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。     

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。     

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%。     

鄱阳湖高浑浊水体悬浮颗粒物粒径分布及其对遥感反演的影响

悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息,但目前针对内陆湖泊的研究还很少。依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据,对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点：枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区,而丰水期南北部湖区差异不大。同时,悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、衰减系数和散射系数都有影响。鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部;颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系,这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似：枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。遥感反射率、总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。悬浮颗粒物粒径分布、颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关,可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。     

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。     

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。     

HJ-1A/1B卫星CCD影像水环境遥感大气校正方法评价研究——以鄱阳湖为例

HJ-1A/1B卫星CCD传感器具有较高的空间、时间分辨率,在内陆湖泊水质遥感定量监测方面有很大潜力,大气校正是制约其应用的关键问题之一。以我国第一大淡水湖——鄱阳湖为研究区域,结合2009年、2011年两次现场实测数据对FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正结果进行对比分析,并探讨各种大气校正算法对悬浮泥沙浓度反演精度的影响。结果表明:(1)HJ-1A/1B卫星CCD的第1波段在水环境遥感应用时,建议进行重新定标;第2和3波段四种大气校正结果精度相对较高,其中,FLAASH,6S和COST三种大气校正算法精度都较高,QUAC精度偏低,建议在可能的情况下对该算法进行有针对性的改进;(2)FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正算法第2和3波段比值结果与实测数据吻合度最好,平均相对误差分别为8.2%,9.5%,7.6%和11.6%,因此建议在鄱阳湖水域尽量采用第2和3波段比值作为反演因子;(3)以四种大气校正结果为基础,与悬浮泥沙浓度直接建模,结果发现,四种模型反演精度均比用实测遥感反射率与实测悬浮泥沙浓度建立的模型反演结果要高,FLAASH,6S和COST三种算法反演所得悬浮泥沙浓度精度都较高,平均相对误差分别为:10.0%,10.2%和8.0%;QUAC略差,平均相对误差为18.6%。建议在泥沙浓度反演时采用大气校正结果与悬浮泥沙浓度直接建模,可以有效降低利用实测光谱数据建模引起的大气校正误差的累积效应;(4)在精度要求不是特别高的前提下,四种大气校正算法都可以采用,但综合算法复杂程度、精度、稳定性等多种因素,在辅助信息不全的情况下,COST大气校正算法更值得推荐。     

基于辐射传输优化模型的二类水体大气校正

遥感影像的大气校正是水色参数反演的前提。以太湖为研究区,采用6S大气辐射传输模型以及近红外波段离水反射率模型相结合的方法。通过神经网络模拟大气辐射传输过程,并利用中分辨率成像光谱仪(MERIS)754、779、865、885nm 4个近红外波段进行光谱优化,求算550nm处气溶胶光学厚度等变量。通过外推,实现可见光波段的大气校正。将2007年11月11日、20日、21日,2008年11月20日MERIS Level 1p影像以及野外实测水体遥感反射率数据集用于精度验证,结果表明,该方法能够较好地反演水体遥感反射率光谱,校正后的13个波段的平均相对误差大多分布在20%~40%之间。与6S以及Beam 4.9软件自带的大气校正方法相比,具有较高的校正精度和较强的稳定性,在太湖有较好的适用性。     

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。     

Measurement of water-leaving radiance on smooth water surfaces at different viewing angles using high-resolution spectroradiometer

This letter describes a method for calculating water-leaving radiance on smooth surfaces at differentangles based on Fresnel law and the polarized measurements using an ASD FS3 spectroradiometer. The spectroradiometer is mounted on a goniometer so that it views the water surface from a height of severaldecimeters at different viewing angles through a linear polarizing filter. The incident angles equal theviewing angles. The water-leaving radiance spectra acquired by other methods are compared with the polarized measurements from the smooth water surface, and the radiance spectra obtained by the proposedmethod are found to be consistent with the results of the reference methods. The current study provides another effective technique for measuring water-surface reflectance via remote sensing. Moreover, the method does not avoid the sun glint during the detection of water-leaving radiance in cases where the viewing geometric position is clear.     

基于清洁水体像元法的环境-1A卫星CCD水体图像大气校正

环境卫星(HJ-1A/B)的CCD图像数据在内陆水环境遥感监测中具有很大的潜力,但它的大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素.文章以上海淀山湖地区HJ-1A卫星搭载的CCD1多光谱数据为应用实例,首先实现了瑞利散射的精确计算,在气溶胶散射的计算中,由于内陆湖泊Ⅱ类水体的光学特性,致使环境星CCD数据的近红外波段的离...     

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。     

差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染

传统热红外遥感探测水面溢油污染时需要大面积洁净水域与污染水域进行辐射对比,并且通过红外影像无法鉴别溢油种类。为了能够及时了解某一水域的溢油污染程度以及溢油的种类,文章提出了差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染。该方法通过获取分析目标在水平和垂直两个偏振方向的偏振强度差谱对目标实现探测,具有很好的时效性。文章分析了差分偏振FTIR光谱探测的辐射传输模型,并在室外对水面0号柴油油膜和SF96油膜进行了差分偏振FTIR光谱探测实验。实验结果表明该方法不需要大面积洁净水域进行辐射对比即可直接对水面溢油污染物进行探测,并且通过分析差分偏振FTIR光谱中的光谱特征可以识别水面溢油的种类。该方法弥补了传统热红外遥感探测水面溢油污染的局限性。     

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...     

Remote sensing estimation of Chlorophyll a and suspended sediment concentration in turbid water based on spectral separation

Chlorophyll a and suspended sediment are important indicators of water quality, and remote sensing estimation of them is difficult due to the optical complexity of turbid water. The spectrum above water surface is influenced by phytoplankton, suspended sediment and colored dissolved organic material in water, thus spectral separation is important before estimating one specific component. Based on the field experiment of pond water and Taihu lake, China, this study calculated the Gaussian parameters of Chlorophyll a (Chla) and suspended sediment (SS) through spectral decomposition, and then these parameters were used to separate the mixed spectrum of water samples from pond water and Taihu lake. After spectral separation, the Chla estimation model based on the peak height at 650 nm has high accuracy (R² = 0.78, RMSE = 4.80 mg/m³), better than the band-ratio model; the SS estimation model based on the peak height at 811 nm (R² = 0.82, RMSE = 6.80 mg/L) performs better than the single-band model. Results in this study indicate that spectral separation based on Gaussian parameters is a good method for Chla and SS estimation in turbid lake water.     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

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。