基于QAA算法的巢湖悬浮物浓度反演研究

QAA(quasi-analytical algorithm)算法基于辐射传输原理,估算水体后向散射系数,是目前较为成熟的半分析模型方法.2009年6月对巢湖水体进行野外实测,在获得遥感反射率、吸收衰减系数、悬浮物浓度(cTSM)等数据的基础上,构建了巢湖水体cTSM的近红外双波段反演模型,并将QAA算法计算得到的后向散射概率作为输入,以期提高cTSM的反演精度.结果表明,①对巢湖水体而言,807 nm和834 nm是构建近红外双波段模型的最佳波段,807 nm处的单位散射系数为0.411 m2.g-1,834 nm处的单位散射系数为0.395 m2.g-1;②利用QAA算法计算得到的巢湖水体的后向散射概率为0.029,将该值输入反演模型后,cTSM的反演精度与输入其他经验值相比得到明显提高,反演值与实测值的均方根误差RMSE和平均相对误差绝对值MAPE分别达到12.143 mg.L-1和24.378%;③在cTSM较高的站点(近似高于30 mg.L-1),利用近红外双波段模型反演的悬浮物浓度结果更为稳定和可靠.     

基于生物光学模型的巢湖悬浮物浓度反演

根据2009年6月巢湖32个样点实测的遥感反射率、悬浮物浓度、吸收系数及散射系数等数据,分析巢湖水体各组分的吸收、散射等固有光学特性,确定悬浮颗粒物单位散射系数、后向散射概率等固有光学参数,构建基于生物光学模型的悬浮物浓度反演模型,并利用准同步获取的环境1号卫星CCD影像数据反演巢湖悬浮物浓度.结果表明,555 nm处悬浮颗粒物单位散射系数的平均值为0.48 m2/g,以555 nm为参考波长,建立指数衰减模型对悬浮颗粒物单位散射系数进行参数化,模型的决定系数可以达到0.99;此外,在760～900 nm(Band4)范围内,后向散射概率不具有波长依赖,其值稳定在0.051.利用所得到的表观及固有光学量构建巢湖水体遥感反射率模型,反演巢湖悬浮物浓度,得到实测值与反演值之间的相对误差随着浓度的增加而呈现下降的趋势,平均相对误差为17.25%,由此表明该方法适用于反演悬浮物浓度较高的湖泊水体;利用两景环境1号卫星CCD影像数据反演得到的巢湖悬浮物浓度主要在0～100 mg/L之间变化,其中6月13日巢湖悬浮物浓度40 mg/L的水域占到总面积的54.37%,而6月15日巢湖61.62%的水域悬浮物浓度40 mg/L,且这2 d巢湖悬浮物的分布与当时的气候变化一致.     

巢湖水体漫衰减系数特性及其影响因子分析

根据2009年6月巢湖32个样点的实测数据,分析巢湖水体各组分的吸收、后向散射特性以及水体漫衰减系数光谱特征,并通过Lee模型计算各影响因子对漫衰减系数的贡献率,在此基础上,进一步探讨巢湖水体漫衰减系数与各衰减因子浓度的关系.结果表明,非色素颗粒物、有色可溶性有机物(CDOM)吸收均随着波段增加呈现不断衰减趋势,400...     

基于极化SAR的河流有机物污染监测研究

选择我国南方水质变化梯度较为明显的典型河流为对象,分析基于C波段极化合成孔径雷达(极化SAR)的河流水污染监测评估技术.引入了随机粗糙面电磁散射理论对污染水域的散射特性进行了建模,研究了水体污染可能对散射模型及参数的影响,分析了同步得到的极化SAR数据与水体常用污染指标的监测数据.通过比较19个采样点的后向散射系数与同步监测的水质指标,发现化学需氧量(COD)与HH和VV通道的后向散射系数比成正相关性,这与由电磁理论建立的散射模型及水体污染对散射模型参数影响的分析相符.利用最小二乘法,拟合得到了利用HH与VV通道后向散射系数比来反演化学需氧量的公式,拟合结果的相关系数达到0.90.本研究建立了利用极化SAR的HH与VV通道后向散射系数比监测水体有机物污染的模型,该模型主要通过分析同步监测数据获得,基于电磁散射理论的分析支持了该模型的有效性.     

巢湖水体散射和后向散射特性研究

湖泊水体散射特性的研究对湖泊水色要素遥感反演模型的发展具有重要的意义.本研究利用AC-S和ECO-BB9实测了巢湖水体的散射系数和后向散射系数,在分析光谱变化特性的基础上,构建了悬浮颗粒物散射系数和后向散射系数的幂函数光谱模型,获得的光谱指数分别为0.86和3.24.研究发现悬浮颗粒物散射系数与TSM和ISM都存在较好的线性函数关系,进而提出水体中总悬浮颗粒物的比散射系数为0.6364(10-3m2·mg-1),无机悬浮颗粒物的比散射系数为0.9108(10-3m2·mg-1).同时,分析了悬浮颗粒物后向散射率和折射指数的变化,其变化范围分别为0.003～0.026和1.02～1.06.     

巢湖水体固有光学特性研究

水体的固有光学特性是描述水体辐射传输的基本光学特性,是建立水质参数遥感模型的基础.黄色物质、非色素悬浮物和浮游植物是影响内陆水体光学特性的3种主要物质,对巢湖水体中这3种物质在波长为400～800 nm的吸收系数进行了测量和分析.结果表明,各组分的吸收系数随其含量的增加而增加;黄色物质和非色素悬浮物的吸收系数随波长的增加呈负指数形式递减;浮游植物吸收光谱的形状与不同藻类的色素组成密切相关.绿色到近红外波段范围是遥感监测内陆水质参数的最佳波段.      

水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展具有重要的意义。本文结合2017年6月和9月秦皇岛附近海域的实测数据,获取了各站位有机颗粒（POM）、无机颗粒（PIM）的浓度以及散射、后向散射等光谱参数,并进行了相关性分析。结果表明,受水体颗粒物浓度的影响,各波段比后向散射系数的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;通过建立散射、后向散射系数与总悬浮颗粒物浓度（SPM）以及与PIM和POM之间的关系模型发现,水体的后向散射受水体颗粒物构成影响较大,与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较高,均方根误差（RMSE）的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处最好;同时,分析了无机颗粒物的比例构成（PIM/SPM）对散射效率和后向散射效率的影响,得出相对于散射效率Q_be,后向散射效率Q_bbe受无机颗粒物比例构成影响最大,但是Q_bbe与PIM/SPM的相关性并不是很高,决定系数R2为0.4。     

NOAA卫星监测巢湖蓝藻水华的试验分析

采用实地水质采样分析、水面光谱测量等实地监测 ,并结合NOAA气象卫星遥感信息 ,对巢湖水华进行星地同步调查监测。结果表明 ,蓝藻叶绿素的存在使得进入近红外波段水体反射率明显上升 ,基于这一光谱特性以及蓝藻特有的漂浮特性 ,可利用NOAA卫星监测巢湖等内陆大面积的严重污染湖泊蓝藻水华的分布状况。     

基于TM/ETM+影响分析巢湖叶绿素a浓度变化趋势

对1995~2007年6景巢湖地区TM/ETM+数据利用多暗像元法进行大气校正并利用修正归一化水体指数(MNDWI)进行水体信息提取,在此基础上,使用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]模型提取了巢湖水体叶绿素a相对浓度信息.结果表明:高浓度区域主要分布在巢湖西半湖;南淝河水质情况对巢湖蓝藻暴发的贡献较大;1995~2006年间高浓度区域扩大了1.82倍,并有向巢湖东部扩展的趋势,富营养化程度仍在加剧.     

太湖、巢湖水体总悬浮物浓度半分析反演模型构建及其适用性评价

总悬浮物浓度是水体重要的水质参数.本研究利用太湖春季、秋季和巢湖夏季多期野外实测数据,通过对生物光学模型进行合理的简化构建适用于太湖、巢湖水体总悬浮物浓度反演的半分析模型,并将该模型应用于MERIS和环境一号卫星高光谱卫星影像上以验证该方法的适用性.结果表明:①针对太湖和巢湖水体,总悬浮物浓度最优反演波段范围为730～832nm(氧气吸收带除外);②针对MERIS数据,波段10(中心波长754 nm)和波段12(中心波长779 nm)均适用于太湖总悬浮物浓度反演,而波段11(中心波长761 nm)由于氧气吸收带的影响不适用于总悬浮物浓度反演;③针对太湖MERIS数据,模型反演结果的相对误差基本上呈现出随距离卫星过境时间增大而逐渐增加的趋势,在卫星过境时间正负3 h内测量的样点,模型反演结果的相对误差均在50%以内,而时间差超过3 h,相对误差则逐渐增大到50%以上;④环境一号卫星高光谱数据17个波段(B83～B99)均能够对巢湖总悬浮物浓度进行较好的反演,其反演效果要好于MERIS数据在太湖的反演结果.     

太湖中颗粒有机碳对水体固有光学特性的影响

利用2011年5期太湖现场测量数据和室内分析数据,通过建立ρ(POC)(POC为颗粒有机碳)与a_p(λ)(颗粒物吸收系数)、b_bp(510)(总颗粒物的后向散射系数)的相关关系,评价了POC对水体固有光学特性的影响. 结果表明,太湖水体ρ(POC)时空变化显著,各期样品平均值在1 558.06~5 281.09 mg/m3之间变化. ρ(POC)与a_p(λ)具有较好的相关关系,特别是在浮游植物色素强烈吸收的波段(605~700 nm),各期数据的相关系数均在0.9以上;但ρ(POC)与b_bp(510)的相关性较差(R2=0.04, P=0.02). 进一步分析ρ(POC)对颗粒物的色素部分和非色素部分的影响发现,ρ(POC)与色素颗粒物吸收系数〔a_ph(665)〕的相关性很好(R2=0.82),而与非色素颗粒物吸收系数相关性较差. ρ(NPOC)(NPOC为非有机碳颗粒物)与b_bp(510)的相关性较好(R2>0.60),说明太湖水体POC对浮游植物色素的吸光特性有重要影响,而NPOC影响了水体的后向散射特性.      

太湖水体散射特性及其与悬浮物浓度关系模型

水体散射特性与水环境参数如悬浮颗粒及其浓度密切相关.利用Wetlabs公司研制的水体固有光学特性测量系统,于2006-10～2006-11对太湖水体的散射系数和后向散射系数进行了测量.在对水体散射特性分析的基础上,建立了太湖水体颗粒物后向散射系数的光谱模型.此外,利用后向散射率计算水体折射系数,根据折射系数的变化范围,将水中颗粒物的主导因子分为3种类型：①浮游植物主导;②无机颗粒物主导;③两者共同主导.在对散射系数与无机悬浮物、有机悬浮物、总悬浮物浓度相关性分析的基础上,针对颗粒物主导因子的不同,分别建立了散射系数与无机悬浮物浓度的乘幂关系模型.     

内陆水体后向散射系数模拟研究

在利用半分析方法结合光学闭合原理模拟水体后向散射系数的过程中,参考波长的选择对最终结果有较大影响.为了得出最佳参考波长的影响因子,利用太湖、巢湖和滇池的野外实测数据,对后向散射系数进行模拟,进而分析水体的最佳参考波长与其对应的水质参数浓度之间的变化规律.同时,建立了太湖、巢湖和滇池水体的后向散射系数曲线的幂函数光谱模型,获得的光谱指数分别为2.643±0.317、 2.719±0.242、 1.638±0.534.结果表明：①以整个湖泊为研究对象时,最佳参考波长随着湖泊水体中总颗粒物浓度c_SPM、有机颗粒物浓度c_SPOM和叶绿素浓度c_CHL平均值的增大而向长波方向移动,太湖、巢湖和滇池水体的最佳参考波长分别为695、 720和730 nm;②以单个湖泊的各个样点为研究对象时,由于内陆湖泊光学特性的复杂性,最佳参考波长的影响因子存在一定差异,但c_SPM是一个共同的影响因子.此外,过高的c_CHL将削弱水质参数浓度与最佳参考波长间的规律性;③在以无机颗粒物为主的水体中,后向散射系数与总颗粒物浓度之间存在更好的相关性,如在太湖水体中,R²达到0.852.     

固城湖及上下游河道富营养化和浮游藻类现状

于2009年4月(枯水期)、7月(丰水期)在固城湖及芜申线高淳段航道选取19个调查站点采集水样,测定水体理化特征、细菌总数、浮游藻类种类、数量等指标,并采用富营养状态指数法和Shannon-Wiener多样性指数法对水质污染现状进行研究和评价.结果表明,固城湖上游水阳江和固城湖湖区水质较好,处于轻度富营养化状态,官溪河污水处理厂排污口附近和下游胥河处于中度富营养化状态,并且综合富营养化指数在下游逐渐增高.目前固城湖及其上下游河道水质主要为氮磷污染,有毒、有机污染物的影响较小.调查期间共发现浮游植物9门22科36属74种.4月份固城湖湖区蓝藻数量占优势,达56%,其次是绿藻;上下游河道以绿藻和隐藻占优势,比例在30%左右.而7月份所有采样点蓝藻数量占绝对优势,均在80%以上,湖区藻类生物多样性指数明显高于其他区域.     

巢湖夏季水华期间水体中溶解性碳水化合物的研究

在2010年7月巢湖蓝藻水华暴发期间,采集了11个点位的表层水样,分析了叶绿素含量﹑溶解性有机碳﹑不同形态氮磷营养盐以及各种碳水化合物的浓度.研究结果表明,巢湖营养盐浓度呈现西高东低的分布趋势,叶绿素浓度与营养盐浓度分布规律不完全一致,说明影响藻类空间分布的因素很多.硝酸盐浓度是影响溶解性有机碳的重要因素.总溶解性碳水化合物占溶解性有机碳的比例最高为26%,多糖和单糖所占比例分别为21%和6%.叶绿素浓度与溶解性有机碳,各种碳水化合物之间不具有显著相关性,说明在巢湖蓝藻水华暴发期间,除了浮游植物,陆源输入可能也是溶解性有机碳及各种碳水化合物的重要来源.     

巢湖水体中微塑料组成及分布特征

为研究淡水湖泊中微塑料的污染现状,以安徽省巢湖为例,在2020年11月对水体中微塑料丰度分布进行了系统的调查,并分析了巢湖微塑料的形状、粒径范围、颜色和聚合物类型. 结果表明:①巢湖水体中微塑料的丰度平均值为(1.30±0.68)个/L,其中东部湖区略低于其他区域. ②巢湖水体中微塑料的形状包括纤维状、碎片状、颗粒状、薄膜状和微珠状,其中纤维状(65.8%)是最常见的微塑料形状. ③巢湖水体中微塑料的颜色包括透明、黑色、白色和彩色,其中黑色和彩色占主要优势,分别占总数的44.33%和26.58%. ④巢湖水体中微塑料以小尺寸(粒径50 μm~2 mm)微塑料为主,占总数的88.65%. ⑤巢湖水体中微塑料聚合物类型包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE),其中PP(57.52%)和PET(21.17%)是主要的聚合物类型. 研究显示,巢湖水体中有微塑料的赋存,渔业活动和生活污水排放是其主要的污染来源,建议后续进一步追溯其污染源头,为巢湖微塑料的污染防治提供理论指导.      

巢湖沉积物重金属污染生态风险评价及来源解析

为掌握巢湖沉积物中重金属污染现状并定量解析其来源,采用定点采样的方法获得了巢湖沉积物2015～2017年Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd、As、Hg等重金属数据,使用反距离加权插值法和风险评价编码法研究了上述重金属的空间分布特征及潜在生态风险,并应用PMF模型解析了其重金属来源,结果表明:巢湖沉积物中As三年含量均值超过了GB15618中规定的碱性水田土壤风险筛选值,而Zn生物可利用形态占比高,生态潜在风险大;巢湖沉积物中各类金属的空间分布与周边交通线位置相契合,主要表现出东西高中部低的状态,巢湖沉积物中总重金属主要来自交通源(43%)、自然源(27%)、农业源(18%)、工业源(12%),交通源贡献最大、自然源占比高于农业源和工业源,表明当前巢湖正处于城市化初始阶段,其重金属污染水平较低。但随着城市化规模的扩大及程度的加深,巢湖沉积物中重金属污染存在逐年加剧的风险。     

长江三口-西洞庭湖环境因子对浮游植物群落组成的影响

为了解长江三口及西洞庭湖浮游植物群落结构特征及主要环境影响因子，于2016年11月、2017年3月及8月对长江三口及西洞庭湖18个断面进行了浮游植物的调查，共检出6门72种，群落结构分析结果表明：浮游植物密度方面，在11月份最低，8月份最高，变化范围为1.32~275×10⁴cells/L，平均密度为32.75×10⁴cells/L，其中，长江三口平均密度为35.39×10⁴cells/L，西洞庭湖为25.88×10⁴cells/L；优势类群方面，长江三口以硅藻门的尖针杆藻（Synedra acus）、瞳孔舟形藻（Navicula pupula）、双头辐节藻（Stauroneis smithii Grun）为主，西洞庭湖则以蓝藻门的小席藻（Phormidium tenue），绿藻门的小球藻（Chlorella vulgaris）、四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）为主；多样性方面，长江三口Shannon-Wienner指数及Margalef指数分别为1.31和1.01，西洞庭湖Shannon-Wienner指数及Margalef指数分别为1.40和1.10，通过对浮游植物和水环境因子数据进行CCA分析可知，水温（WT）、总氮（TN）、总磷（TP）是影响长江三口浮游植物分布的主要因素，而WT、pH值是影响西洞庭湖区浮游植物分布的主要因素.