水体的多角度偏振波谱特性及其在水色遥感中应用

清洁水体光谱在可见光和近红外波段的反射率比较低,其光谱特征不明显,在光学遥感图像上水体一般都表现为暗色调,造成了利用光谱学手段进行水体遥感识别和水质参数反演的困难。在研究水体的偏振波谱时作者发现,在对水体进行多角度观测时,水体在可见光与近红外波段的偏振度波谱值要远大于其无偏的反射率,表现在图像上即水体的偏振度图像的亮度要远大于其强度图像的亮度,文章对这种现象和规律进行了物理学解释,并利用法国PARASOL多角度偏振卫星遥感图像数据对这个规律进行了验证。该文首次揭示了利用多角度偏振遥感进行水体探测的优势,该方法有效解决了在利用光学遥感进行水体探测时反射率低的难题,大大提高水体的遥感识别能力和水质参数反演精度。     

水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。偏振信息是遥感数据空间、辐射、光谱信息之外的又一重要信息。对于光学遥感数据来说,偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力,其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射,从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用,使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体,要么面向室内人造光源条件下的模拟水体,鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜,实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱,定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性,以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时,采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好,推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。相比于传统的非偏振水面光谱测量方法,水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小,能够更精确的提取离水辐射。     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900nm)测量

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度,通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数,最终得到其400~900nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量,为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明,硫化镉在675nm出现极大值,在550和830nm出现极小值;氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势;两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明,硫化镉的反射率从500nm开始快速增大至650nm后趋于平缓;氧化镉从525nm开始呈近线性递增至900nm;二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作,并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线,是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一,为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口,测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据,同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。     

浅水湖泊中介质吸收系数的反演

基于在太湖、天目湖观测的水下光场资料,假定在水体中无内光源及无非弹性散射的情况下,通过水体中向上、向下的辐照度廓线分布,及由此确定的漫射反射率、漫射衰减系数,较为成功地反演了水体中介质的固有光学参数--吸收系数,且在较大程度上降低了由波浪及船舶阴影所带来的误差.同时将该反演结果与通过定量滤膜技术测定的结果进行了比较,二者吻合得较好.该方法有利于研究进入水体的太阳辐射能在各介质之间的分配及水生生态系统对水下光场的响应、大型浅水湖泊中蓝藻水华的暴发机理、提高二类水体水质定量遥感精度.     

珠海一号高光谱卫星的于桥水库水质参数反演初步研究

水体中的悬浮物浓度和透明度是水质调查中的基本参量,也是评价水环境优劣的重要指标。卫星遥感技术可以大范围、较快速、低成本地实现主要水质参数的反演,但是对于水质复杂多变且水域面积较小的内陆水体来说,目前常用的卫星不能满足水质参数的反演需要。珠海一号卫星星座是由珠海欧比特宇航公司发射的新型高光谱卫星星座,具有高空间、高光谱、高时间分辨率的特点,在内陆水体水质监测中具有重要潜力;然而目前对于运用珠海一号数据进行内陆水体水质参数遥感监测的适用性有待研究,需要开展星地同步实验检验其应用效果。以珠海一号高光谱卫星作为遥感数据源,以于桥水库为研究区,利用与卫星同步的水面实测数据,使用经验回归的方法分别构建了悬浮物和透明度的反演模型,并开展了悬浮物浓度和透明度的模型精度检验。检验结果证明,于桥水库悬浮物浓度和透明度的反演模型最佳波段组合分别为R_rs(684)/R_rs(540)和R_rs(656)/R_rs(556),模型反演相对误差分别为8.6%和11.7%,均方根误差分别为1.0 mg·L-1和18.2 cm。利用建模公式得到了2018年11月22日于桥水库的水质参数分布图,发现于桥水库的悬浮物浓度空间分布呈现北高南低的特点,而水体透明度的空间分布呈现出北低南高的分布特征,这种空间分布特征应该主要是因为于桥水库北部水较浅南部水较深,水越深底泥越不容易再悬浮导致的。基于星地同步实验的于桥水库水质参数反演建模和检验结果初步说明了珠海一号高光谱卫星在定量反演内陆水体水质参数方面具有潜力,未来需要开展更多的星地同步实验进一步完善预处理和反演模型。     

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。     

黄浦江上游遥感监测溶解氧模型与时空变化

溶解氧含量是反映水体有机污染的重要水质指标。文章选择黄浦江上游水源中的典型水质参数——溶解氧为研究对象,利用地面高光谱遥感数据、多光谱遥感数据和现场水质监测数据来研究水体反射光谱特征与水质参数浓度之间的关系,发现溶解氧含量与641 nm波段的光谱反射率相关性最高,由Landsat5 TM第3和4波段的遥感反射率比值变量所建立的对数模型相关性最高,达到0.829。在此基础上,基于多时相遥感影像对溶解氧模型的通用性和准确性进行验证,并探讨了溶解氧的时空变化规律。结果表明,该模型具有较高精度,估测值与地面实测值在时间变化规律上保持一致,同时根据该模型得出的黄浦江上游溶解氧含量空间分布规律与该区域的有机污染实际分布情况是相互吻合的。     

基于天空光遮挡法的漂浮式水体光谱测量系统研制

精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。传统的剖面法、水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(L_w),后处理过程比较复杂,不确定性较大。天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单,能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。但目前为止,国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统,因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上,介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况,详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(R_(rs))的功能,其变异系数均小于5%,将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比,表现出良好的一致性,证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、数据质量控制、数据高频获取、浮标姿态记录、多要素联合观测、长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。综上所述,基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测,以及水体光学特性的快速变化动态跟踪,有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率;基于该系统,在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集,有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

基于GOCI影像分类的太湖水体叶绿素a浓度日变化分析

叶绿素a浓度(Chlorophyll-a: Chl-a)是内陆水体重要的水质参数之一,遥感数据为其提供了大范围、多时相的监测信息,然而由于内陆湖泊水色要素复杂的光学性质及较大的时空差异,传统的遥感影像及单一的Chl-a反演模型在应用中存在着局限性。因此本研究以太湖为研究区,时间分辨率1小时的静止海洋水色卫星Geostationary Ocean Color Imager(GOCI)为数据源,在基于层次聚类法实现归一化实测光谱反射率分类的基础上,利用光谱角测距匹配实现2012年5月6日(08:16—15:16) 8景GOCI太湖影像的水体分类;并针对不同水体类型分别建立基于GOCI影像的Chl-a反演模型,实现不同类型水体的Chl-a浓度反演。结果表明,太湖水体光谱可分为四类,类型1光谱体现出漂浮藻类的特征,可将其作为蓝藻水华的判定依据;类型2—4体现的特征分别为水体含有较高Chl-a浓度、较高悬浮物浓度及相对较低Chl-a较低悬浮物浓度;并且类型2—4与分类前相比,其分类模型估算的Chl-a浓度误差均得到了不同程度的提高,平均相对误差分别降低了7%,12.3%和15.9%;此外,GOCI影像反演结果不仅可以很好地反映Chl-a浓度的空间分布状况,也能反映出太湖Chl-a浓度的日变化差异及规律,表现出了其在富营养化污染动态监测及预警中的应用潜力。该方法在GOCI影像中的应用,在提高Chl-a浓度反演精度的同时也提高了模型在实际应用中的适用性,为日后太湖水体不同时刻Chl-a浓度的精确估算提供了基础。     

高叶绿素水体荧光峰位置变化响应关系研究

水体反射光谱红光区荧光峰是叶绿素特有的光谱特征,研究其位置变化与叶绿素的响应关系有助于内陆水体叶绿素含量的定量反演。通过2004～2006年13次长春南湖水体反射光谱和水质参数实测数据,分析了不同光谱分辨率下荧光峰位置变化与叶绿素a含量的响应关系,结果表明,两者呈现指数函数关系,即Peak position=a(Chl-a)b,不同光谱分辨率下,a在686.11～686.29,b在0.006 2～0.006 5间变化,且光谱分辨率越高,响应关系越好;荧光峰平均波长位置与叶绿素平均含量高度相关(R2>0.81),荧光峰位置变化适合用于反演叶绿素含量分布较为均匀的水体。这为今后利用成像光谱仪监测内陆水体叶绿素含量提供了实验和工作基础。     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

基于珠海一号高光谱卫星的巢湖叶绿素a浓度反演

叶绿素a是重要的水质参数,可以衡量水体的富营养化程度。遥感技术可以实时、快速、大范围地获取水体中叶绿素a的浓度与分布,对于水生态环境的评价及治理具有重要意义。内陆水体的光谱特征复杂,宽波段的多光谱遥感难以精确获取水体的光谱信息。国产珠海一号高光谱卫星因其光谱分辨率高,波段多等优势在内陆湖泊的遥感监测中具有广阔的应用前景。基于珠海一号高光谱数据,充分发挥其高光谱分辨率的优势,对巢湖的叶绿素a浓度进行反演,从影像中提取实测点处的遥感反射率曲线,筛选具有显著光谱特征的波段,并以OIF指数衡量不同波段组合获取水体组分信息的能力,以此构建与实测叶绿素a浓度相关性较高的波段组合。结果表明珠海一号OHS-2A星影像的14,16和19波段所构建的三波段模型[R_rs(700 nm)-1-R_rs(670 nm)-1]×R_rs(746 nm)在巢湖的叶绿素a浓度反演中取得了较高的精度,相对误差和均方根误差分别为19.97%和10.85 mg·m-3。由模型反演巢湖2019年5月10日的叶绿素a浓度空间分布图可知,叶绿素a浓度自东向西呈上升趋势,全湖南部和东北部的叶绿素a浓度较低,西巢湖的北部叶绿素a浓度最高。西巢湖的整体叶绿素a浓度是全湖最高的,尤其是其北部水域,水质情况较差,已经出现了一定面积的水华,其主要原因在于该地区紧邻合肥市,人类活动强烈,污水废水排放量大。珠海一号高光谱卫星对于内陆湖泊的水质反演具有一定的优势,但也存在着数据处理困难,波段利用率低,反演模型普适性差等局限,今后仍需借助珠海一号高光谱数据开展更多的湖泊遥感研究,不断提出高光谱遥感影像处理的新方法,提高反演模型的精度与普适性,充分挖掘数据源的潜力,使其更好地服务于水质的遥感监测工作。     

内陆河道表层水体反射光谱的走航观测研究

现场水体光谱观测是水体光学性质、水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一.常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制,需要依据船体位置、太阳方位等不断调整观测角度,特别是针对河道水体光谱观测时,还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况,因此,只能设置若干站点进行离散样点的观测,难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展...     

水体氮磷高光谱遥感实验研究初探

水体中氮、磷含量是衡量水质的主要指标,遥感技术在环境监测中具有重要意义。利用高光谱遥感技术,通过测定实验室纯水条件下配比不同浓度氮、磷溶液的反射光谱,探索水体中有效态氮、磷的特征光谱。结果表明,氮在波长404和477 nm各有一反射峰,磷在350 nm处有一明显反射峰,且与浓度有很好的相关性,并以这些特征值建立了氮、磷浓度的遥感模型,为进一步遥感定量研究湖泊、水库和河流等大型内陆水体中的氮、磷奠定了基础。     

基于多角度偏振相机的城市典型地物双向反射特性研究

基于高空间分辨率多角度偏振相机(directional polarimetric camera,DPC)获取的中国珠江三角地区典型地表多角度航空数据,在航空尺度上反演得到城市区域四种典型地物的三种半经验双向反射率(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型的参数,并对模型精度进行分析.结果表明,三种半经验BRDF模型对多角度反射率数据都有较好的拟合能力,其中,Ross-Li模型对森林类型的拟合误差最小,Ross-Roujean模型对裸土类型的拟合误差最小,RPV模型对城市和灌木类型的拟合误差最小.在此基础上,重点分析了四种城市典型地物高空间分辨率的双向反射特性,研究发现,不同地物的反射率存在差别,但整体趋势都随着散射角的变大而变大.城市区域典型地物类型双向反射特性的研究,将为基于遥感数据探测地表和大气物理光学参数提供理论支持.     

基于几何标记模型参数反演的作物株形敏感性分析

传统的利用冠层反射光谱和光谱指数进行叶面积指数反演时,株形(利用平均叶倾角ALA等指标来表征)对叶面积指数的反演精度存在较大的影响,使得利用遥感手段进行作物长势监测和肥水调控决策时,株形因素不容忽略,以免造成遥感监测精度不高。研究首先利用模拟作物冠层反射光谱的PROSAIL模型将影响作物冠层光谱的叶面积指数等其他参数保持不变的情况下,分析了ALA对作物冠层反射光谱的影响;并基于半经验的几何光学模型对作物株形对冠层光谱影响的不同波段受到ALA变化的敏感性进行了定量分析,对于研究如何消除株形影响,提高遥感反演作物长势和叶面积指数的精度和提高作物大面积、快速遥感肥水调控决策水平具有重要意义。