厦门海域水体悬浮物遥感反演算法研究

通过现场实测厦门海域水体遥感反射率及水体悬浮物浓度,分析了该海域水体的遥感反射光谱特征,选取了特征波段及组合建立了该海域水体悬浮物浓度反演模型。本文经过对比分析水体中呈悬浮态的总颗粒物质量浓度的不同反演方法,最后得出悬浮颗粒物在近红外波段的反射曲线的反射率高值和低值围成的区域面积可较好的反演研究区域的悬浮颗粒物浓度,其统计回归模型的决定系数是0.66,该反演算法的RMSE是10.25mg/L,相对误差是7.79mg/L。     

基于Sentinel-3 OLCI影像的秦皇岛海域悬浮物浓度遥感反演

基于2013~2021年期间秦皇岛海域遥感反射率、悬浮物浓度及叶绿素a浓度等实测数据,开展了该海域Sentinel-3 OLCI影像的悬浮物浓度遥感反演模型研究.结果表明,文献中常用的典型经验模型形式均不适用于秦皇岛海域,以490、620及708.75nm为悬浮物反演的敏感波段,以560nm为参比波段,将各敏感波段与参比波段的比值作为自变量,最终建立了适用于秦皇岛海域的Sentinel-3 OLCI四波段悬浮物浓度遥感反演模型（R²=0.69,MAPE=24.79%,RMSE=2.82mg/L）;并采用2021年7月24日Sentinel-3 OLCI影像进行悬浮物浓度遥感反演产品的真实性检验,得到反演值与实测值的平均相对误差为13.24%.将上述四波段模型用于2021年1~12月秦皇岛海域的Sentinel-3 OLCI影像,反演得到月均悬浮物浓度,发现秦皇岛海域悬浮物浓度整体呈现沿岸海域高、离岸海域低,秋冬季高、春夏季低的时空变化特征;且2018~2021年秦皇岛海域悬浮物浓度的年均值逐年递减,水体越来越澄清.     

基于多源同步数据的闽江下游悬浮物定量遥感

利用2006-09-18的同步Landsat TM数据、水面实测光谱数据和现场水样数据,研究了闽江下游的悬浮物,在这3种同步数据的基础上建立了分别基于实测光谱与影像光谱的悬浮物遥感预测模型.结果表明,实测光谱数据在690nm波长处,归一化光谱反射率与悬浮物浓度达到最大正相关,由690nm和530nm二处的反射率构成的比值预测模型与实测悬浮物浓度的拟合精度最高,最佳拟合模型可表达为SS=116.2(R690/R530)-33.4.TM影像各波段中以(TM2 TM3)2波段组合与实测悬浮物浓度的相关性最佳.由其所建立的影像光谱预测模型与实测悬浮物浓度的拟合精度最高.最佳拟合模型可表达为SS=3793.7(RTM3 RTM2)2-16.5.模型的精度评价表明,实测光谱模型的预测能力要强于影像光谱模型.但二者差异不大.在缺乏地面实测光谱数据时.基于影像光谱的遥感定量模型仍不失为一种预测悬浮物浓度的有效方法,其对闽江下游悬浮物浓度的反演结果能较准确地反映出该区域悬浮物浓度分布的空间差异,具有较高的实用性.     

基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算

为了建立以生物光学模型为基础的河流悬浮物遥感估算方法,以福建晋江为例,对福建晋江下游河段的光学特性和悬浮物浓度进行了测定,探讨了水面下反射率R(O-)与悬浮物浓度之间的响应关系.结果表明,绿光波长的反射率与悬浮物浓度的相关性最强,因此,用R(O-)TM2与悬浮物浓度建立了遥感估算模型,并将其应用于2008年2月28日的Landsat TM影像,反演出晋江的悬浮物浓度分布.精度分析说明,平均相对误差RE为11.93%,该模型可以有效地应用于Landsat TM反演悬浮物浓度.     

基于GOCI影像和水体光学分类的内陆湖泊叶绿素a浓度遥感估算

叶绿素a作为水质参数之一,常用来作为衡量水体富营养化程度的指示标准.利用从太湖及洞庭湖获取的326个实测数据,基于实测遥感反射率对水体光谱进行光学分类,结果表明所采集的样点可分为3种水体类型.结合GOCI的波段设置,建立了不同类型水体的叶绿素a浓度反演模型.水体类型一可以利用490 nm(3波段)和555 nm(4波段)来反演,水体类型二可利用660 nm(5波段)和443 nm(2波段),水体类型三利用745 nm(7波段)和680 nm(6波段).精度分析表明,分类后的平均相对误差明显下降,类型一为38.91%、类型二为24.19%、类型三为22.90%;类型一均方根误差为4.87μg·L-1、类型二为8.13μg·L-1、类型三为11.66μg·L-1;分类前后的总体平均相对误差由49.78%降低到29.59%,总体均方根误差由14.10μg·L-1降低到9.29μg·L-1,分类后反演精度得到了显著提高.利用2013年5月13日8景GOCI影像反演了太湖的叶绿素a浓度,结果表明,2013年5月13日太湖叶绿素a浓度日变化显著,高值区主要集中在竺山湾、梅梁湾、贡湖湾,低值区主要集中在湖心区以及南部区域,10:00以后太湖西南部沿岸的叶绿素a浓度显著降低.这种先分类后反演的方法对于二类水体的模型反演精度的提高具有重要作用.     

基于实测数据和卫星数据的黄东海透明度估测模型研究

海水透明度是描述水体光学特征的一个重要参数,也是海洋水质调查中的一个重要指标。利用2个航次的黄东海透明度数据和MODIS遥感反射率数据,进行了黄东海透明度的遥感反演研究,建立了透明度单波段模型、波段比值模型、三波段模型以及基于固有光学特性的半分析模型。结果表明,三波段模型具有较高精度,反演值与实测值之间的平均相对误差为19%、决定系数为0.719、均方根误差为1.47m。黄东海透明度估测模型的建立,有利于利用遥感影像对黄东海透明度进行全面估测,对于监测黄东海水质状况具有重要意义。     

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.      

太湖水域叶绿素a浓度的遥感反演研究

利用太湖水域MODIS遥感数据的各波段反射率组合计算值,与实测的叶绿素a浓度进行相关性分析,找到相关性最好的反射率组合,建立反演太湖叶绿素a浓度的遥感模型.结果表明,利用MODIS数据可以较好地实现对太湖水域叶绿素a浓度的定量反演计算,并以MODIS数据第3、第17波段的反射率组合作为遥感指数建立了反演叶绿素a浓度的模型.第3、第17波段的波长范围分别为459nm～479nm、890nm～920nm,这一波段选择与以往使用TM数据得到的结论有所不同.     

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.     

太湖悬浮物对水体生态环境的影响及其高光谱反演

利用太湖水质参数数据、水面以下实测光谱数据以及水-气界面辐射传输模型,计算得到了水体漫射衰减系数和水面以上遥感反射比,探讨了悬浮物对水体中营养盐以及水下光照等水体环境因子的影响,在此基础上,利用水面以上遥感反射率建立了悬浮物浓度的定量反演模型.研究结果表明:悬浮物浓度与水体下行漫射衰减系数具有很好的相关性,在可见光波段相关系数达到0.8以上,与真光层深度具有很好的负指数关系;水面以上遥感反射比与悬浮物浓度对数(In(Tss))具有很好的相关性,在500～600nm范围内呈负相关,在620-882nm范围呈正相关,最大负相关出现在522nm附近,最大正相关出现在692nm附近;选用Rra(522nm)、Rra(692nm)以及其比值作为变量建立悬浮物反演模型,得出的单波段线性对数模型能够较好地反演悬浮物浓度.     

基于生物光学模型的二类水体光学活性物质估算：以晋江下游河段为例

水体中各组分对光谱的吸收和散射构成了水体的固有光学特性,是生物光学模型的重要参数,是建立水质遥感半分析模型的基础.目前该方法多应用于湖泊水质监测,很少用于河流.因此, 本研究以福建晋江下游河段为例, 探讨水面下反射率R(0^-)与光学活性物质之间的关系,并建立了光学活性物质的估算模型.结果表明,利用R(0^-)₇₅₃与总悬浮物浓度、R(0^-)₇₀₂/R(0^-)₆₈₀与浮游植物色素浓度、R(0^-)₆₇₀/R(0^-)₄₂₃与CDOM吸收系数分别建立的估算模型能取得理想的效果,其决定系数分别是0.953、 0.820 5和0.621 3,对应的相对误差分别是6.1%、 21.87%和22.18%.三者中以悬浮物浓度的反演精度最高,然后依次为浮游植物色素浓度和CDOM.主要原因在于浮游植物色素的浓度相对较低,光谱信号较弱;CDOM的特征光谱波段很窄,而且该波段内的R(0^-)受到其它２种物质存在的影响.     

基于Landsat-8的城市湖泊水体总悬浮物吸收系数的遥感反演——以杭州西湖为例

近年来城市湖泊水质受到广泛关注.总悬浮物(total suspended matter,TSM)是水质和水环境评价的重要参数之一,其直接决定着水下光场分布,进而影响水体的初级生产力.本研究基于在杭州西湖的各湖区收集的遥感反射率(R_(rs),sr~(-1))数据和总悬浮物的吸收系数(a_p(440),m~(-1))进行高光谱建模,比较不同经验函数形式和不同模型输入的效果,得到高光谱下的最佳函数是指数函数,最佳模型输入是B1/B2或(B1-B2)/(B1+B2).其中,当模型输入为B1/B2和(B1-B2)/(B1+B2)时,模型R~20.6,波段B1和B2范围分别是580～690 nm和515～535 nm,及700～720 nm和515～615 nm.参照最佳波段范围和Landsat-8的波段设置,选定Landsat-8红色和绿色波段反演模型.并根据卫星数据验证结果,选定最优模型a_p(440)=51.17e~(-7.75x),x=(OLI3-OLI4)/(OLI3+OLI4),在3幅Landsat-8图像上应用模型,观察西湖TSM的变化.研究结果发现人类活动可能对西湖的TSM有很大的影响,并且我们的研究和结果有望为未来城市湖泊水质管理提供方法、数据和指导.     

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布及其对遥感反射光谱的影响

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布对水下光场分布具有重要影响,决定了水色参数定量遥感反演的精度.基于2011年8月和11月在太湖进行的垂直分层采样,分析了水体中光学活性物质含量的垂向分布特征,并探讨了其影响因素及其对水体遥感反射光谱的影响.结果表明,风速是影响富营养化水体中光学活性物质垂向分布的重要因子之一.风速较小(小于3.0 m·s~(-1))或无风时,表层叶绿素a浓度急剧增加,易形成水华;而风速大于5.0 m·s~(-1)时,水体发生垂直混合,底层叶绿素a浓度最大;其它风速条件下,叶绿素a浓度在某一水深处出现极大值.在风速小于5.0 m·s~(-1)的情况下,悬浮物浓度和有色溶解有机物(CDOM)的垂向分布相对均一;当风速超过5.0 m·s~(-1)时,底泥再悬浮过程对两者的贡献较大.在未发生藻华情况下,0~0.5 m水深范围内的叶绿素a浓度均值与波段比值的相关系数最大(r=0.86),对水体遥感反射比的影响较大;而表层悬浮物浓度对水体遥感反射比的影响最大,研究结论可为水色参数含量的精确估算提供方法论支持.     

黄河河南段水体中正构烷烃的分布特征与来源解析

本研究于2010年8月采集黄河河南段26个表层水及悬浮颗粒物样品,采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)测定22种正构烷烃(C_(14)~C_(36))的含量,分析其组成特征,并利用特征参数解析其来源.结果表明,黄河河南段水相中正构烷烃浓度为521~5 843 ng·L~(-1),平均浓度为1 409 ng·L~(-1),组成特征以C_(25)为主峰碳的高碳单峰型.悬浮颗粒相中正构烷烃浓度范围为463~11 142 ng·L~(-1),平均浓度为1 951 ng·L~(-1),组成特征表现为双峰型,C_(25)为主峰碳的高碳烃占优势,同时存在低碳峰.多特征参数OEP、CPI、%Wax C_n以及TAR表明,黄河河南段水相及悬浮颗粒物中正构烷烃主要来源于化石燃料的燃烧,同时存在陆生植物来源.     

贵州喀斯特水库红枫湖、百花湖P(CO2)季节变化研究

针对贵州喀斯特地区富营养水库（红枫湖、百花湖）表层水中的CO₂分压P(CO₂)进行为期1 a的监测,分析了影响两湖P(CO₂)季节变化的因素并阐明了两湖P(CO₂)季节变化的机理.不同于北部温带地区水库,两湖出现明显的季节变化特征：夏季表层水中CO₂欠饱和,其他季节CO₂过饱和.通过对物理、化学及生物因素与P(CO₂)之间的相关性分析. 结果表明,两湖P(CO₂)与Chla之间存在的显著负相关,是由于浮游植物光合作用与细菌呼吸作用共同影响的结果,也是两湖P(CO₂)出现季节变化的主要原因.水温与P(CO₂)之间的显著负相关,主要是由于水温影响浮游植物生长引起的.降雨量与P(CO₂)之间的显著负相关,主要是由于降雨量影响水库中营养盐的输入和浮游植物生长引起的.NO^-₃、NO^-₂与P(CO₂)之间的显著正相关,是藻类吸收与有机质降解、硝化反应等共同作用的结果.SiO^{2-₃与P(CO₂)之间的显著负相关,是SiO2-₃受降雨输入及藻类吸收共同影响的结果.而两湖DOC与P(CO₂)相关性的差异可能与两湖DOC来源不同有关.}     

千岛湖浮游植物群落结构的垂向分布特征及其影响因素

深水湖库浮游植物群落结构具典型垂向分异特征,是其水质和生态系统功能的考量要素之一;但对深水湖库浮游植物垂向分异的季节变化规律及其成因仍认识不清.以深水湖库千岛湖为例,通过春、秋两季全湖12个点位浮游植物群落结构及同步水质指标剖面变化的调查,揭示了典型深水湖库浮游植物群落结构的垂向分布特征及影响因素.结果表明,春季浮游植物丰度和叶绿素a最大值出现在次表层(2～5 m),而秋季浮游植物丰度和叶绿素a则在表层达到最大值,然后均随水深增加而下降.千岛湖浮游植物优势种属在垂向上呈现明显的分层特征,具体而言,春季表层和次表层主要以隐藻和假鱼腥藻为主,中层隐藻占据优势,而底层小环藻细胞丰度明显高于其他藻属;秋季表层优势属为假鱼腥藻和束丝藻,在次表层和中层,细鞘丝藻和假鱼腥藻占据优势地位,底层细鞘丝藻成为唯一优势属.此外,水体关键环境指标也存在明显的垂向变化,春季水体氮和磷营养盐浓度与水深呈负相关,而秋季则呈相反趋势;统计分析表明春季浮游植物丰度垂向分布与磷酸盐浓度显著正相关,秋季浮游植物丰度垂向分布则与光照强度呈现显著正相关,而水温、硝态氮和总氮则是驱动两季浮游植物优势属垂向分布的主要因素.综上所述...     

鄱阳湖浮游植物叶绿素a及营养盐浓度对水位波动的响应

鄱阳湖是长江中下游仅存的两个自然通江湖泊之一,其水情变化独特,与非通江湖泊显著不同.为探究水位波动对鄱阳湖水环境的影响及其浮游植物的响应特征,选取了鄱阳湖星子、都昌水域,于2011年9月至2012年11月对浮游植物叶绿素a(Chla)及其它相关水质指标进行每周一次的原位监测.结果表明,高Chla浓度出现在鄱阳湖高水位和高水温期,水位波动可加强鄱阳湖浮游植物Chla浓度的季节性变化效应,同时对浮游植物群落结构的改变也有一定的促进作用.回归趋势分析,Chla浓度与水温(P0.000 1)和透明度值(SD)(P0.000 1)显著正相关,与总氮(TN,P0.01)、溶解性氮(NO_x-N,P0.01;NH~+_4-N,P0.05)显著负相关,而SD值、总氮和溶解性氮浓度与鄱阳湖水位值显著相关(SD,P0.01;TN,P0.000 1;NO_x-N,P0.01;NH~+_4-N,P0.000 1).主成分分析(PCA)显示,不同水位期,鄱阳湖所表现出的水环境特征显著不同,低水位期,营养盐浓度,特别是氮营养盐浓度较高;而高水位期,鄱阳湖水温较高和SD值较高.总之,鄱阳湖的水位波动影响了湖区沉积物再悬浮和水体SD状况,加之高水位的稀释效应和人类活动,均直接影响了鄱阳湖营养盐状况以及Chla浓度.     

不同形态磷对沉积物-水界面浮游植物增殖及群落结构演替的影响

探讨了不同磷形态对沉积物-水界面浮游植物增殖及群落结构演替的影响,以九龙江北溪西陂水库沉积物-上覆水体(水体藻类丰度为7.2×10~4cells·L~(-1),以硅藻、绿藻、蓝藻为主,分别占藻类丰度的49.16%、32.40%、17.32%)为研究对象,磷源包括:无机磷(NaH_2PO_4·2H_2O)、有机磷(单磷酸腺苷,AMP)、SMT方法提取沉积物总无机磷(SMT-TP)、鲜沉积物(Sediment)和野外原水(OW).结果表明,无机磷和有机磷(N∶P=20∶1)培养组对藻类增殖有明显促进作用.其中,无机磷组中浮游植物群落结构演替为以蓝藻和绿藻为主,分别占藻类丰度的76.67%和23.34%;有机磷组中浮游植物群落则演替为以绿藻为主,占藻类丰度的92.51%.在低磷组(N∶P=25∶1)、野外原水(N∶P=17∶1)、SMT-TP组(N∶P=10∶1)中,浮游植物群落结构从硅藻、绿藻和蓝藻演替为以蓝藻和绿藻为主,与无机磷组结果趋于一致.而鲜沉积物(N∶P=10∶1,含有无机磷和有机磷)组群落结构演变为蓝藻占优势,所占比例为71.80%.该结果表明,磷的形态对浮游植物群落结构具有重要的影响.模拟环境无机磷组、有机磷组和SMT-TP培养组中,浮游植物群落多样性具有降低的趋向,硅藻逐渐消失;而野外原水和鲜沉积物组中浮游植物群落多样性稳定,硅藻仍然存在,表明自然环境中其他元素调控水体中浮游植物群落多样性.鲜沉积物组中浮游植物群落结构逐渐演替为以蓝藻为主,暗示沉积物对蓝藻水华暴发具有重要贡献.     

千岛湖水体悬浮颗粒物吸收特性及其典型季节差异

利用千岛湖2012年12月~2013年2月冬季及2013年6~8月夏季的采样数据,分析了千岛湖水体的营养水平和悬浮颗粒物的吸收特性季节变化及空间分布规律.结果表明千岛湖营养水平夏高冬低,整体处于中营养水平.冬季和夏季总悬浮颗粒物吸收系数在440 nm的均值分别为:(0.20±0.07)m-1和(0.24±0.17)m-1;675 nm的均值为(0.07±0.02)m-1和(0.10±0.07)m-1;夏季显著高于冬季(t-test,P<0.05).冬季总悬浮颗粒物的吸收光谱可分为两种情况:西北湖区与浮游植物吸收类似,其它站点与非藻类颗粒物的吸收相似;而夏季,在可见光范围,50%以上总悬浮颗粒物的吸收是由藻类颗粒物贡献,因此,总悬浮颗粒物的吸收光谱曲线与浮游植物光谱曲线类似.冬夏季浮游植物吸收系数差异显著(P<0.05),440 nm均值分别为(0.10±0.03)m-1和(0.17±0.14)m-1;相应地675 nm的均值为(0.05±0.02)m-1和(0.08±0.07)m-1.冬季和夏季440 nm浮游植物比吸收系数(以Chla计)的均值分别为:(0.045±0.010)m2·mg-1和(0.039±0.013)m2·mg-1;675 nm处为:(0.022±0.004)m2·mg-1和(0.019±0.005)m2·mg-1.440 nm和675 nm浮游植物吸收系数随Chla浓度及综合营养状态指数的增加线性增大;比吸收系数和Chla浓度呈幂函数关系,随Chla浓度增大而减小.冬季非藻类颗粒物吸收与无机颗粒物的相关性最好;夏季440 nm非藻类颗粒物吸收与总悬浮颗粒物和有机颗粒物呈线性关系,随着总悬浮颗粒物和有机颗粒物含量增加非藻类颗粒物吸收增加.     

辽河流域河流秋季CDOM光学特性及影响因素研究

了解有色溶解有机物(CDOM)的光学特性有助于对水生生态系统中溶解有机物(DOM)循环过程的研究,而环境要素对CDOM光学特性的影响会进一步影响水环境中的碳循环过程.利用2013年9月和10月辽河水体实测数据对水体反射特性、CDOM的吸收特性、荧光特性及各种水质参数对CDOM光学特性的影响进行研究.结果表明,辽河流域河流总氮(均值4.40 mg·L~(-1))、铬浓度(均值0.0065 mg·L~(-1))超过国家地表水V类标准.悬浮泥沙光谱特征较为明显的水样,其CDOM的吸收曲线非常相近,叶绿素a光谱特征较为明显的水样,其CDOM吸收曲线之间的差别较大.辽河流域水体CDOM的吸收斜率S275-295(0.0163~0.0191 nm-1)高于其他大多数河流,而低于湖泊、水库.对比辽河流域河流发现,东辽河与辽河水体CDOM组成物质的分子量相对较小,东辽河CDOM的芳香性最高,而西辽河最低.根据荧光指数、腐殖化指数及生物源指数分析发现,辽河流域水体主要以陆源的、高等植物DOM为主,太子河、大凌河CDOM具有较为明显的自生源特征.通过荧光峰的分布发现,辽河水体CDOM以类腐殖酸荧光峰(A峰、C峰)为主,部分河流(辽河干流)同时表现出较强的类蛋白质荧光峰(B峰、T峰).通过冗余分析(RDA)发现,水体中溶解有机碳(DOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总碱度(TAlk)、砷(As)及汞(Hg)与表征CDOM光学特性的参数之间存在显著的相关性(p0.05),是CDOM光学特征的主要影响因子.