水体光谱测量与分析Ⅰ:水面以上测量法

水色遥感的基础之一是水体光谱特征测量与分析。水体光谱特性包括两个方面 :表观光学特性(AOPs)和固有光学特征 (IOPs)。该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类 :剖面测量法和水表面以上测量法。两种方法相对独立 ,适用范围上具有互补性。该文主要针对水面以上测量法进行讨论。水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下 0 -深度的辐照度比R等。国际上有关水色的测量规范中 ,仅有针对大洋一类水体的。中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体 ,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。同时 ,对数据分析处理中的一些关键参数的确定 。

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（英文）

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3min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。

水面之上法测量水体光谱的关键技术

对水体光谱特征的研究是海洋水色遥感的基础工作之一。水体的光谱特征包括:表观光学特性和固有光学特性。在水体的表观光学特性研究方面,目前国际水色界推行的有:剖面法和水面之上法(也称表面法)。由于我国近岸水体混浊度较高,浅水区域较多,研究这类水体的表观光学特性应以水面之上法为主、剖面法为辅。介绍了水面之上法水体光谱的测量技术,就其中关键技术问题进行了讨论。

东海试验区水体光谱特性现场测量与数据分析

星载水色遥感器 Ｓｅａ Ｗｉ Ｆ Ｓ 已业务化地为海洋学家提供高质量的海洋水色遥感数据。要有效地利用水色遥感数据，需要经常地对遥感器进行定标，并对测得的离水辐射率以及导出的生物—光学特性进行真实性检验。１９９８ 年５ 月， 我们在东海试验区，应用多光谱剖面／ 表面辐射仪（ Ｓ Ｐ Ｍ Ｒ／ Ｓ Ｍ Ｓ Ｒ） ，进行了光谱测量。本文介绍了现场测量的方法。

基于天空光遮挡法的漂浮式水体光谱测量系统研制

精确的现场水体光谱特性测量与分析是水色遥感领域亟待解决的重要基础问题。传统的剖面法、水面之上法等水体光谱现场测量方法无法直接测得离水辐亮度(Lw),后处理过程比较复杂,不确定性较大。天空光遮挡法(SBA)实现了对水体离水辐亮度的直接测量后处理流程相对简单,能较好地避免传统现场光谱测量方法的许多不确定因素。但目前为止,国际上还没有成熟的基于SBA方法的水体光谱测量系统,因此基于SBA方法开展新型水体光谱测量系统研制与测试具有重要的理论与现实意义。作者在系统分析SBA水体光谱现场获取原理的基础上,介绍了首套基于SBA方法的漂浮式水体光谱测量系统的研发情况,详细阐述了其硬件结构设计及系统单元设置情况。通过2017年9月20日珠江口(113°32′38″E, 22°25′43″N)的系统现场测试分析验证了该系统分钟级高频次连续水体光谱采集能力。该系统实现了连续直接观测得到离水辐亮度和入射辐照度进而计算得到遥感反射率(Rrs)的功能,其变异系数均小于5%,将系统观测结果与Maya2000 Pro同步观测获得的遥感反射率对比,表现出良好的一致性,证明了该系统采用SBA方法进行水体遥感反射率测量的有效性。连续观测实验证明了该系统水体遥感反射率测量的稳定性以及快速跟踪水体光学特征变化的能力。论文指出了基于SBA漂浮式水体光谱测量系统发展起来的漂浮式光学浮标(FOBY)在自阴影评估与校正、数据质量控制、数据高频获取、浮标姿态记录、多要素联合观测、长时序大范围组网等方面存在的问题及未来发展前景。综上所述,基于SBA方法研发的漂浮式水体光谱测量系统能实现水体光谱的高频观测,以及水体光学特性的快速变化动态跟踪,有助于提高现场测量与卫星遥感数据的匹配效率;基于该系统,在建立传感器观测网的基础上可以获取水体光谱大数据集,有利于大幅提高各种卫星数据水色遥感应用潜力。

水体光谱分析法在解译中的应用

传统测量水中悬浮物质如泥沙、叶绿素等的方法是通过大面积、大范围的逐点采样,存在着速度慢、周期长、成本较高等不足,不利于进行区域的科学研究。而利用水体光谱分析能够克服以上诸多缺点。本文分析了含沙水体、含叶绿素水体及污染水体等水体的光谱特征,阐述了利用水体光谱的分析来测定水中泥沙、叶绿素含量的方法和原理,从而说明水体光谱分析法在遥感解译方面的应用及其重要意义,并讨论了光谱分析法在这些具体应用中存在的某些缺点和不足,提出了可行的解决方法。

城市河网尺度的水体光谱指数适宜性分析研究

城市地表水是城市生态环境的重要组成部分,地表水环境高光谱遥感是高光谱遥感的重要应用方向,水体提取是地表水环境高光谱遥感的第一步,其主要任务是从高光谱遥感数据中提取地表水水体轮廓。基于光谱指数的水体提取方法充分利用光谱信息,计算简单,实现容易,提取效果优异。归一化植被指数(NDVI)、归一化水体指数(NDWI)、高光谱差异化水体指数(HDWI)和基于指数的水体指数(IWI)等光谱指数已经广泛应用于湖泊、大江大河等开阔水体提取。近些年来,随着成像光谱技术的发展,高光谱遥感数据的获取能力也突飞猛进,空间分辨率和光谱分辨率不断提高。与江河湖基本在流域内沿地形分布不同,城市地表水一般细小,纵横交错,形成河网。在高光谱遥感数据用于城市体表水提取时,其面临的图像空间分辨率、地物类型和地物复杂等,与江河湖水体提取有很大不同。因此,需要对这些常用的光谱指数在城市地表水提取中的适宜性进行评价。以此做为出发点和目标,以河网密布的江南水乡中国浙江省嘉兴市为研究对象,以应用型航空成像光谱仪(Airborne imaging spectrometer for applications,AISA)获取的高空间分辨率机载高光谱遥感数据为数据源,通过Youden指数确定最佳阈值,将总体分类精度、错分误差、漏分误差、Kappa系数作为衡量指标,分析评价了NDVI,NDWI,HDWI和IWI 4种光谱指数在城市河网提取中的适宜性。结果表明,阴影与水体光谱变化趋势类似,是造成水体提取过程中高错分误差的主要因素。四种指数都可以准确抑制落在植被中的阴影,但无法有效抑制落在建筑物中的阴影。HDWI虽然可以在一定程度上抑制建筑物中的阴影,但是无法有效地抑制亮建筑物背景。通过对不同类型水体和阴影(笼罩下地物)光谱的进一步分析,虽然水体和阴影光谱曲线变化趋势相似,均在560~600nm附近存在波峰,但是水体和阴影波峰高度存在差异,水体波峰值较大而阴影波峰值较低。因此,通过充分挖掘水体和阴影在560~600nm处光谱反射信息,有望进一步抑制建筑物阴影,提高城市河网水体提取精度。

渤海湾春季水体光谱特征分析

基于2011年5月渤海湾典型站点的CTD观测数据和实测光谱数据分析了渤海湾的水体光谱特性。通过对比实测站位水体光谱和温度、盐度、密度、光合有效辐射和叶绿素浓度在水体中的分布状况,分析了海洋环境要素对水体光谱特性的影响。结果表明在510~620 nm光谱范围内,水体光谱辐射峰的高度由叶绿素浓度和光合有效辐射共同作用决定;在380~440 nm和705~800 nm波长范围水体光谱辐射峰的高度不仅受叶绿素浓度和光合有效辐射影响,还受其他环境要素影响。

水体中泥沙对藻类光谱特征位置的影响分析

自然水体叶绿素a浓度的遥感反演中,泥沙的存在影响着反演精度。如何消除这种影响是提高叶绿素a遥感反演精度的关键,而了解泥沙对藻类光谱特征的影响是消除影响的前提。文章在人工控制条件下获取了不同泥沙浓度下藻类光谱曲线,通过分析光谱曲线特征位置的漂移和数值变化,总结泥沙对藻类光谱的影响并提出了消除影响的可能性。

天空光遮挡法水体光谱测量便携版漂浮式光学浮标研发与应用

离水辐亮度L_(w)(Water-leaving radiance)是水色遥感现场观测中的关键物理量之一,由其计算获得的遥感反射率R_(rs)(Remote sensing reflectance)是水色遥感参数反演的最基本参数。天空光遮挡法SBA(Skylightblocked approach)可以直接测量水体离水辐亮度,作为一种新兴方法具有较强的推广应用潜力。本文介绍了基于天空光遮挡法的便携版漂浮式光学浮标FOBY-P(the Portable Floating Optical Buoy),其具有浮体自阴影小、布放简便等优势,在中国近海开展的现场观测实验结果表明:(1)FOBY-P结构设计上能在一定程度上避免太阳天顶角较大条件下浮体的自阴影遮挡影响,初步评估结果表明其400—700 nm自阴影影响在浑浊水体<5%,在清洁水体约为1%—3%;(2)在高海况下,传感器倾角随海况增大而变化剧烈,FOBY-P能保证在3—4级海况下观测倾角小于5°的有效观测占比超过50%;(3)通过与基于水面以上法的三通道TriOS RAMSES高光谱辐射计同步观测结果对比,二者一致性较高(r>0.9),在490—565 nm波长范围内R_(rs)的偏差<5%,差异可能由观测方法不同引起,水面之上法水—气界面校正的不确定性可能是引起部分偏差的重要因素之一。该研究表明便携版漂浮式光学浮标(FOBY-P)可满足近海较高等级海况(3—4级)下的复杂水体现场观测需求,随着针对FOBY-P的数据质量控制与处理方法的不断优化,有望获取更高质量的现场水体光谱观测结果。

光谱模型结合面向对象法的山区水体提取

山区因地势起伏大、水体分布零散导致遥感提取水体信息精度不高。另外,对于高分二号(GF-2)影像,受限于只有4个波段,无法构建已有水体提取精度较高的指数。鉴于此,以泰山为研究区,采用GF-2影像,提出差异水体光谱模型结合面向对象法的水体信息提取方法,并与阴影水体指数决策树、改进的阴影水体指数决策树以及支持向量机3种方法进行对比。结果表明,该方法能够有效去除山体阴影的影响,较好地保持了水体信息,对细微水体也有良好的提取能力,在实验和验证影像中总体精度分别达到98.02%和97.33%,Kappa值分别达到0.9533和0.9334,均高于其他3种方法。该方法在准确提取水体的同时,有效减少“椒盐现象”的发生,可为类似山区水体提取提供一定的参考。

用偏最小二乘法反演二类水体的水色要素

简要介绍了偏最小二乘法的原理、算法及优点。将该方法应用于黄海和南海二类水体光谱的水色要素反演,交叉检验结果表明反演精度高,预报相对误差不超过38％。该方法应用于加有5％随机噪声的人工合成光谱的水色要素反演,结果表明模型的稳健性强,预报相对误差不超过5％。研究结果表明,偏最小二乘法适合于处理变量多样本数又少的问题,适合于从二类水体光谱中提取水色要素信息。

基于GF-1与实测光谱数据鄱阳湖丰水期总悬浮物浓度反演

总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一。2015年8月,在鄱阳湖布设33个采样点,通过测量水面光谱和采集水样进行检测,获取水面遥感反射率、总悬浮物浓度和叶绿素a浓度等数据。结合实测水面遥感反射率数据与总悬浮物浓度的相关性分析,建立了单波段、一阶微分和波段比值3种反演模型,并分别进行了精度验证。研究发现,3种反演模型的拟合度(R2)均大于0. 9,其中单波段模型最优,其R2、均方根误差(root mean square error,RMSE)及平均相对误差(mean relative percentage error,MRPE)分别为0. 980 5,3. 78 mg/L和16. 99%。将该单波段模型应用于2015年8月3日的高分一号(GF-1)卫星影像数据,同样得到了较高的反演精度,R2,RMSE和MRPE分别为0. 847 7,12. 23 mg/L和35. 22%。结果表明,鄱阳湖丰水期总悬浮物浓度值总体偏低,平均值为23. 26 mg/L,高值主要集中在鄱阳湖北部通江河道及其以南的中部水域,其余水域分布较为均匀。利用2015年10月24日GF-1影像和准同步观测的21个采样点的总悬浮物浓度数据使用此模型做进一步验证,其反演精度接近于2015年8月影像验证结果,表明该模型能进一步推广应用到鄱阳湖不同时期总悬浮物浓度的反演。通过实测光谱的分析以及在遥感影像上的应用,可以为鄱阳湖总悬浮物浓度的反演以及环境监测提供参考。

珠江口海水透明度与光谱相关关系研究

通过对2009年5月珠江口门内外水体光谱采样数据的分析处理,得到该海域水体离水光谱反射率及其负对数值;分别计算水体离水光谱反射率及其负对数与水体透明度的相关系数,发现后者与海水透明度的相关系数比前者要高出约11%。为便于应用卫星遥感数据开展南海海域水体透明度的反演,选用和Hyperion卫星数据相关波段中心波长相对应、且相关系数较高波长处的水体离水光谱反射率及其负对数为变量,分别建立线性、多项式、乘幂及指数的海水透明度拟合回归方程。经比较分析,发现采用559 nm处水体离水光谱反射率负对数的乘幂回归方程(拟合度R2=0.922 2,检验样本平均相对误差为18%)可获得较好的拟合结果,这为南海近岸海水透明度的卫星遥感反演提供了基础研究支撑。

利用多通道MODIS遥感资料反演沙尘气溶胶尺度分布的个例试验

为了利用水面进行大气气溶胶粒子尺度分布的反演,需要水体光谱反射率资料;本文利用水库上空MODIS观测的表观反射率资料来订正出实际的水体光谱反射率。假设在干旱的春季水库水面反射率变化不大,用订正的水库水面光谱反射率平均值进行大气气溶胶尺度分布的反演。从两天个例研究来看,利用多通道MODIS资料可以反演出大气气溶胶粒子的尺度变化。结合天气分析2002年4月11日水库上空气溶胶光学厚度增加、粒子变粗,是由于上游区域的沙尘在高空强西北气流引导下到达本地区。

水环境COD遥感识别模式及其应用

利用2006年4月6-7日在甘肃省庆阳市境内环江、柔远河和马莲河实测的水体波谱数据,以及化学需氧量COD测定数据,采用Fisher判别分析方法,建立了基于地面实测光谱数据并适用于本研究区域的水环境COD遥感识别模式;将该模式应用于2005年10月16日和2006年4月10日过境的两景Landsat/TM图像;根据遥感模式反演结果图,对该区域水环境COD的时空变化进行了分析。水环境COD污染遥感模式的建立可为从遥感影像上快速、大面积获取COD信息提供了一种技术手段。

水环境石油类污染遥感识别模式及其应用

利用2006年4月6～7日在甘肃省庆阳市境内环江、柔远河和马莲河实测的石油类污染水体波谱数据，以及石油类污染测定数据，采用Fisher判别分析方法，建立了基于地面实测光谱数据并适用于本研究区域的水环境石油类污染遥感识别模式，并利用2006年10月15～17日重复观测的数据进行精度验证，结果表明精度可达89％；将该模式应用于2005年10月16日和2006年4月10日过境的两景Landsat／TM图像；根据遥感模式反演结果图，对该区域水环境石油类污染的时空变化进行了分析。水环境石油类污染遥感模式的建立为从遥感影像上快速、大面积获取石油类污染信息提供了一种技术手段。

船舶含气泡尾迹的光学特性研究

基于充分挖掘卫星遥感应用于海洋监测能力的需求,通过海上试验测量船舶含气泡尾迹海水的物理、光学特征,研究气泡群对不同水体光学特征的影响,例如离水辐亮度、遥感反射率.这些工作可为通过星载光学传感器遥感获取船舶尾迹信息提供理论依据.试验证明在可见光和近红外波段船舶含气泡尾迹相对于背景海水的离水辐亮度、遥感反射率都不同程度地得到了增强,并且在一类水体中含气泡尾迹的光谱后向散射无论是相对增幅还是绝对增幅都要远大于二类水体中的.

干旱区水环境叶绿素遥感估算模式

利用2006年10月14～18日在甘肃省庆阳市境内环江、柔远河和马莲河实测的水体波谱数据，模拟水色卫星传感器波段，根据目前广泛应用于各种水色卫星传感器的五种叶绿素浓度估算模式计算叶绿素含量；利用平均绝对误差（MAE）、均方差（RMSE）、一致性指数（IA）和线性相关系数（LCC）等模式性能检验指标，结合与光谱数据测定同步获取的叶绿素含量分析数据，对模式性能进行评价，试图从地面遥感的角度来深入分析这些模式的应用精度；模式的性能分析结果表明：（1）Clark（1997）具有最小MAE和RMSE，最大的IA和LCC，因而是比较适用研究区域叶绿素浓度的估算模式；（2）虽然Clark（1997）性能相对来说比较高，但是估算误差仍在37％以上。进一步利用本次实验中获取的26个样本数据，对Clark（1997）模式参数进行优化和改进，得到了修正后的模式，并利用预留的8个叶绿素实测样本进行验证，对优化后的模式进行的对比分析，结果表明精度提高了16％。

淮南塌陷塘重金属空间分布特征研究

长期地下煤炭开采在地表产生了大面积的塌陷塘,并造成了不同程度的水域污染。为研究塌陷塘重金属的分布特征及成因,选择了8种对环境影响较大的重金属元素(Fe,Mn,Zn,Cu,Cr,Cd,Pb,Ni)为研究对象,以淮南潘集一矿塌陷塘为研究区域,利用ArcGIS地统计模块中的协同克里格算法,通过水体实测光谱反射率作为协变量来估算水体中的重金属含量空间分布特征。结果表明:水体实测光谱与重金属含量有较好的关系,以水体光谱为协变量的协同克里格插值与单变量的普通克里格插值相比,8种重金属元素的预测值与实际值之间的均方根误差明显减少,证明水体实测光谱适合作为协变量来估计水体重金属的空间分布情况。综合分析发现,水体中的Cd,Pb,Cu,Ni主要来自水域西北部的煤矸石堆山,且Cd,Cu,Pb含量均超过了当地的背景值,对环境影响较大;Cr主要来自农业肥料、成土母质和周边道路旁的煤泥灰厂及煤矸石堆;Zn的来源主要是煤矸石、上游生活污水、农业肥料、土壤母质,由于其含量较低,对水环境质量的影响不大。