艾比湖流域地表水水体悬浮物、总氮与总磷光谱诊断及空间分布特征

水体悬浮物(SS)、总氮(TN)和总磷(TP)是衡量水质的一个重要指标。选择新疆艾比湖流域为靶区,基于2015年10月实测光谱数据,采用微分法和反射率变换法以及偏最小二乘法估算水体中的SS、TN和TP的质量浓度。结果表明,(1)水体悬浮物的自然对数(ln SS)的显著性波段出现在350、410、520、570、655和940 nm处,基于偏最小二乘法的ln SS均方根一阶拟合效果最好,P0.01水平下拟合系数r~2=0.3562。此外,ln SS与总氮、总磷存在显著性正相关,相关系数分别为0.506和0.505(P0.01)。(2)水体TN的显著性波段出现在393~399 nm与674~678 nm范围内,水体TN的倒数一阶拟合效果最好,P0.01水平下拟合系数r2=0.438 9;(3)水体TP的显著性波段出现在333、349、862、882和905 nm处,水体TP的倒数一阶拟合最优,P0.01显著性水平下拟合系数r~2=0.634 8。从水体SS、TN和TP浓度的空间分布可知,水体SS、TN和TP含量高值点位于艾比湖的北岸,基于最优模型反演的SS、TN和TP的浓度整体偏高,且与原始数据的空间分布相差不明显。综上所述,利用光谱数据可以精准、快速的估算水体悬浮物、总氮和总磷,可为水质的评价提供科学依据,亦可为今后利用星载高光谱传感器对艾比湖流域水质参数进行大面积估算提供新思路。     

基于RBF神经网络的鄱阳湖表层水体总悬浮颗粒物浓度遥感反演

为进一步提高湖泊总悬浮颗粒物浓度遥感反演的准确性,引进适应复杂非线性映射的RBF神经网络模型,以鄱阳湖通江湖体为例进行了实证分析,根据实测水体悬浮颗粒物浓度和MODIS遥感数据,对遥感数据进行预处理,建立了RBF神经网络悬浮颗粒物浓度反演模型,神经元个数为8个,误差性能目标值为0.001,对悬浮颗粒物浓度进行反演。研究结果表明,验证样本相关系数R2=0.956 8,均方根误差RMSE=0.54。利用神经网络模型反演水悬浮颗粒物浓度是有效的,其反演结果优于非线性回归模型的结果。     

工业区土壤高光谱特性及其重金属含量预测研究——以上海市闵行区为例

土壤的高光谱能够反映土壤信息,利用光谱数据能够快速高效地预测土壤重金属含量。以上海闵行工业区土壤为研究对象,分析研究区土壤光谱曲线所包含的土壤信息,通过光谱反射数据多种低阶微分变换形式以增强光谱特征,并通过相关分析获取土壤铜(Cu)、铬(Cr)、锰(Mn)、铅(Pb)、锌(Zn)含量的特征波段位置,构建土壤重金属高光谱反演模型。结果表明,工业区土壤重金属Cu、Cr、Mn、Pb、Zn存在明显积累,含量平均值依次为29.38、106.32、583.14、34.13、111.15 mg·kg-1,均超过上海市土壤环境背景值,且表现出复合污染和同源性的特点;土壤光谱曲线除受铁氧化物(409.55 nm)、有机质(825～900 nm)、水(1 400～1 425 nm)的影响存在光谱曲线吸收带外,走势均随波长增加而上升;最优特征波段均出现在近红外波段范围内,Cu为1 440.21 nm,Cr为834.44 nm,Mn为984.98 nm,Pb为1 440.21 nm,Zn为1 642.50 nm;利用特征波段光谱反射率的低阶微分变换形式作为建模因子建立土壤重金属含量的高光谱反演模型,发现均方根二阶微分(RMSTD)变换、倒数一阶微分(RTFD)变换、倒数对数二阶微分(ATSD)变换相较于原始一阶微分(FD)、二阶微分(SD)变换更能提高预测精度,多元逐步回归线性模型(SMLR)建模效果优于偏最小二乘回归(PLSR)模型,SMLR建模R2均大于0.65,验证R2除Mn外(R2=0.400)均大于0.5。基于SMLR建立的高光谱反演模型具有较高的预测精度、稳定性与可靠性,对工业区土壤重金属含量进行高光谱反演建模具有可行性。     

镉污染胁迫下水稻生理生态表征高光谱识别模型

利用水稻生长季节多个时相的ASD实测高光谱数据和同步获取的土壤-作物特征参数,系统分析了高光谱遥感指数与镉污染胁迫下水稻生理生态参数变化特征之间的响应关系.选择叶绿素含量、水分含量、细胞结构和叶面积指数4个重要生理生态参数作为水稻镉污染胁迫响应因子,通过理论分析和实验验证,得到对上述因子变化敏感的高光谱遥感指数及其响应规律.在此基础上建立MCARI-NDWI、MCARI-RVSI、MCARI-RVI、NDWI-RVSI、NDWI-RVI和RVSI-RVI模型,揭示了不同污染程度条件下响应因子在各光谱指数空间中的表征规律.     

基于ASD和FISS的植被叶片氮素含量反演研究

地面成像光谱系统能够在更为微观的尺度上满足多元化应用需求,实现对植物群体、单个植株的快速精细探测,获取精细的植被生理参量的空间信息,从而弥补大尺度远距离遥感难以发挥作用的领域。本文采用ASD地物光谱仪和新型地面成像光谱系统FISS,以大豆叶片为研究对象,获取大豆叶片ASD光谱及FISS成像光谱数据,探讨大豆植株叶片的图像特征、反射率光谱、导数光谱、光谱指数等光谱特征变量与叶片氮素含量的相关性,建立植株叶片氮素含量的估算模型。研究结果表明：FISS地面成像光谱仪和ASD地面非成像光谱仪对氮素具有敏感指示的波段区间一致,480~520 nm和680~720 nm区间的波段范围与氮素含量具有较高的相关性;导数光谱特征所得精度要比原始光谱特征所得精度高,说明导数光谱对氮素含量的指示更为敏感,可以更加有效地提取氮素含量信息;反演模型对氮素含量反演精度的影响低于光谱特征对精度的影响。研究表明FISS数据由于其独特的测量方式和图谱合一的特点,可以更加准确地用于植被氮素含量的反演,实现植被叶片氮素含量的快速实时无损监测及图像可视化表达。     

河北坝上地区草地退化指示种的高光谱特征波段识别

草地生态系统对发展畜牧业、保持水土和维持生态平衡有重要作用,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义。高光谱遥感能够大幅度提高草地退化进程中植被结构退化的识别精度,为草原退化研究开辟新领域。利用高光谱遥感技术进行植被结构退化鉴别时,特征波段的选择和提取至关重要。根据地面实测高光谱数据,对河北坝上地区3种退化指示种和2种优势物种光谱反射曲线进行对数变换处理,采用均值置信区间对原始光谱和变换处理后的对数光谱进行波段选择,提取了退化指示种的光谱特性,并利用Manhattan距离对所选择的波段进行识别检验。结果表明:(1)与2种优势物种苔草(Carex pediformis)和羊草(Leymus chinensis)相比,退化指示种狼毒(Stellera chamaejasme)的特征波段为402~412 nm,冷蒿(Artemisia frigid)的特征波段为627~689、715~929和929~1 033 nm,星毛委陵菜(Potentilla acaulis)的特征波段为705~721 nm;(2)在上述特征波段内,同种植被的Manhattan距离值显著小于异种植被的Manhattan距离值,狼毒、冷蒿和星毛委陵菜的Manhattan距离值分别为0.006 6、0.310 1和0.385 5;(3)在可见光范围内,退化植被与主要优势植被的光谱差异不明显,经对数变换后,其差异被放大,易于提取特征波段,且基于均值置信区间的植被原始光谱曲线与对数光谱曲线相结合方法的特征提取结果更精细,最终确定狼毒的特征波段为402~412 nm,冷蒿的特征波段为627~689、758~924和940~1 033 nm,星毛委陵菜的特征波段为705~721 nm。     

海洋初级生产力的卫星遥感估算模型

海洋初级生产力估算在渔业资源管理、碳循环和全球变化研究中具有重要意义,准确的海洋初级生产力估算模型可直接为渔业生产和海洋管理提供决策支持,卫星遥感技术能够及时提供地表大尺度、动态的生态环境参数,因而在海洋初级生产力估算方面得到了广泛的应用.首先介绍了遥感估算海洋初级生产力的原理,对不同遥感模犁包括经验模型和基于生物机理的BPM模型、LPCM模型和VGPM模型等生理过程模型进行了比较分析.以渤黄海海域为研究区,利用MODIS/AQIJA卫星数据产品中的海表温度SST、离水辐射率Lw、海水漫射衰减系数.Kd490和海洋光合有效辐射PAR,计算出水柱的最大碳固定速率、真光层深度、遥感叶绿素浓度.选择全遥感数据驱动的生理过程模型VGPM,对渤黄海的初级生产力进行了估算和分析.结果表明:通过MODIS卫星数据基于VGPM模型估算的渤黄海海域的海洋初级生产力很好地揭示了海洋初级生产力在不同海区的分布和变化.整个渤黄海海区初级生产力的总体分布为从近海向外逐渐降低,其中渤海要较高一些,和前人调查比较一致.     

基于Landsat 8影像的太湖生化需氧量遥感反演

生化需氧量(BOD)是监测水体有机污染的重要水质参数,运用遥感技术进行水体BOD监测具有快速、便捷的优势。利用2016年7月27日和2016年8月28日Landsat 8/OLI影像数据与2016年8月1—4日和2016年9月1—8日40个样点实测BOD浓度数据,对BOD浓度与Landsat 8像元光谱反射率进行相关分析并选取敏感波段,运用建模集数据构建偏最小二乘回归模型(模型决定系数为0.61,预测均方根误差为0.69mg·L~(-1),预测偏差比为1.61)进行数据验证,实测值和预测值的相关系数达到0.85,预测均方根误差为0.74mg·L~(-1),预测模型效果较好,说明应用Landsat8/OLI数据进行太湖BOD浓度监测具有可行性。将得到的偏最小二乘回归模型运用至2016年7月27日和2016年8月28日Landsat 8影像得到BOD遥感反演图,遥感反演图中BOD空间分布特征与2016年8月1—4日和2016年9月1—8日样点BOD空间插值结果吻合较好。遥感反演图能更清楚地表征太湖BOD的分布情况,BOD浓度从太湖南部向北部逐渐增加,中南部区域BOD浓度低,西北部、边缘地区以及东南部区域BOD浓度较高。运用太湖其他时段Landsat 8影像与实测BOD浓度构建偏最小二乘回归模型,2016年4月和2017年3月建模效果均比较好,说明偏最小二乘回归方法具有较强的适用性。分析多时段反演结果,2016年中期太湖有机污染状况较初期严重,说明水体有机物质受季节和温度等因素的影响。综上,偏最小二乘回归模型能够较准确估算水体BOD浓度及其空间分布,可为太湖有机污染的评价和治理提供依据。     

土壤铜污染光谱特征波段分析、界限浓度划分及含量预测

土壤重金属污染高光谱预测的大部分研究集中在重金属浓度的预测上,但是预测模型精度不高,或精度较高而均方根误差较大。利用土壤Cu污染在538~834 nm波段区间的光谱数据检测土壤Cu污染的界限浓度及光谱特征波段区间,并根据界限浓度建立土壤Cu浓度的预测模型。先对土壤Cu污染光谱数据进行一阶导数处理,利用一阶导数距离检测土壤Cu污染的界限浓度及光谱特征波段;再利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和多重分形理论预测土壤Cu污染浓度,旨在为土壤重金属污染的高光谱研究提供依据,精确土壤重金属污染光谱的研究范围,为利用界限浓度建立土壤重金属浓度预测模型提供新思路。结果表明,538~834 nm波段区间土壤Cu污染的界限浓度为120~160μg?g~(-1),根据一阶导数距离最大值和多重分形谱参量将土壤Cu污染划分为60~120μg?g~(-1)和160~740μg?g~(-1)两个浓度区间,其预测土壤Cu污染的特征波段分别为730~760 nm和540~590 nm;根据划分的界限浓度,利用土壤Cu污染光谱多重分形谱参量、538~834 nm波段区间反射率最大值、一阶导数最大值、及实测土壤含水率、实测土壤有机质含量等参数,分别建立20~120μg?g~(-1)和160~740μg?g~(-1)两个浓度区间土壤Cu含量MLR预测模型,R2在0.99以上,RMSE最大为47.3。因此,多重分形谱参量Δα值和一阶导数距离最大值可作为土壤Cu污染界限浓度划分和光谱特征波段提取的依据,其界限浓度为120~160μg?g~(-1),光谱特征波段区间为730~760 nm和540~590 nm;该文构建的MLR模型可有效预测土壤Cu浓度。     

基于实测高光谱数据的太湖悬浮物浓度与透明度分区

通过实地测量太湖水体的反射光谱和表层水质,利用实测数据以及水-气界面辐射传输模型计算其遥感反射率,并根据太湖的实际水质状况将其划分为3个区域,分别分析太湖总体和分区的反射光谱曲线,建立太湖不同区域水体悬浮物浓度和透明度的反演模型。结果表明,就悬浮物浓度和透明度而言,太湖3个区域中以东太湖水质最佳,贡湖、梅梁湖和竺山湖次之,南部和西部最差;对太湖进行分区研究能够更好地反应太湖水质的差异性,拟合各区域的水质状况,分区模型精度较全湖区模型高,误差也普遍较小,能够提高研究结果的可信度和可行性。     

Optimizing model for land use/land cover retrieval from remote sensing imagery based on variable precision rough sets

The suitable spectral mode in remote sensing is often desirable to facilitate the inversion of ecological environment and landscape. This paper put forward an optimizing model based on variable precision rough sets (VPRS) for the land cover discrimination in wetland inventory. In the case study of Lake Baiyangdian which has important ecological functions to the northern China, this model is established successfully according to the domain-experts knowledge. The procedure is as follows. First step is data collection, including remote-sensing data (e.g., Landsat-5 TM bands), the digitized relief maps, and statistical yearbooks. Second, the remote sensing imagery (RSI) and relief maps are co-registered into the same resolution. Third, a condition set, including various attributes is derived from spectral bands, band math or ratio indices based on previous studies, at the same time, the decision set is derived from true land types after investigation and validation. Then, the remote sensing decision table (RSDT) is constructed by linking condition set with decision set according to the sequential pixels in RSI. Fourth, we create one forward greedy searching algorithm based on VPRS to handle this RSDT. After adjusting parameters such as β and knowledge granularity diameter (KGD), we obtain the stable optimized results. Comparative experiments and evaluation show that the discrimination or retrieval accuracy of VPRS model is satisfying (overall accuracy: 87.32% and KHAT: 0.84) and better than original data. Moreover, data dimension has been decreased dramatically (from 12 to 3) and key attributes found by the model may be useful for specific retrieval in wetland inventories.     

辽东湾双台子河口湿地翅碱蓬（Suaeda salsa）生物量遥感反演研究

通过现场采集辽东湾双台子河口翅碱蓬（Suaeda salsa）光谱数据,收集标准样方（1 m×1 m）的翅碱蓬生物量（Biomass）,建立相关植被指数与翅碱蓬生物量的遥感反演回归算法,发现辽宁双台子河口湿地翅碱蓬生物量与植被指数PVI、SAVI和MSAVI的相关系数R2较高,直线回归方程相关系数分别达到0.626、0.698和0.679。同时,利用得到的估算模型,结合1990—2005年的双台子河口的TM影像数据,反演该区域翅碱蓬分布面积和生物量。结果发现：辽东湾双台子河口湿地翅碱蓬面积变化呈先降后升的趋势。通过植被指数（NDVI、RVI、PVI和MSAVI）和生物量的算法反演,发现翅碱蓬生物量曲线与分布面积曲线的变化趋势一致。     

Comparison between remote-sensed data and in situ measurements in coastal waters: The taranto sea case

Monitoring and managing small coastal ecosystems requires a considerable understanding of the temporal dynamics of biophysical factors describing the coastal water systems. For this reason, daily observation from space could be a very efficient tool. The objective of the work described in this paper is to evaluate the contribution of remote sensing to the continuous monitoring of coastal areas. It is well known that in coastal areas, the presence of inorganic suspended sediments and coloured dissolved organic matter can make chlorophyll-concentration measurements from remote sensing difficult. To overcome these difficulties, an alternative approach to the SeaWiFS standard chlorophyll algorithm is presented, based on a semi-analytic model for sea water and on the use of MODIS data as input in a model for atmospheric effects removal. Moreover, land contamination (mixed sea–land pixels) can introduce ambiguities in sea-surface temperature measurements from remote sensing. This paper proposes the use of a hydrodynamic model as a time–space interpolator of in situ campaign data, to extensively validate the temperature values extracted from AVHRR sensor. We validated the proposed approach, using experimental field data collected over a two-year campaign in the Taranto Gulf. The results seem to indicate a good agreement between remote-sensed and in situ data.     

Water quality monitoring in a slightly-polluted inland water body through remote sensing — Case study of the Guanting Reservoir in Beijing, China

This study focused on the water quality of the Guanting Reservoir, a possible auxiliary drinking water source for Beijing. Through a remote sensing (RS) approach and using Landsat 5 Thematic Mapper (TM) data, water quality retrieval models were established and analyzed for eight common water quality variables, including algae content, turbidity, and concentrations of chemical oxygen demand, total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, total phosphorus, and dissolved phosphorus. The results show that there exists a statistically significant correlation between each water quality variable and remote sensing data in a slightly-polluted inland water body with fairly weak spectral radiation. With an appropriate method of sampling pixel digital numbers and multiple regression algorithms, retrieval of the algae content, turbidity, and nitrate nitrogen concentration was achieved within 10% mean relative error, concentrations of total nitrogen and dissolved phosphorus within 20%, and concentrations of ammonia nitrogen and total phosphorus within 30%. On the other hand, no effective retrieval method for chemical oxygen demand was found. These accuracies were acceptable for the practical application of routine monitoring and early warning on water quality safety with the support of precise traditional monitoring. The results show that performing the most traditional routine monitoring of water quality by RS in relatively clean inland water bodies is possible and effective.     

The phenology of phytoplankton blooms: Ecosystem indicators from remote sensing

Remote sensing offers many advantages in the development of ecosystem indicators for the pelagic zone of the ocean. Particularly suitable in this context are the indicators arising from time series that can be constructed from remotely sensed data. For example, using ocean-colour radiometry, the phenology of phytoplankton blooms can be assessed. Metrics defined in this way show promise as informative indicators for the entire pelagic ecosystem. A simple phytoplankton–substrate model, with forcing dependent on latitude and day number is used to explore the qualitative features of bloom phenology for comparison with the results observed in a suite of 10-year time series of chlorophyll concentration, as assessed by remote sensing, from the Northwest Atlantic Ocean. The model reveals features of the dynamics that might otherwise have been overlooked in evaluation of the observational data.     

基于MODIS数据的河南省冬小麦产量遥感估算模型

小麦是世界上最重要的粮食作物,小麦生产对中国的粮食保障起着十分重要的作用,及时、准确、大范围对小麦产量进行监测预报,对于农学经济发展和粮食政策制定具有极为重要的现实意义。对作物产量进行遥感监测的原理是建立在其遥感特征基础之上的,通过建立作物长势指标与遥感信息的定量关系,可实现对作物产量的监测预报。文章基于2009年MODIS遥感数据和气象数据,利用Arcgis和ENVI提取纯小麦像元,并提取纯小麦像元对应的NDVI、NPP和LAI,获取分县NDVI、NPP和LAI均值,利用统计软件对产量数据和分县遥感参数均值进行数据整理和分析,建立了河南省冬小麦产量估算模型。以往研究多采用遥感图像上某像元和地面调查点进行研究,具有很大的不确定性,文章以县为单位,对冬小麦平均单产和县域内冬小麦种植像元遥感参数的均值进行相关研究,提高了模型模拟精度。同时文章选用多种遥感参数和多项气象因子建立估产模型,避免了针对一个参数进行估产的局限性。在最佳时相的选择上,根据冯美辰（2010）以往的研究结果,从4月以后,5月8日和4月20Et植被指数和产量相关性最大,4月份之前冬小麦处于返青到拔节期,对产量来说还有很多不确定闪素,因此文章选用5月8El和4月20日进行冬小麦估产研究。结果表明,5月8日的估产模型优于4月20日,加入气象冈子的遥感气象估产模型优于只采用遥感参数进行估产的遥感模型。利用2010年产量数据对模型精度进行检验,遥感气象模型预测精度在70．2％N99．7％之间,平均精度为90．7％;遥感模型预测精度在68．1％到95．5％之间,平均精度为83．9％。表明遥感气象模型模拟精度更高,其精度可以满足大面积估产要求,可以对产量预报提供科学参考。     

基于决策树的辽宁省北部沙漠化信息提取研究

以沙漠化问题较突出的辽宁省北部地区为例,选取2007年Landsat 5 TM遥感影像作为基本数据源,通过对影像中耕地、林地、草地、水域等常见地物及典型沙漠化土地进行光谱特征分析和波段间的相互运算,将修改型土壤调整植被指数（MSAVI）、归一化差异水体指数（NDWI）和遥感图像缨帽变换后的土壤亮度指数（SBI）、绿度植被指数（GVI）及湿度指数（WVI）等特征变量融入决策树分类模型后进行分层分离,从而实现对沙漠化信息的高精度提取。结果显示,决策树分类法可排除提取地物时的干扰信息,是保证沙漠化土地信息快速自动提取的方法之一。     

Studies on reflective features of Norway spruce and their possible applications in remote sensing of forest damage∗

Reflective features of Norway spruce have been studied as a part of a multi‐level experiment in order to assess and to develop methods for early forecasting of forest damages by remote sensing. Discoloration and histological changes were investigated by high resolution reflectance spectroscopy and true‐color image interpretation of histological cuts, respectively. Major changes of reflectances were detected in the visible spectral range 480–680 nm depending on degree of tree's damages and/or needle discoloration. Related histological changes depending on degree of tree's damage were hypertrophy of chloroplasts, plasmolysis and partial loss of compartmentalization. Development and use of several highly sensitive channels with narrow bandwidths between 480 and 680 nm, e.g. 480, 550, 680, 760 nm, for early assessment of forest damages by remote sensing could be recommended.     

汾河太原段有色可溶性有机物吸收特性及来源分析

加强城市河流水体有色可溶性有机物吸收特性及来源方面的研究,对认识和理解人类活动影响下河流有机污染物的行为特征具有重要意义。以汾河太原段为研究对象,探讨了CDOM吸收系数与总悬浮物(TSM)、有机悬浮物(OSM)、无机悬浮物(ISM)、叶绿素(Chla)、总氮(TN)和总磷(TP)等水质指标之间的关系,同时对CDOM的特征指标M值和指数函数曲线斜率S值进行研究。结果表明,(1)不同采样点CDOM吸收系数差异明显,a(440)的变化范围为0.40-1.20m^-1,且越到短波处差异越显著。(2)CDOM吸收与水体营养盐状况相关,CDOM吸收系数与水体TP和TN存在显著正相关;CDOM吸收与水体颗粒物浓度相关,CDOM吸收系数与TSM、ISM和OSM呈显著正相关;但CDOM吸收与Chla不存在显著相关性。(3)汾河太原段夏季水体CDOM主要来源于陆源性有机污染物质的输入,浮游植物新陈代谢及腐烂降解对CDOM的贡献很小。(4)a(440)与M值呈显著负相关,M值与S值呈显著正相关,表明汾河太原段水体腐殖酸的相对含量高于富里酸,相对分子质量较大。(5)增加背景项的指数函数拟合模型精度优于常规指数函数模型,且拟合得到的S值较大,这对分析CDOM的组成和来源具有重要影响。该文对城市河流水体CDOM固有光学特性、组成和来源方面的研究可以提供重要参考,同时也可为城市水体CDOM的遥感估算提供理论依据和数据支撑。