Hyper-spectrum models for monitoring water quality in Dianshan Lake,China

The correlation between water quality parameters and hyper-spectral reflectance is studied with models established for each parameter and applied in Dianshan Lake, in the upstream of the Huangpu River running through Shanghai, China. Models are for dissolved oxygen (DO in mg/L): R720/R680 = 20.362×(R720/R680)2?31.438×(R720/R680)+19.156; for turbidity (NTU): R*714.5 = 206.07× (R*714.5)2?582.5×R*714.5 + 423.24; and for total phosphorus (TP in mg/L): R*509.5 = 16.661× (R*509.5)2?32.646×R*509.5+16.116. The R2 values are 0.770 8, 0.660 4 and 0.738 7, respectively, showing strong positive relationships. The models were then applied to assess water quality of different times. Results are quite satisfactory for some samples.

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪(FY-4/GIIRS)运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空(TVAC)定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。

基于小波特征和冬小麦生理参数的土壤水分高光谱模型优化

土壤水分是影响作物生长的关键因子,在精准灌溉中估算土壤含水率有重要意义,结合作物生理参数与叶片光谱特性,能够在一定程度上增强土壤含水率遥感监测模型的稳定性。为了提高土壤含水率遥感监测模型在冬小麦多种物候期的适用性以及迁移能力,该研究通过连续小波变换增强光谱对叶片不同生化生理指标的响应后,通过变量投影重要性分析方法对冬小麦叶片含水率、叶绿素、叶面积指数敏感的光谱特征进行特征筛选,结合偏最小二乘回归构建土壤含水率模型,并与土壤含水率所选特征建立的监测模型在独立年份数据与不同传感器之间进行比较。结果表明,土壤含水率变化显著改变了冬小麦叶绿素以及叶面积,进而影响了小麦冠层光谱,小尺度小波变换可以增强冬小麦冠层光谱和土壤含水率的相关性(相关系数的平方由0.46提升至0.61)。综合基于地面非成像数据集和机载成像数据集进行的模型验证结果,基于叶绿素所选小波特征在2021年高光谱非成像数据集和2022年机载成像数据集构建的土壤含水率监测模型表现最优,其中基于分解尺度1的叶绿素小波特征构建的模型效果最好,其在独立非成像数据集验证中决定系数为0.541,均方根误差为2.42%,在成像数据集验证中决定系数为0.687,均方根误差为1.92%。因此,通过冬小麦叶片叶绿素与连续小波变换选取的光谱特征进行土壤含水率监测的适用性更强,可以进一步提高土壤含水率监测模型的准确性及稳定性。

内蒙古河套灌区土壤盐分光谱定量分析研究

研究盐碱化土壤的光谱特性是利用遥感技术实现在区域尺度上进行土壤盐碱化监测和评价的工作基础。为了实现对内蒙古河套灌区土壤盐分的定量反演,于2007年7～8月间采集了河套灌区土壤样品,进行土壤化学成分及其光谱反射特性的测量。基于统计分析的方法,建立了土壤盐分与高光谱数据的偏最小二乘回归(PLSR)模型,对土壤中主要盐分参数进行了反演实验。独立验证结果表明,对全盐(S%)、硫酸根离子(SO24-)、pH值以及钾、钠总含量(Ka++Na+)有较好的反演精度,验证数据的决定系数R2分别是0.728,0.801,0.715和0.734,预测方差比(RDP)分别是1.79,1.87,1.64,1.63。将以上参数的PLSR模型回归系数聚合在TM的可见光(蓝色、绿色、红色)和近红外波段时,回归系数在数值上均有显著反应。研究结果为在航空航天遥感尺度上实现土壤盐分的定量反演提供了理论基础和实验依据。

黄河三角洲土壤含水量状况的高光谱估测与遥感反演

为探讨利用近地高光谱和遥感影像数据结合预测土壤含水量的可行方法,以黄河三角洲垦利县为研究区,采用中心波长反射率和波段平均反射率两种拟合方法,利用室外实测高光谱窄波段反射率数据模拟Land Sat8卫星宽波段反射率,进而通过组合,选取敏感光谱参量,应用多元逐步线性回归方法分别建立土壤含水量高光谱单一形式波段组合与多形式波段组合估测模型,并选取最优估测模型。采用线性混合像元分解处理遥感影像,同时采用比值均值订正方法对遥感影像反射率进行订正,在此基础上,将模型应用到经过订正的Land Sat8卫星影像,实现了对研究区土壤含水量的遥感反演。结果表明,最佳模型是基于波段平均反射率拟合方法建立的多形式波段组合估测模型。从反演结果看较为符合研究区土壤含水量的实际状况。

不同条件下夏玉米冠层反射光谱响应特性的研究

通过对两个年份不同生育阶段的田间夏玉米活体进行冠层反射光谱测定,该文分析了不同空间尺度、种植密度、观测角度、生育阶段、叶面积指数LAI、氮素胁迫、叶片含水量以及与杂草共生等8个条件下的冠层反射光谱响应特性,并探讨其发生机理,研究结果表明,夏玉米在不同条件下的冠层反射光谱响应均呈现出一定的规律性。在近红外波段,其反射率值随氮肥施用量的增加而增大,尤以750～1350nm波段,但在可见光波段,反射率值降低;随着观测探头的逐步升高,反射率值降低;随杂草量的增多,反射率值逐渐增大。这些结果揭示了高光谱遥感田间夏玉米理化信息获取的巨大潜力,同时,为以后遥感反演建模提供了依据。

利用高光谱数据快速估算高羊茅牧草光合色素的研究

光合色素是植物体进行初级生产的重要物质,能够间接反映植被的健康状况与光合能力,同时,高光谱遥感为快速、大面积监测植被的色素变化提供了可能。本研究以高羊茅牧草为材料,实测了高羊茅冠层的高光谱反射率与光合色素含量数据,对二者进行了相关分析,从5大类12个高光谱特征变量{Rg、R710、Dλr、Dλ700、D[log(1/iλ)]、Sg、RVIa、RVIb、PSSR、PSND、Rch、CARI}中挑选了光合色素敏感参数,建立了植被指数光合色素估算模型。结果表明,光合色素叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素与原始光谱进行相关性比较分析时,叶绿素b效果最好;原始光谱、光谱一阶导和倒数对数一阶导3种光谱形式与光合色素进行比较分析时,光谱一阶导在700 nm附近与光合色素相关性最好,相关系数为-0.897;通过12个高光谱特征变量与光合色素相关性比较,选择达到极显著水平的6个变量:Rg、D7λ00、D[log(1/R730)]、RVIb、Rch、CARI进行光合色素含量的回归模型建立,这为利用物理方法快速、无损伤探测高羊茅牧草的营养状况及牧草质量提供了理论支持。

不同尺度冬小麦氮素遥感监测方法及其应用研究

该文以航空影像、地面冠层光谱数据及同步观测的植被生化数据为基础,探讨了冬小麦冠层氮素监测的遥感方法。该方法应用于Lukina变量施肥模型,研究了基于遥感影像变量施肥量的计算方法。为实现以上目标,首先采用矩匹配和反射率转换方法,对获取的机载实用模块化成像光谱仪(OMIS)影像进行辐射校正;然后结合航拍相片及地面高精度差分GPS定位点坐标对高光谱影像进行几何校正。以预处理后的反射率影像和冠层光谱数据为数据源,采用倒高斯模型拟合冬小麦红边光谱曲线,并构建红谷位置、红边位置和红边宽度等光谱特征参量。通过对红边光谱特征量和实测氮素进行统计分析,寻找相关性显著、拟合误差小的最佳光谱特征量,并用于预测冬小麦冠层的氮素含量。统计相关分析结果表明:拟合曲线和图像反射率曲线面积差和实测的氮素含量有最高的相关性,且相关性达到极显著。最后,把该氮素预测方法集成到Lukina变量施肥模型中,结合反射率影像数据生成变量施肥处方图。文中探讨的最佳氮素预测方法改善了氮素预测的精度;基于影像的面状信息获取技术克服了点状信息的不足,使变量施肥技术更利于实用和推广。

基于人工神经网络的土壤有机质含量高光谱反演

研究了土壤有机质含量与土壤高光谱之间的关系,在对原始光谱进行了预处理分析后,运用多元线性逐步回归法(MLSR)和人工神经网络法(ANN)建立了土壤有机质含量的反演模型,并对模型进行了验证。结果表明:人工神经网络所建立的反演模型普遍优于回归模型,网络集成模型优于单个BP网络模型,网络集成是提高反演模型准确性与稳定性的有效途径。网络集成模型为最优模型,总均方根误差为1.31,可以用于土壤有机质含量的快速测算。

棉花黄萎病病叶光谱特征与病情严重度的估测

【目的】阐明棉花黄萎病病叶光谱特征并对其病情严重度进行估测,为今后通过航空、航天遥感大面积监测棉花黄萎病提供依据。【方法】试验采用不同品种棉花黄萎病的病叶材料,在不同发病时期的病谱田和大田同步测定其光谱和发病严重度,定性和定量地分析病叶光谱反射特征、微分光谱特征差异。【结果】棉花不同品种、不同发病时期的黄萎病的病叶光谱均随发病严重度的增加而表现出有规律的变化,可见光(400～700nm)到近红外区(700～1300nm)波段,光谱反射率随病情加重呈现上升趋势,可见光520～680nm波段范围内尤为明显。当病叶严重度达到b2(25%)时,可作为病害识别的临界,对其进行早期诊断。对光谱一阶微分特征研究表明,在红边范围内(680～780nm)处理间变幅最大,分析后发现红边斜率减小,红边位置发生了"蓝移",表现出了病害特有的特征。试验证明:434～724和909～1600nm为棉花黄萎病病叶光谱敏感波段,建立的多个遥感估测模型均达到极显著水平。【结论】棉花黄萎病病叶光谱特征明显,建立的相应病害反演模型中利用一阶微分光谱723nm建立的模型精度最高,可用来定量反演棉花单叶黄萎病的发生情况。

超光谱成像仪在轨辐射定标及不确定性分析

介绍了超光谱成像仪的技术参量、成像原理、实验室定标和星上定标的方法.利用超光谱"图谱合一"的特点,对常规的反射率基法提出改进,实现了超光谱成像仪的辐射定标.分析了辐射定标过程中地表测量、大气参量及卫星图像产生的不确定性.结果表明:105个通道定标系数的不确定度优于7%,改进后的定标方法可以实现环境卫星超光谱成像仪的在轨辐射定标.

光谱技术预测牛肉嫩度研究进展

肉的嫩度是肉品品质的首要指标。多年来,牛肉嫩度一直是肉品学者关注的焦点,而牛肉嫩度的检测是近年来研究的热点之一。本文从光谱谱信息和牛肉内部成分的关系及光谱成像和牛肉外部特征的关系两方面,简要阐述牛肉嫩度检测的光谱技术特点。主要介绍国内外近十年来在牛肉嫩度检测方面所采用的近红外(NIR)、高光谱、多光谱、荧光光谱和可见光谱技术研究进展,讨论现有技术的局限性,并指出未来牛肉嫩度检测技术的发展方向。

基于高光谱的土壤有机质含量估算研究

高光谱遥感技术以其光谱分辨率高、波段连续性强、数据丰富的特点,因而在土壤养分研究中得到广泛应用。通过土壤有机质的高光谱遥感分析,可以充分了解土壤养分的状况及动态变化,为指导农业生产及保护农业生态环境提供科学依据。本文基于江西省余江县和泰和县采集的34个红壤土样350～2 500nm波段的光谱曲线,研究了土壤光谱与土壤有机质含量之间的关系。先对土壤反射率光谱进行两种变换:一阶微分(R′)、倒数的对数log(1/R),然后在提取特征吸收波段的基础上,运用多元逐步线性回归法和偏最小二乘回归法建立相应的估算模型,并对模型进行检验。结果表明,偏最小二乘回归法优于多元逐步线性回归法,其建立的高光谱估算模型具有快速估算土壤中有机质含量的潜力。

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。

汶川M_S8.0地震前后龙门山断裂带CO和CH_4排气增强

利用卫星高光谱数据研究了汶川地震前后震中周围及沿断裂带相同面积区域的CO和CH_4总量的变化和相关程度。结果表明:(1)龙门山断裂带地区常年有地下气体沿断裂带向大气中释放,CO沿断裂带释放,受构造控制明显,而CH_4除了受构造控制影响外,还受川西地区地下天然气的弥漫式扩散影响;(2)汶川地震的发生促进了地下气体的释放,汶川地震前约1.5个月至震后3个月左右有大量的地下CO和CH_4气体沿龙门山断裂带释放到大气中,并且距离震中越近,排气量越大。研究结果对地震监测、地气交换和环境地球化学监测有重要意义。

天宫一号高光谱数据探测火情状态敏感谱段分析

为获得利用卫星数据探测明火、焖烧、烟和火烧迹地等四种火情状态信息的敏感波谱范围,利用天宫一号高光谱数据,采用统计和光谱分析相结合的方法,对探测这四种火情状态信息的适宜卫星谱段进行了分析。结果表明:天宫一号高光谱数据对这四种火情状态探测谱段存在明显区别,在高光谱短波红外各通道,明火的反射率比其他三种的反射率都高,而烟的反射率则最低;在高光谱可见近红外和全色传感器对应通道,烟的反射率比其他三种的反射率都高。在谱段选择上,探测明火的较适宜谱段区间为1 000.0～1 956.0和2 020.0～2 400.0nm;用于判识焖烧的适宜谱段范围为930.0～1 000.0和1 084.0～2 400.0nm;检测烟的适宜谱段区间为400.0～920.0nm;检测火烧迹地时适宜选用中心波长900.0～930.0和1 300.0～2 400.0nm等波段进行组合,构建检测模型。

土壤钾含量高光谱定量反演研究

为了更快捷准确地进行土壤钾(K)含量的预测,基于土壤高光谱数据和化学元素分析数据,研究土壤光谱与土壤钾含量之间的定量关系。在对土壤原始光谱进行处理分析基础上,提取反射率(R)、反射率倒数的对数(log(1/R))、反射率一阶微分(R')和波段深度(BD)4种光谱指标,运用偏最小二乘回归方法建立相应的预测模型,并对模型进行检验。结果表明,波段深度是估算土壤钾含量最好的光谱指标,其建模精度超过0.85,均方根误差不超过0.1;全波段高光谱分辨率反射光谱具有快速有效估算土壤钾含量的潜力。

基于高光谱的河套灌区农田表层土壤质地反演研究

以河套灌区解放闸灌域农田表层0-10cm土壤为研究对象，研究风干土样的不同粒级含量与光谱特性关系，遴选出反映土壤粘粒、粉粒、砂粒含量各自敏感的光谱波段，分别建立土壤粘粒、粉粒、砂粒含量与敏感波段的一元线性回归模型和BP神经网络模型，模型验证结果表明：土壤粘粒、粉粒、砂粒含量的一元回归模型与BP神经网络模型精度基本一致，且都在85g以上。该研究结果可为应用高光谱遥感图像大范围识别河套灌区的土壤质地提供理论依据。

环境卫星HJ1A超光谱成像仪在轨辐射定标及光谱响应函数敏感性分析

环境卫星HJ1A搭载的超光谱成像仪HSI是我国第一个对地观测的星载高光谱传感器,针对超光谱成像仪缺乏各通道光谱响应函数这一问题,对传统的反射率基法予以改进,提出一种不使用光谱响应函数的场地定标方法。利用敦煌场地2009年8月定标实验数据,实现超光谱成像仪在轨辐射定标。通过构建不同形状的光谱响应函数,分析光谱响应函数形状对最终辐射定标结果产生的误差。结果表明,利用新提出的场地定标方法可以实现超光谱成像仪绝对辐射定标,除水汽和氧气吸收通道外,光谱响应函数对定标结果的影响小于3%,采用新定标方法得到的定标系数可以满足应用的需求。

科尔沁沙地地物光谱数据分析

根据测定各种地物的大量光谱数据 ,分析了内蒙古自治区奈曼旗荒漠化地区沙地、土壤、水体、水泥路面及部分植被的光谱特性及其变化规律 ,结果表明 ,研究区的水泥路面光谱变化均匀、平稳 ,是理想的光谱定标测试点。同时 ,利用导数和归一化的方法对植被光谱进行了处理 ,消除了因光照等因素造成的同一植被类型不同部位光谱的差异 ,从而提高了地物光谱重建的精度。