工矿业城市区域水质参数高光谱定量反演

工矿业城市区域易受工业活动、矿产开采影响,使其水环境遭受不同程度的破坏,以至于水体污染问题突出。当前常规水质监测主要采用“以点代面”的工作方式进行野外采样及其室内化验分析,然而环境复杂多变,空间差异大,导致调查点代表性受限,整体精度不高,效率低下,更难以实现区域性动态监测。以因矿兴市的矿业重镇湖北黄石大冶市为研究区,同步开展无人机高光谱航飞、地面光谱测量和水体样品采集测试,分别获得具有49个波段的高光谱影像数据和光谱分辨率为1 nm的水体光谱曲线,其中影像数据波谱范围为505~890 nm,光谱分辨率为7.78 nm,空间分辨率为30 cm。对获取的高光谱影像和光谱数据剔除异常值、光谱定标、辐射校正等预处理后,对比分析研究区内水体的不同光谱吸收、反射及光谱曲线形态特征信息,从而提取出高光谱影像和测量光谱的反射光谱曲线形态特征、去包络线后光谱曲线形态特征、三阶求导后光谱曲线形态特征和光谱四值编码共四大类25个光谱特征。采用皮尔森相关系数分析样品水质参数与光谱特征之间的相关性,以此筛选出存在显著相关的水质参数与光谱特征。在此基础上,采用逐步回归分析方法筛选出最大反射率及其波长位置、对称度、光谱编码Ⅲ、三阶导最大及最小值等光谱特征作为模型变量,构建出水质参数的多元线性反演模型,并对模型进行F检验和t检验。将检验后的反演模型推广运用于研究区内高光谱影像,获得尾矿库、河流、湖泊等典型区域的水质参数反演结果,从而实现“由点到面”水质参数信息的快速获取。结果显示水质参数pH、硬度（Ca2++Mg2+）、钾与氯离子比值（K+/Cl-）、镁与碱度比值[Mg2+/(HCO3-+CO2-₃)]的反演精度较高,其pH的判定系数R2最小为0.669,镁与碱度比值的判定系数R2最大为0.895,相对均方根误差均小于28%;而总溶解固体（TDS）反演精度较低,其判定系数R2仅为0.463,相对均方根误差达36.762%。提出了一种基于光谱曲线形态特征的高光谱遥感水质参数定量反演模型方法,实现了pH值、硬度、镁离子与碱度之比等水质参数的高光谱定量反演,为区域水环境动态监测提供了新方法。     

汉石桥湿地水质参数光谱分析与遥感反演

水质可见光近红外遥感监测是通过研究水体反射光谱特征与水质参数之间的关系,建立水质参数反演算法进行的。与传统水质监测方法相比,遥感技术监测水质可以快速反映区域水质在空间和时间上的分布情况和变化。文章以汉石桥湿地水体水质为研究对象,通过在可见光近红外波段分析光谱仪和ASTER遥感影像的水质参数特征光谱,建立了水质参数与最佳波段及其组合的多元线性回归方程。研究结果表明,基于地面光谱仪的光谱特征分析可为航天遥感特征波段的选择提供依据,但估算模型不能通用。基于AS-TER遥感的水质参数特征光谱其波段比值相对向长波方向移动,研究最终在分析ASTER遥感特征波段基础上,构建水质参数估算模型,并通过该模型得到目标水质参数空间分布图,实现了对湿地水质时空变异的遥感监测。     

高分辨率太阳吸收光谱二氧化碳反演中参数的敏感性分析

基于高分辨率傅里叶变换红外太阳吸收光谱可以准确测量大气中二氧化碳的柱总量。基于光谱反演算法中的前向模型,分析了改变前向模型中不同参数和不同天顶角情况下对反演结果的影响及其原因。选取具有代表性的两天的测量光谱,改变前向模型中连续体倾斜量值、内部视场角、零偏置和多普勒效应四个模型参数,观察不同先验模型参数的扰动对二氧化碳测量结果的影响。结果表明,不同模型参数的扰动引起反演的二氧化碳柱平均干空气混合比(XCO₂)相对偏差并不一样;不同的测量时间,相同参数扰动引起的二氧化碳含量相对偏差也不同。其中连续体倾斜量值的变化对反演结果的影响最大,其变化引起的相对偏差波动范围在0.1%～0.2%之间;内部视场角、零偏置和多普勒效应的变化对反演结果影响较小,引起的二氧化碳的相对偏差分别在-0.045%～0.02%,-0.045%～0.015%和-0.03%～0.04%之间。最后用二氧化碳反演平均核解释了反演误差来源。研究结果对光谱反演算法中模型参数的设定和提高测量的准确度提供了理论依据。     

卷积神经网络模型的遥感反演水质参数COD

化学需氧量(COD)是水体污染监测的常用水质指标之一,传统采集手段耗时耗力;利用遥感反演COD浓度能够快速获取整个水域的COD浓度空间分布状况,对于水污染治理和水环境保护具有重要意义。目前利用多光谱遥感数据反演COD浓度精度较低,主要原因是目前的反演模型多是以皮尔逊相关系数大小为指标选取建模波段的经验方法,对于多光谱遥感数据而言,其光谱波段范围较宽,波段的组合数量有限,难以找到有效的变量作为建模变量。针对这一问题,以郑州市天德湖为例,基于Planet多光谱高分辨率遥感影像,对遥感影像进行预处理和分析水样的高光谱数据,利用卷积神经网络对天德湖COD浓度进行反演;同时选取单变量回归模型、多变量回归模型进行精度对比。主要研究结论有：(1)相比于以皮尔逊相关系数为衡量标准选择不同波段组合的反演方式,卷积神经网络反演具有更高的空间反演精度,其决定系数为0.89, RMSE为2.22 mg·L^-1,这是因为卷积神经网络不仅充分利用了遥感影像的光谱特征,而且能够提取目标像元周围的领域空间信息,学习到图像深层的抽象特征以及水质参数浓度和遥感数据之间的“内在规律”,可以在一定程度上...     

植被氮素浓度高光谱遥感反演研究进展

氮素是植被进行生命活动的必需元素,它在蛋白质、核酸、叶绿素和酶等物质的生物合成中起重要作用,并在植被的光合作用中起到关键作用。植被氮素浓度高光谱遥感反演技术是自20世纪70年代以来的研究热点。近年来随着高光谱遥感技术的发展,可将光谱波段在某一光谱区域进行细分的优势,为与植被氮素相关的光谱特性研究提供了有力的技术手段。结合近几年主要地理科学文献上发表的植被氮素浓度高光谱遥感监测的最新研究成果,介绍了植被氮素浓度高光谱遥感监测的原理及相关问题。从植被氮光谱指数、叶绿素指数的植被氮含量反演、回归模型和反演植被氮浓度影响因素的消除方面,详细介绍了植被氮素浓度高光谱遥感反演这四个方面的主要技术方法,总结分析了研究结论,并讨论了研究发展趋势。     

基于分段映射模型的水质参数遥感反演研究

以数据为驱动的遥感建模方法片面地强调模型模拟值与实测值总体偏差最小,而忽视局部偏差状况,进而可能导致模型局部模拟值与实测值偏差过大。针对这种建模方法的缺陷,以水质参数反演为例,提出了分段映射反演算法。该算法将水质参数浓度与遥感参数之间的映射关系分解为若干分段函数,每一区段参数间的关系由该区段内的实测数据(简称为节点)和插值函数决定。通过分析以Newton插值算法作为插值函数的分段映射反演模型可知,该算法能保证每个节点处的模型计算值与实验值一致,并且能较好地拟合分布趋势复杂的实验数据。此外,分段映射反演模型对野外水质样本采集实验的规范化具有较大理论指导意义。最后利用太湖TM影像数据和同步实测水质数据为例,论证了该算法的可行性。     

高光谱遥感图像光谱解混的独立成分分析技术

高光谱遥感在对地球陆地、海洋、大气的观测中发挥着重要作用,高光谱遥感图像分析的关键是提取像元光谱内部各物质成分及其含量,即光谱解混。独立成分分析提供了一种先进的技术手段,在很少先验知识的前提下,实现端元(物质成分)光谱及其丰度(含量)的同时提取。但丰度约束破坏了各成分独立的前提条件,导致了独立成分分析的局限性。针对这一问题,提出了丰度约束下总体相关性最小化的解决方案,并指出总体相关性最小化下的理想角度,通过设计角度修正的独立成分分析算法把各成分调整到理想角度上。利用模拟数据与真实数据算法进行检验,结果表明：经过角度修正后,独立成分分析突破了原有的局限性,有助于进一步提高独立成分分析技术在光谱分析中的有效性。     

基于光谱特征的高光谱遥感影像检索

面向海量遥感信息管理中遥感影像检索的需求,以高光谱遥感信息为例对光谱特征应用进行了探讨,提出基于光谱特征的遥感影像检索包括基于点源示例的检索和基于面源示例的检索,检索中的关键问题是光谱特征提取与相似性度量。基于光谱曲线的相似性度量可以采用光谱角和光谱信息散度进行;基于光谱特征的检索可以通过提取反射和吸收光谱、光谱特征匹配的方法进行;而光谱曲线量化指标如中心矩、分维数和信息熵等的效果较差,不适宜应用于检索。     

牧草品质的高光谱遥感监测模型研究

粗蛋白、粗纤维、粗脂肪是评价牧草品质和饲用价值的重要指标。针对目前已有的牧草品质检测方法存在费时费力、容易产生化学废物等问题,提出了一种利用牧草冠层高光谱数据来实现牧草品质实时、无损监测的方法。通过ASD FieldSpec 3地物光谱仪采集了青海湖环湖地区19种天然牧草的冠层光谱反射率,并采样分析了牧草品质参数——粗蛋白、粗脂肪和粗纤维的相对含量(%)。光谱经去噪处理后,分别选择原始光谱、一阶导数、波段比值以及小波系数与牧草品质参数进行相关性分析。结果表明：在所有高光谱参量中,牧草品质参数含量与424,1 668,918 nm波段处的光谱一阶反射率以及低尺度(scale=2,4)的Morlet,Coiflets和Gassian小波系数之间的相关性较强。在此基础上,运用单变量线性、指数和多项函数分别建立牧草品质的高光谱遥感估算模型,分析结果显示,以Coiflets小波系数(scale=4,wavelength=1 209 nm)为自变量的二次多项式模型、以1 668 nm波段光谱一阶导数为自变量的二次多项式模型、以918 nm波段光谱一阶导数为自变量的指数模型分别为估算牧草粗蛋白、粗脂肪、粗纤维含量的最佳回归模型,模型检验均达到了极显著水平(0.762≥R2≥0.646),说明在冠层尺度利用高光谱技术结合光谱一阶导数或小波分析的方法来估测牧草品质参数是可行的,它将为牧草品质遥感监测提供依据。     

基于光谱曲线形态的高光谱影像检索方法研究

随着传感器技术、数据通讯技术的飞速发展,利用各种机载和星载传感器,己经获取到各种不同的海量遥感影像数据。巨大的数据量带来了数据存储和管理的问题,如何实现从海量影像数据中检索出我们所需要的信息显得十分迫切。影像检索最早由Chang于1980年提出,是对传统信息检索的扩展。针对海量遥感影像高效检索的需求和高光谱遥感影像波段数目多的特点,分析了影像检索中的影像距离函数和相似性度量问题,基于经典的曲线简化Douglas-Peucke算法(简称DP算法)提取光谱曲线的形态特征,利用“提取特征”的思想,提出了基于DP算法的光谱曲线和影像检索(简称DPSR)方法,将光谱形态特征应用于影像检索当中。DPSR利用光谱曲线上的特征点,减小了计算量,实现了有效地匹配和检索,适合高光谱遥感影像的光谱检索。文章选择了OMISI高光谱数据的四种易混分地类进行了相似性度量的对比实验。通过与常规的分析方法光谱角匹配(SAM)、光谱信息散度(SID)的对比可以看到,DPSR在较少计算量的情况下能保持较高的计算精度,提供了一种新的影像光谱高效检索方法。此外,文章还提出了尚待进一步研究的问题。     

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。     

基于多类型光谱特征参数匹配的矿物信息遥感识别方法

传统的与光谱反射率匹配的矿物填图方法受图像质量、大气及环境背景等因素影响较为明显,矿物识别效果较差。针对上述问题提出一种基于多类型光谱特征参数匹配的矿物信息识别方法,综合利用多种光谱特征参数在大气及环境背景变化中的相对稳定性特点,实现矿物信息的高精度识别。选取美国内华达州Cuprite矿区AVIRIS机载可见-红外光谱成像仪高光谱数据,以USGS美国地质调查局波谱库中的矿物波数为参照光谱,分别计算AVIRIS影像和USGS波谱库中典型矿物的光谱特征参数,在对多种光谱特征参数综合分析的基础上,构建Cuprite矿区矿物识别模型,进行矿物填图实验。最后使用Clark等在该地区的矿物填图结果数据,对实验结果进行了验证,结果表明：该方法矿物识别结果与Clark等的填图结果吻合度高,整体矿物识别精度达到78.96%。     

基于光谱特征的北京城区植被滞尘分布反演

植被叶片的滞尘量可以表征空气污染的程度, 分析城市植被滞尘的空间特征对于制定更为有效的空气污染控制政策具有重要的现实意义。基于北京市主城区采集的大叶黄杨、国槐、毛白杨和山桃等四种典型绿化植被叶片的滞尘量、光谱反射率和叶面积等数据,比较四种植被叶片滞尘前后的光谱曲线,进行窄波段与卫星波段滞尘前后叶片光谱反射率比值与滞尘量的相关分析。然后,分别建立相关性最大的卫星波段反射率和NDVI与滞尘量之间的回归模型, 选取拟合较好的模型反演北京城区植被的滞尘量分布,进而插值得到整个北京城区的尘埃分布。最后,根据高滞尘区域周围的土地覆盖和土地利用以及滞尘期间PM₁₀浓度的空间分布对反演的的合理性进行检验。结果表明：在780~1 300 nm波段,大叶黄杨、国槐、毛白杨和山桃四种植被的滞尘叶片反射率均明显低于干净叶片;窄波段反射率与滞尘量在520~650 nm波段和1 390~1 600 nm波段具有较高的相关性,相关系数的绝对值最高达到0.626;利用Landsat8的green波段和NDVI构建的滞尘反演模型,决定系数(R2)分别为0.446和0.465。NDVI模型反演的北京城区植被的滞尘量分布结果表明,北京城区滞尘含量呈现出北高南低,东高西低,中心城区高于郊区的空间分布格局。该研究通过高光谱和遥感影像数据反演滞尘量,可以为快速全面监测城市地区尘埃分布提供参考。     

传感器光谱指标对植被光谱模拟精度的影响

高光谱卫星数据模拟是卫星遥感数据模拟的重点研究方向,基于星载多光谱数据和地物光谱先验知识是一种快速模拟高光谱数据的方法,但数据模拟精度受传感器光谱指标的限制。文章针对EO-1/ALI的可见光/近红外波长范围进行实验,研究了波段数量、半波宽度和波长位置等光谱指标与植被光谱模拟精度的关系,分析了两者之间的变化规律。研究表明,光谱指标决定了植被光谱特征提取,是影响光谱模拟精度的直接原因。文章总结了适于光谱重构模型的光谱参数范围,实验结果有利于提高植被光谱模拟精度。该结论可用于多光谱传感器的性能评价及其分光滤色结构的改进。