黄光波段又开始快速递减,到676 nm达到极小值,然后又快速增强至750 nm,随后变化减缓。最后结合水样的水质化验结果,对该重金属污染水体的光谱成因进行分析,发现现场水色和水中成分的综合吸收系数光谱特征皆与作者前期研究测量获得的硫酸铁溶液颜色及其吸收系数光谱特征吻合,因此认为水中成分的光谱特征是由硫酸铁及其水解产物所引起。以上说明该重金属污染水体的光谱特征明显,反射峰和强吸收波长位置明确,这是将来利用卫星遥感手段反演水中重金属浓度的重要特征波段。该研究获得了以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体反射率、消光系数、散射系数和吸收系数的光谱结果,为日后推广至其他种类重金属矿的尾矿水体及水中成分光学参数反演提供方法依据,也为将来利用卫星遥感技术对水中重金属浓度进行定量提取打下良好的理论基础。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。