聚丙烯酰胺溶液的光谱特性及其浓度光学检测

提出了光学检测聚丙烯酰胺溶液的方法,利用TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计、IRPrestige-21傅立叶变换红外光谱仪测量5~600 mg·L-1浓度范围内聚丙烯酰胺溶液的透射光谱,研究了其在波段190~900 nm和400~4 000 cm-1的光谱特性,进行了其浓度的反演分析。研究表明：聚丙烯酰胺溶液在200~300 nm和400~920 cm-1,2 986~3 684 cm-1范围存在较强吸收特性,其透光度在220 nm,2 623 cm-1处有一定的线性关系;在紫外波段基于2,3和4个透光度测量值反演其未知浓度的计算误差最大值分别为6.98%,2.34%和0.79%。     

基于特征波段的高光谱技术检测水体中毒死蜱浓度的实验研究

为了探究反射光谱检测水体中毒死蜱农药的可行性,使用由ASD公司的FieldSpecPro地物波谱仪构成的高光谱采集系统在室内、室外环境获取两种不同浓度区间的毒死蜱样品的光谱数据。基于偏最小二乘(PLS)和主成分分析(PCA)算法分别对毒死蜱样品光谱数据建立全波段定量模型,结果两种模型的预测能力均较高。通过相关性分析(CA)计算相关系数来选择毒死蜱样品光谱的特征波长,其中浓度区间为5~75 mg·L-1的室内、室外实验光谱的特征波长为388,1 080,1 276 nm和356,1 322,1 693 nm,浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验样品光谱的特征波长为367,1 070,1 276,1 708 nm和383,1 081,1 250,1 663 nm。结合PLS算法建立样品特征波长光谱数据的定量模型,结果与全波段模型相比,浓度区间为5~75 mg·L-1的室内外实验光谱PLS特征波长模型的校正集决定系数R2_C分别提高至0.987 5和0.999 2,预测集决定系数R2_P分别提高至0.989 4和0.994 4,校正集均方根误差RMSEC分别降低为2.841和0.714,预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.715和1.244;浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验光谱特征波长PLS模型的校正集决定系数R2_C分别提高至0.998 3和0.998 8,预测集决定系数R2_P分别提高至0.998 4和0.999 0,校正集均方根误差RMSEC分别降低为1.383和1.186,预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.510和1.229,验证集标准差与预测均方根误差的比值(RPD)有所增加,尤其是针对浓度区间为0.1~100 mg·L-1的实验,RPD值显著增加至21.7,说明基于特征波长建立的毒死蜱样品定量模型具有较高精度的预测能力,但是通过不同浓度区间范围的对比实验发现,ASD地物光谱仪对低浓度的毒死蜱溶液预测的相对误差偏大,存在客观上的检测下限。为了保证不同试验条件下的毒死蜱农药的特征波长都得到分析,增强模型使用的普适性与鲁棒性,根据特征波长选择出4个波段,即351~393,1 065~1 086,1 245~1 281和1 658~1 713 nm作为特征波段。特征波段模型的波长变量个数共38个,相比于全波段模型的432个波长变量,模型变量精简了91.2%,其中浓度区间为5~75 mg·L-1的室内外实验光谱PLS特征波段模型的R2_C分别为0.993 7和0.987 8,R2_P分别为0.979 8和0.998 2,RMSEC分别为1.690和2.516,RMSEP分别为1.987和0.659;浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验光谱特征波段PLS模型的R2_C分别为0.9882和0.9807,R2_P分别为0.9391和0.9936,RMSEC分别为3.345和3.942,RMSEP分别为8.996和2.663,且四种实验情况下的模型RPD值均大于2.5,满足定量分析条件。因此采用高光谱采集系统对室内和室外环境中毒死蜱农药的快速检测具有一定的可行性,此研究结果对有机磷农药等面源污染物快速检测有实际的应用价值,可为农田水体有机磷农药快速检测仪器的开发提供理论基础。     

改进SVR的内陆水体COD高光谱遥感反演

高光谱数据可以捕获内陆水体中不同浓度的化学需氧量（COD）引起的光谱变化,因此研究光谱反射率与COD浓度之间的关系对于COD的遥感估算至关重要。支持向量回归模型（SVR）具有适合小样本、泛化能力好的特点,基于SVR模型能够更加准确获得COD浓度和光谱数据之间的关系,但仍然存在参数选取困难和易陷入局部极值的问题。为了解决这个问题,将模拟退火-粒子群算法（SA-PSO）引入到支持向量回归机的参数优化过程中,提出了一种改进SVR（SA-PSO-SVR）的内陆水体COD高光谱遥感反演方法。以潍河流域为研究区域,通过野外测量获得了COD浓度和水表面光谱反射率。首先根据光谱反射率对COD的响应来确定敏感因子,把SA-PSO算法引入SVR的参数优化过程中建立了COD浓度与敏感因子之间的反演模型。最后利用珠海一号高光谱数据验证模型的准确性,进而获得了COD浓度的分布情况。通过光谱分析,可知该区域实测的水面光谱具有典型的二类水体特征,光谱曲线形状呈现明显的双峰特征,当浓度增加时,反射峰具有向短波长方向移动而反射谷向长波长方向移动的趋势。通过计算Pearson相关系数分析COD浓度和光谱之间的相关性,结果表明最佳的反演因子为518 nm/940.4 nm,623.6 nm/636.8 nm,729.2 nm/890.9 nm和752.3 nm/857.9 nm的四个波段比值组合;经过SA-PSO-SVR方法建立的COD估计模型的平均相对误差（MRE）和均方根误差（RMSE）分别为1.62％和2.99 mg·L-1（R2=0.86）,反演结果优于其他模型（SVR、BP神经网络和线性回归模型）。将实测水面光谱建立的最优模型应用于高光谱卫星影像上,RMSE和MRE分别为4.47 mg·L-1和11.87%。获得的潍河-峡山水库区域的COD反演结果显示：COD的整体浓度介于17~42 mg·L-1之间,韩信坝、峡山水库的东北部、渠河注入潍河的交汇处等区域的COD浓度高于其他水域。证实了SA-PSO-SVR是一种有效的COD高光谱反演方法,可供潍河流域水资源管理提供参考。     

近红外波段二类水体悬浮物生物光学反演模型研究

通过野外高光谱仪对二类混浊水体进行光谱测量,分析了400～1 200 nm范围内的水体光谱特性。显示高浓度悬浮物含量对水体总的反射率贡献较大,在近红外波段处的808和1 067 nm存在较为明显的悬浮物反射峰。基于对水体固有光学特性参数在近红外波段范围内的简化条件,建立了反演悬浮物浓度的生物光学模型经验公式,并通过与线性和指数反演公式的对比,进行了模型反演精度评价。分析结果表明,基于近红外波段的生物光学模型反演精度较高,可有效地提取二类混浊水体的悬浮物浓度信息。     

黄河口海域颗粒有机碳浓度遥感反演与时空分布特征

基于黄河口海域实测数据,建立了利用745nm(模型1)和680nm(模型2)波段遥感反射率的颗粒有机碳(POC)浓度反演模型,得到的平均相对误差(APD)均低于26%,其中模型1表现更优。结合海洋水色成像仪(GOCI)影像和实测数据对两个模型进行了精度评估,平均相对误差均在30%以内。基于所建立的模型和卫星遥感影像,分析了逐时、大风过程(几日之间)、季节变化三种情况下黄河口海域POC浓度的时空变化特征。结果表明,冬季POC浓度整体较高,夏季POC浓度整体较低;渤海湾附近出现POC浓度最高值。三种情况下,POC浓度的变化范围在同一尺度上,表明短时间间隔并不意味着POC浓度变化范围也小,其季节平均效应是显著的。     

轮台白杏叶片铁锰浓度光谱估算模型

建立基于光谱分析的轮台白杏叶片铁(Fe)、锰(Mn)元素浓度估算模型,为快速建立轮台白杏树体微量营养元素诊断体系提供技术途经。采用Unispec-SC光谱仪测定土壤肥力存在显著差异条件下轮台白杏果实不同生育时期叶片的光谱反射率,通过分析叶片中Fe和Mn元素浓度与Rλ和f′(Rλ)的相关性,筛选出光谱指示波段,并采用线性回归模型建立光谱估算模型以估算叶片Fe和Mn营养元素浓度。结果表明:轮台白杏果实不同生育时期叶片Fe元素的光谱敏感波段各不相同,果实坐果期和硬核期敏感波段分别为873和874nm,375和437nm。果实成熟期敏感波段为836和837nm而果实收后期敏感波段为325和1 054nm;轮台白杏果实四个生育时期Mn元素的光谱敏感波段分别为913和1 129nm,425和970nm,390和466nm,423和424nm;轮台白杏叶片Fe和Mn元素浓度均与光谱反射率一阶微分f′(Rλ)相关性最强,与之建立的线性光谱估算模型拟合度最高,且达到了显著或极显著水平。表明果实不同生育时期,轮台白杏叶片Fe和Mn元素的光谱指示波段不同,可根据双波段f′(Rλ)采用线性模型估算白杏叶片Fe和Mn元素浓度。     

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。     

琅琊山景区不同指标浓度下水质光谱差异分析

高光谱技术已广泛运用于水质检测领域。探讨不同指标浓度下水质光谱变化规律及其光谱特征,能够为水质指标遥感光谱精准识别与定量提取提供理论基础。选取琅琊山景区不同水体景观共47个典型站位进行水质指标与光谱同步测量,提取每个检测点的7个水质指标及350~950 nm波段,探讨不同浓度水质指标光谱特征变化规律,分析水质指标与光谱反射率、反射率一阶微分、任意两波段反射率比值及差值之间的关系。结果表明： 各水质指标光谱曲线变化趋势一致,但各有差异,区分度最大的波段在可见光范围;不同盐度、溶解性总固体、电导率含量的水质光谱曲线变化较为接近,含量最高的样本光谱反射率最高,且变化最显著;浊度含量较高的水质样本光谱反射率变化较显著,700~950 nm波段不同浊度含量的水质样本光谱反射率区分不明显;溶解氧浓度为4~4.9 mg·L-1的水质光谱反射率在350~900 nm波段内明显低于其余样本;在350~380 nm波段范围,光谱反射率不随叶绿素含量变化而变化,叶绿素含量接近0的样本在400~950 nm波段低于其余样本;不同蓝绿藻藻蓝蛋白含量的样本光谱曲线相比其余水质指标在350~730 nm波段变化较大,交叉点较多。此外,水质指标与原始光谱反射率相关性较低,光谱一阶微分、差值指数、比值指数与各水质指标相关性整体有所提升。该研究可为水质高光谱遥感检测提供一定的理论基础。     

基于Sentinel-3 OLCI影像的渤海透明度遥感反演研究

透明度是海洋生态环境监测的关键指标,在军事、航海、渔业等领域均发挥着重要作用。与传统的海洋监测技术相比,遥感技术具有长时序、大范围、近实时获取海洋信息的优势,利用水色卫星观测我国海域透明度的变化,对合理开发和利用我国海洋资源有着重要的意义。利用实测透明度数据与Sentinel-3 OLCI传感器中心波段的等效遥感反射率数据构建了渤海透明度反演模型,主要包括单波段法、波段比值法和混合波段法。利用与卫星时空同步的现场透明度数据进行了模型精度验证,最终确定以B6(560 nm)与B7(620 nm)为敏感因子的混合波段模型透明度反演效果最佳,该模型透明度的反演值与实测值间决定系数(R2)为0.68,平均相对误差(MRE)为15.93%,均方根误差(RMSE)为0.48 m。在此基础上结合Sentinel-3 OLCI时间序列影像,得到2020年渤海透明度月均遥感产品,发现渤海透明度分布状况有明显的区域性与季节性特征。透明度的整体变化区间为0~10 m,其中夏季7月和8月份透明度较高,局部海域透明度可高于9 m,而冬季相对较低1月和2月份全海域不足2 m;透明度整体呈现近岸海域低、离岸海域高的空间分布特征,渤海中部、秦皇岛近岸海域透明度相对较高,渤海湾、辽东湾、莱州湾透明度常年较低。渤海透明度的分布趋势与渤海沿岸地质属性、周边河流分布情况以及沿岸城市群与工业港口的发展情况密不可分。该研究为渤海透明度遥感估算提供了可靠的理论基础,对监测渤海海洋环境具有重要的意义。     

紫外-可见光谱法研究Fc(COOH)2和BSA相互作用

采用紫外-可见光谱法(UV-Vis)研究Fc(COOH)₂ (λ_max=255 nm)与BSA(λ_max=277.5) 的相互作用。实验结果表明：Fc(COOH)₂在10~190 μmol·L-1范围内吸光度与浓度呈良好的线性关系(r=0.998 4),BSA在100~1 900 mg·L-1范围内,吸光度与浓度呈良好的线性关系(r=0.999 2),BSA与Fc(COOH)₂反应后,最大吸收波长移至275 nm。当固定Fc(COOH)₂或BSA的浓度时,Fc(COOH)₂或BSA的吸光度随着BSA或Fc(COOH)₂浓度的增加而增大,说明Fc(COOH)₂与BSA存在分子间的相互作用,主要是由于Fc(COOH)₂和 BSA能形成氢键,分子链增长,吸收的能量增加,导致吸光度增大。同时考察Fc(COOH)₂和 BSA的吸光度随时间的变化,70 μmol·L-1的Fc(COOH)₂与1 900 mg·L-1的BSA反应0.1,24和96 h后,在λ_max=275 nm处的吸光度由1.062分别变为1.045和0.986;当700 mg·L-1的BSA与190 μmol·L-1的Fc(COOH)₂反应0.1,24和96 h后,在λ_max=275 nm处的吸光度由0.813分别变为0.794和0.750。     

基于Hyperion影像的悬浮泥沙遥感监测研究

在射阳河口,悬浮泥沙对拦门沙的位置的形状有很大的影响,而拦门沙是制约射阳港航运条件的主要因素。遥感手段具有分辨率高、范围大、连续性强、成本低等特点,在近岸悬浮泥沙监测中具有很大的应用潜力。Hyperion作为目前世界上唯一的民用高光谱传感器,与其它传感器相比又具有光谱分辨率高的优势。根据在射阳河口实测的光谱悬浮泥沙数据,利用逐步筛查的方法选择与表层悬浮泥沙浓度相关性高且物理意义明显的因子,发现离含沙水体光谱反射峰附近的605nm、810nm和715nm的反射率的组合因子与表层悬浮泥沙浓度相关性较高且物理意义明确,模型的拟合精度可达到65%以上。在此基础上,利用Hyperion影像进行表层泥沙浓度的反演。结果证明,该模型能够正确反映河口表层悬浮泥沙的分布规律。     

基于光谱分类的总悬浮物浓度估算

总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一,传统的遥感反演估算模型忽视了光学性质多变、复杂的二类水体的差异性。本研究基于太湖、巢湖的星地同步实验,针对环境1号卫星多光谱数据,设立了水体光学分类方法,将研究水体分为二种类型,进而建立了适用于不同类型水体总悬浮物浓度的反演估算模型。得出以下结论：(1)基于光谱分类的方法可以提高总悬浮物浓度的反演估算精度;(2)对于类型一和类型二水体,分别使用指数模型和线性模型可以较好地反映总悬浮物浓度与反演估算因子之间的关系。     

高含沙水流的紊动粘性系数研究及其应用

基于张红武的“紊流涡团模式”和采用高精度的流速垂向分布表达式,建立起高含沙水流的紊动粘性系数计算公式。应用此公式计算泥沙连续性方程中的泥沙扩散系数,得到了与测试资料相符合的含沙量垂线分布规律;进一步,将建立起的紊动粘性系数计算公式应用于黄河下游平面二维泥沙数学模型中,以封闭水沙控制方程,并选择1982年洪水和花园口至夹河滩河段开展数值仿真,计算出的洪水流量过程、水位过程及主流线等与实测资料基本一致。应用结果表明本研究中所建立的紊动粘性系数计算公式可用于高含沙水流的理论分析和模拟计算中。     

太湖表层悬浮泥沙遥感定量模式研究

二类水体光学活性成分的复杂性导致了水体光学特性的复杂性。通过对太湖区域实测高光谱数据的分析,进一步认识了太湖水体的光谱特性与悬浮泥沙浓度之间的关系： 最大反射峰波长随着悬浮泥沙浓度的增加向短波方向移动,即“蓝移现象”;敏感波段区域的光谱曲线对波长的积分面积与悬浮泥沙浓度之间具有良好的线性关系,近似后的梯形面积模型能较好地反映太湖泥沙浓度状况,并适用于LandSat/TM等多光谱卫星影像数据反演。梯形面积模型的反演,结果表明太湖区域悬浮泥沙浓度主要集中在30～80 mg·L-1之间,分布呈现湖西、湖南和湖心高,湖东低的格局;与实测数据相比较,反演模型相对误差为6.035%。     

马铃薯冠层光谱响应特征参数优化与生长期判别

快速判别马铃薯作物的生长进程是指导田间关键生长期科学水肥管理的重要依据。研究在马铃薯发棵期（M1）、块茎形成期（M2）、块茎膨大期（M3）和淀粉积累期（M4）四个关键生长期,利用ASD便携式光谱仪采集80个样本区的314组作物冠层反射率数据,并同步采集叶片测定叶绿素含量。在光谱数据预处理后,分析了马铃薯不同生长期的光谱反射率变化特征,并初步选取了光谱“峰谷”响应参数,提出了一种基于方差分析与变量减少组合的光谱参数筛选算法（variance analysis combined with variable reduction,VACVR）用于明确光谱学响应的优化指标,采用Kennard-Stone(K-S)法划分样本集,最终基于支持向量机（support vector machine,SVM）方法建立马铃薯关键生长期判别模型。针对光谱数据,首先使用变量标准化(standard normalized variable,SNV)进行光谱预处理,在定性分析了随着生长期的推进马铃薯冠层反射特征的变化趋势的基础上,基于作物生长期动态光谱学响应与峰谷特性选取14个参数,包括：8个位置参数、2个面积参数、4个植被指数参数。采用K-S算法将样本按照3∶1划分为训练集（240个样本）和测试集（74个样本）。分析马铃薯不同生长期冠层反射光谱发现,随生长期的推进冠层光谱存在差异性：即在400~500和740~880 nm范围内,光谱反射率呈降低趋势;在530~640和910~960 nm范围内,反射率呈升高趋势;在530~640 nm范围内,M2和M3生长期的平均光谱非常接近,M4生长期的平均光谱与其他三个生长期的差别较大。叶绿素平均含量随生长期的进程,从M1（28.12 mg·L-1）到M2（31.04 mg·L-1）增加,在M2生长期达到最大值,之后M3（22.00 mg·L-1）和M4（15.36 mg·L-1）依次减少。光谱响应参数随着生长期的进程,绿峰位置L_g和红谷位置L_r逐渐红移,红边位置L_re逐渐蓝移;蓝边面积A_be逐渐增大,红边面积A_re逐渐减小;红边面积与蓝边面积比值依次呈现减小趋势。根据VACVR算法筛选10个敏感光谱响应参数,建立SVM判别模型,训练集判别率为100%,测试集判别率为94.59%,该模型可在判别马铃薯的生长期的基础上为田间管理决策提供支持。     

基于水动力学的水体组分垂直结构对遥感信号的影响

基于水动力模型和辐射传输模型,模拟不同风速条件下水体组分(浮游植物和悬浮颗粒物)垂直分布对遥感反射率的影响,对比分析现有的两种水体光学均一函数(Zaneveld权重函数和Gordon权重函数)在不同层化程度水体中的应用。结果表明,悬浮颗粒物垂直分布对500～650nm范围内的遥感反射率(Rrs)影响较大,随着参考深度悬浮颗粒物质量浓度增加(由5～70mg/L),悬浮颗粒物垂直分布对Rrs的影响不断减小(变异系数由27.46%减小到3.38%),同时Rrs受到悬浮颗粒物影响的最大波长位置向长波方向移动(由585nm逐渐移动到685nm);在浮游植物垂直分布影响下,400～725nm范围内的Rrs值随着风速的增加呈现先增加再逐渐减小趋势,400～450nm范围内的Rrs受浮游植物垂直分布影响较小,变异系数仅为1%;500～600nm范围内的Rrs受浮游植物垂直分布影响较大,最大变异系数可达27.18%。在水体组分层化较弱水体中,Zaneveld与Gordon权重函数对水体光学均一处理效果较为相似;但在水体组分层化较为严重的水体中,Zaneveld权重函数光学均一处理效果要好于Gordon权重函数。     

Determination of aerosol extinction coefficient and mass extinction efficiency by DOAS with a flashlight source

With the method of differential optical absorption spectroscopy （DOAS）, average concentrations of aerosol particles along light path were measured with a flashlight source in Chiba area during the period of one month. The optical thickness at 550 nm is compared with the concentration of ground-measured suspended particulate matter （SPM）. Good correlations are found between the DOAS and SPM data, leading to the determination of the aerosol mass extinction efficiency （MEE） to be possible in the lower troposphere. The average MEE value is about 7.6m^2.g^-1 , and the parameter exhibits a good correlation with the particle size as determined from the wavelength dependence of the DOAS signal intensity.