基于Hydrolight模型的太湖SDGSAT-1卫星悬浮物浓度反演研究

利用卫星遥感反演水体中的悬浮物浓度对水质监测和保护具有重要意义,在悬浮物浓度反演过程中,如何避免或最大程度降低水体中叶绿素a、有色可溶性有机物(Colored Dissolved Organic Matter,CDOM)的干扰是当前的技术难点。文章针对可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-1)MII传感器,利用Hydrolight辐射传输模型,从理论上挖掘只与悬浮物强相关的反演因子,以此构建适用于MII影像的太湖悬浮物浓度反演模型,通过水体的实测数据和遥感数据对模型应用效果进行验证。结果表明:反演因子R′(B_5/B_3)与悬浮物浓度为强相关,同时与叶绿素a、CDOM浓度弱相关;利用R′(B_5/B_3)作为反演因子构建的幂函数模型为最优反演模型;将幂函数模型分别应用于实测数据和2022年5月4日的太湖SDGSAT-1 MII数据,两次验证试验显示反演结果和现场测量结果具有较强一致性,模型适用性较好。该研究可为SDGSAT-1卫星在湖泊水体悬浮物浓度监测、水资源评估与保护等提供一些技术参考。

海洋悬浮物浓度的长期演变特征及机制

受气候变化和人类活动的影响,21世纪以来全球海洋的悬浮物浓度发生了显著变化。悬浮物浓度的剧烈变化不可避免地对海洋生态环境、地貌演化和生物地球化学循环产生重大影响。随着气候变化对人类活动的环境影响研究的深入,以及卫星遥感数据的不断积累,悬浮物浓度的长期变化趋势及其机制已成为地球科学研究的热点。本文概括性地总结了海洋悬浮物浓度长期变化的国内外研究进展,指出了中国近海相关研究的不足之处,并对未来发展方向作出了展望。

沿海港口疏浚工程悬浮物浓度遥感反演研究

为对沿海港口疏浚工程产生的悬浮物浓度进行有效的高时空分辨率动态监测,利用静止轨道卫星GOCIⅡ高时空分辨率的优势,根据实测水质样本悬浮物浓度数据和卫星遥感影像预处理后的遥感反射率,采用参数相关分析方法选取反演波段,建立基于单波段和波段比值的指数、线性、对数、多项式等反演模型,比选出最优模型并进行验证。应用该模型对某港区某日航道维护性疏浚作业水域以及倾倒水域的悬浮物浓度变化情况进行监测,结果表明其高时空分辨率的优势能更好地适应范围小、水质变化迅速的疏浚作业区和倾倒区特点,可追踪监测工程区域及周围海域悬浮物浓度的连续变化,为绿色疏浚提供参考。

基于GF-1 WFV的漫湾养殖区悬浮物浓度估算研究

网箱养殖对区域水环境影响较大,研究网箱养殖区水质参数变化规律对于认知区域性水产养殖对水环境的影响具有较大的现实意义。采用GF-1WFV数据,针对漫湾库区近年成倍增长的网箱养殖区,构建了网箱养殖区总悬浮物浓度反演模型。结果表明:模型具有较高的精度,反演值与实测值的平均相对误差为9.65%,均方根误差为0.33 mg/L。依据构建的反演模型与卫星影像反演了漫湾网箱养殖区的总悬浮物浓度,分析了库区和不同网箱体位置的总悬浮物浓度变化规律。研究发现,漫湾库区和不同网箱体位置的悬浮物浓度变化规律基本一致,网箱体总悬浮物浓度未因养殖局部“圈定”现象而出现异常,但比库区河流整体悬浮物浓度要小,主要因其总悬浮物浓度变化主要受降水、地表径流、水流流速等影响,网箱养殖会降低其对局部“圈定”区的总悬浮物浓度的影响。研究对漫湾库区和网箱养殖区总悬浮物浓度变化规律认识具有一定参考意义,后续将发展多源遥感数据的水质参数遥感估算模型,用于漫湾网箱养殖区水环境变化规律的认知。

基于哨兵-2MSI数据的高邮湖水体叶绿素a浓度和总悬浮物浓度遥感反演

哨兵-2号卫星多光谱成像仪(MSI)数据的空间分辨率高,重访周期短,适用于高邮湖这类中小型湖泊的水质反演。利用实测水体光谱数据模拟出哨兵-2 MSI数据,并建立了适用于该数据在高邮湖反演叶绿素a(Chl.a)浓度和总悬浮物(TSM)浓度的模型。经过验证,Chl.a的反演均方根误差(RMSE)为8.02μg/L,平均相对误差(MRE)为18.4%,TSM的反演RMSE为16.2 mg/L,MRE为23.3%,表明该模型具备理想的反演精度。利用哨兵-2 MSI数据和建立的反演模型,可以获得高邮湖Chl.a和TSM时空分布情况。初步分析发现,高邮湖这2项水质参数的分布与湖内的围网养殖和入湖径流之间存在一定关系。

污水悬浮物浓度在线测量技术研究

污水处理中需要对悬浮物浓度指标进行监测,保证污水处理的质量要求。悬浮物浓度在线连续测量的方法是应用光学散射透射-超声波原理,以三束光透射流体,通过测量流体浊度,进而得到悬浮物浓度。首先对该方法进行了理论分析,在此基础上进一步研制出测量装置,并进行了实验室验证以及实地一体化污水处理实际运行系统验证,测量值的均方根偏差均在6.5%以下,平均绝对偏差在7 mg·L^(-1)以下,悬浮物浓度的测量范围为0-1 000 mg·L^(-1),且测量周期小于30 s,结果表明该装置在污水处理中适应度良好。

基于Sentinel-2卫星数据的城市湖泊湿地叶绿素A及总悬浮物浓度定量监测分析——以长沙市松雅湖为例

将湖南省长沙市松雅湖生态湿地湖泊作为研究区,以2016年12月9日和2020年11月8日两期Sentinel-2卫星MSI影像为基础数据源,基于二类水体区域性近岸海域水色算法(C2RCC),对监测区的叶绿素A浓度及总悬浮物浓度进行反演。监测结果表明,秋冬季节,松雅湖水生态修复区的叶绿素A浓度和总悬浮物浓度平均值与非修复区相比,呈现整体偏低的趋势。随着时间推移,松雅湖三个区域的整体叶绿素A浓度和悬浮物浓度均有明显降低。研究结果表明,此方法可为快速高效开展生态湿地湖泊水体的生态状况评价提供基础数据支撑。

悬浮物浓度对水下光照和初级生产力的影响

采用太湖湖泊生态系统研究站生态实验室的模拟生态槽进行水动力模拟实验研究(1999年5月8日～6月24日),探讨了水动力的扰动引起悬浮物的增加、改变水下光强的分布,并由此造成了初级生产力的变化。结果表明,无论是静止还是小水流、大水流状态,水下光强随深度都是按指数规律衰减;在静止状态下,槽水清澈见底,光衰减系数为1m-1左右,到小水流和大水流时,由于动力的扰动、悬浮物浓度的增加,光学衰减系数增加到2m-1和4m-1左右,真光层深度也由最初的4m降到2m、1m;对光学衰减系数、真光层深度与悬浮物浓度进行线性和幂函数回归,发现他们之间的相关性很好,反映了风浪扰动引起水中悬浮物增加是改变水下光照分布的主要原因;在静止状态下,由于槽水清澈,强光作用下表面存在光抑制现象,最大初级生产力出现在0 4～0 6m,其他情形光抑制很弱或基本上不存在,最大初级生产力出现在0～0 2m。

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．

三峡工程一期蓄水后长江口及其邻近海域悬浮物浓度分布特征

长江三峡工程一期蓄水自2003-06-01开始，到2003—06—10结束．为了研究长江三峡工程蓄水对长江口环境的影响，在2003-06-15～2003—06—25进行了长江口及其邻近海域环境综合调查．根据此次调查所取得的实测数据资料，计算了各站各层位的悬浮物浓度，结合相应水体的盐度值和温度值，分析了长江口及其邻近海域悬浮物浓度的分布特征以及蓄水前后悬浮物浓度与分布格局的变化．结果表明，长江口及其邻近海域悬浮物浓度自海水表面向海底逐渐增高，悬浮物主要分布在123°E以西的口门地区和近岸的狭长海区．三峡工程一期蓄水后与蓄水前长江口多年平均含沙量相比，长江航道和南支地区悬浮物浓度明显下降，长江航道徐六泾附近地区悬浮物浓度从蓄水前的400—500mg／L下降到蓄水后的60．2mg／L，南支地区悬浮物浓度从蓄水前的445mg／L下降到蓄水后的148mg／L；长江口邻近海域悬浮物浓度变化不明显，蓄水前后均为表层悬浮物浓度小于10mg／L，底层悬浮物浓度小于100mg／L．蓄水前后整个研究区悬浮物浓度分布的总体格局相似．

应用MODIS影像估测太湖水体悬浮物浓度

以太湖为研究区域,同步获取悬浮物浓度实测数据、水体反射光谱数据和MODIS卫星影像数据,构建基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的悬浮物遥感估测模型。为了削弱大气效应,对MODIS影像了进行了粗略大气纠正。通过悬浮物特征光谱分析,将MODIS各敏感波段及波段组合与悬浮物浓度实测值进行相关分析,并应用实测光谱数据进行验证。在此基础上,运用回归分析建立半经验反演模型,并对模型进行了评价和应用。研究结果表明,MODIS影像可以很好地对大型内陆湖泊的悬浮物浓度进行遥感估测。250 m波段2 500 m波段4与1 000 m波段14是探测悬浮物的敏感波段。波段组合上,500 m组合因子r4/r3、r4-r3估测悬浮物含量的精度很高,适于构建反演模型;1 000 m波段8、11、131、4的多元组合也是构建模型的较好选择(R2均不低于0.85)。

基于实测光谱的杭州湾悬浮物浓度遥感反演模式

悬浮物是我国近海水质遥感监测的主要参数之一.利用ASD地物光谱仪测量杭州湾水体的反射光谱,同步采集表层水样获取悬浮物浓度,模拟水色卫星MODIS和MERIS的波段设置提取遥感反射率,基于人工神经网络分别建立2种悬浮物浓度的遥感反演模式.实测结果表明,杭州湾水体中悬浮物浓度较高,泥沙含量远远大于叶绿素浓度,平均值分别为705 mg/L和1.164 mg/m^3;2个监测站位的悬浮物浓度表现出时空上的差异,尤其是随潮汐变化的短周期变异十分显著;实测水体反射率光谱曲线在650~700 nm之间与800 nm附近分别出现峰值,光谱曲线一阶微分结果显示第一反射峰的位置随着悬浮物浓度增大向长波方向移动.基于神经网络建立的模拟算法充分利用了卫星不同通道的光谱信息,可以同时模拟水体中色素与非色素悬浮物的浓度,模型取得了较好的拟合效果,R2均大于0.95,可以应用于实际卫星遥感反演,尤其是MERIS数据,因其具有相对较高的空间分辨率,在近海水环境遥感监测中的应用前景更为广阔.

基于分析模型的太湖悬浮物浓度遥感监测

悬浮物浓度是水质评价的一项重要指标,利用遥感技术准确获取区域面状水域悬浮物浓度信息,是遥感监测水质参数的一项重要任务。利用地面实测的14个样点的光谱数据,将2004年7月26日太湖TM数据的DN值,校正为遥感反射率,并利用Gordon模型和太湖水体固有光学特性,建立水体反射率模拟的分析模型,模拟水体R(0-),进而利用TM数据反演水体悬浮物浓度,并绘制太湖悬浮物浓度分布图。将悬浮物浓度反演的结果与14个样点的实测结果相比较,其中,有79%的样点的估计精度高于70%,有64%的样点的估计精度高于80%。

基于BP神经网络模型的太湖悬浮物浓度遥感定量提取研究

构建了含有一个隐含层的两层BP神经网络反演模型,以TM数据的前4个波段的反射率作为输入,以悬浮物浓度值作为输出,成功反演了太湖水体的悬浮物浓度。

基于主成分降维的总悬浮物浓度遥感估算模型适用性分析

总悬浮物浓度（CTSM）是水质评价的重要参数.为了提高内陆Ⅱ类水体总悬浮物浓度估算的精度,利用主成分分析方法对2009年4月太湖水体实测高光谱数据进行降维处理,进而以不同数量的主成分作为变量,分别构建总悬浮颗粒物浓度的多元线性回归估算模型并比较这些模型的效果,从而确定最优的主分量个数;结合近年运行的高光谱传感器,对模型的适用性进行评价.结果表明：①前三个主成分（PC1、PC2、PC3）从不同侧面涵盖了悬浮物浓度信息,它们与ln（CTSM）的相关系数分别为0.728、0.401和0.403;②当主成分个数为6时,模型达到最优;模型的精度高于4个传统经验模型;③在400～ 850 nm之间,波段数大于45的高光谱传感器数据都能利用主成分分析的方法构建精度较高的总悬浮物浓度估算模型;此外,MERIS、J1-HSI、Hyperion和CHRIS这些常用的高光谱传感器的波段设置,都适合于主成分建模.

基于GF-1 WFV影像的浑河悬浮物浓度和浊度遥感反演研究

综合利用高分一号(GF-1)卫星WFV影像和地面同步水质实测数据,以沈阳浑河为实验区,分别建立悬浮物浓度和浊度反演经验模型。经验证分析GF-1WFV数据可有效反映浑河悬浮物浓度和浊度,且反演精度较好,结果均符合常规水质监测规律。同时基于浊度数据模拟的悬浮物浓度也具有较高的精度,拟合度达到0.68,可为今后简化浑河悬浮物浓度反演流程提供经验。将反演模型应用于GF-1卫星WFV数据,得到2016年9月浑河悬浮物浓度和浊度分布图,反映了浑河流域悬浮物浓度和浊度的空间变化规律。对GF-1卫星WFV数据和Thermo便携式浊度计综合运用进行中小尺度河流水质遥感监测有一定的参考价值。

松花江哈尔滨段总悬浮物浓度高光谱估测模型研究

水体总悬浮物浓度影响水体的光场分布,进而影响初级生产力。2012年7月14—15日,在松花江哈尔滨段选取11个断面共33个样点,利用野外高光谱仪(ASD Field Spec Pro)进行反射光谱测量和同步水样采集分析,通过研究总悬浮物质量浓度与其高光谱反射率之间的相关关系,采用单波段反射率、反射率比值法和一阶微分法分别建立了总悬浮物浓度的高光谱估测模型。结果表明,3种方法的决定系数都在0.90左右,均可以用于总悬浮物的定量遥感监测,其中一阶微分模型为反演的最佳模型。

水体悬浮物浓度对大型沉水植物黑藻反射光谱的影响

沉水植物的恢复是改善富营养化水体和重建水生生态系统的有效措施．应用遥感技术可以实时、大面积监测沉水植物的分布和生长情况，而水体中的悬浮物等物质影响沉水植物的光谱特征，直接影响对湖泊、河流遥感影像中沉水植物的准确解译．本研究利用地物光谱仪在室外实测了不同水体悬浮物浓度条件下沉水植物黑藻群落的光谱反射率．结果表明，在400～900nm波段，水体中悬浮物浓度越高，沉水植物的光谱反射率越大．水体悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率在400～900nm均为显著相关（P〈0．05），在450～900nm为极显著相关（P〈0．01）．在蓝、绿、红和近红外4个波段，将水体悬浮物浓度与其光谱反射率进行回归分析，均得到了较好的线性关系．利用本研究结果对富含悬浮物水体中沉水植物的反射光谱进行修正，可为准确、快速和大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态提供科学依据．

实际气象场驱动下太湖悬浮物浓度的模拟研究

本文利用高频变化的实际气象数据,在考虑波浪作用的前提下利用FVCOM Finite-volume Coastal Ocean Model模式模拟了太湖底泥再悬浮的情况。模拟结果表明,FVCOM模式在考虑波浪作用下对太湖悬浮物浓度的模拟结果与卫星反演结果吻合较好。在模拟时刻,湖心区和西南湖区是悬浮物浓度的大值区,其原因在于:湖心区虽然底泥较少,但其流场的分布总是有利于周围悬浮物向湖心区输送;而西南湖区本身有底泥的分布,在上升运动和流场的配合下,一方面有悬浮物向该区域输送,另一方面该区域有沉积物悬浮。模拟时刻切应力和悬浮物浓度的空间配置是不一致的,说明了底部切应力并不是影响悬浮物浓度的唯一因子,还与湖流的输移和底泥的分布有关。

闽江流域福州段悬浮物浓度的遥感分析

利用1996年和2003年两个时相的卫星遥感影像,对闽江流域福州段的悬浮物浓度进行了反演和评估。利用斜率法反演了水体的悬浮物浓度,并通过制作密度分割图和差值影像图来直观地反映1996年到2003年水体悬浮物浓度在时间和空间上的分布变化。研究结果显示,2003年闽江流域福州段的悬浮物浓度几乎在整个河段比1996年有较大幅度的上升。对比上游水质,可以判断悬浮物浓度上升的主要原因是由于上游泥沙携带量增多而引起的。随着近年来福州城市化的快速发展,城市工业废水和生活污水的排放量增加也是部分原因之一。