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文档简介
1、基于半分析方法的太湖水体组分基于半分析方法的太湖水体组分浓度遥感反演研究浓度遥感反演研究 龚绍琦1,黄家柱2,李云梅2 E-mail : 电 话:136115849731.南京信息工程大学遥感学院2.南京师范大学虚拟地理教育部重点实验室主主 要要 内内 容:容:1. 1. 引言引言2. 2. 研究的方法研究的方法3. 3. 研究的结果与分析研究的结果与分析4. 4. 结论结论1. 引言引言 近年来,太湖的水生态环境问题日益突出,已成为政府和学术界关注的焦点和热点。研究太湖水生态环境必须从水质监测入手,遥感具有大范围、快速、周期性观测的特点,可成为水质监测的一种重要方法。 遥感传感器从湖面上接收
2、到的离水辐亮度是水体各组分对光的吸收和散射作用的综合结果。湖泊中决定水体光谱特征的主要成分是藻类、非色素悬浮物以及有色可溶性有机物,三组分在水体中的含量决定着水质的好坏,是环保部门水质监测的主要指标,间接地影响到其它水质参数的量,如透明度、溶解氧、五日生化需氧量、化学需氧量等。 本文将通过对太湖水体光学特性的研究,建立水体遥感的半分析模型,并利用高光谱数据和准同步过境的CBERS/CCD影像反演太湖三组分浓度。2. 研究的方法研究的方法精度评价过滤测各组分吸收系数野外观测水体表观光学量水体总的吸收a和散射系数(b、bb)各组分单位吸收系数水体半分析模型室内分析遥感反射率Rrs太湖水体组分浓度系
3、数前向模型后向反演高光谱数据ASD多光谱数据CBERS大气校正提取离水辐亮度Rrs、f、Q模型验证数据采集:数据采集:水体表观光学量和固有光学量。水体光学特性的测量水体光学特性的测量(1)各组分吸收系数测定:定量滤膜法 Whatman公司GF/F滤膜,分光光度计(2)水体总散射和后向散射测定:仪器法AC-S吸收仪BB-9散射仪光谱仪水面以上观测几何3)水面以上光谱的测量太阳入射平面仪器观测平面仪器可行的观测方位范围vv天空光Lskyn水体光谱测量(ASD手持光谱仪) 4)水下光谱数据测量:剖面法水下光谱仪测量水下辐亮度L和辐照度E 3. 研究的结果与分析研究的结果与分析(1)水体遥感反射率Rr
4、s的光谱特性440nm560nm680nm715nm815nm太湖水体遥感反射率光谱曲线(2)气-水界面漫反射光学参数f太湖气-水界面漫反射光学参数的光谱曲线02)3119. 02465. 0()0513. 02227. 06279. 0(bbbfMorel & Gentili( 1991 ):(3)水体光场分布1.73 Sr7.05 Sr3.12 Sr太湖刚好水面下(0-)深度的光场分布曲线Q=Eu(0-,)/Lu(0-,)(4)藻类的吸收特性560nm500nm440nm680nm太湖藻类吸收光谱曲线太湖藻类单位吸收系数与叶绿素-a浓度的函数关系:ccCBAa/ )()()(*)()(BA
5、和为不同波长的常数。 藻类的吸收特性可以用公式)()(*cccaCa模拟得到。 太湖藻类模拟的与实测的吸收光谱曲线(5)非色素悬浮物的吸收特性)(exp)()(00dsdsdsSaa太湖非色素悬浮物吸收光谱曲线波长范围最小值 最大值 平均值 标准差380-620nm0.00660.00950.00770.00078380-700nm0.00520.00970.00630.00078400-700nm0.00490.00880.00590.00072350-800nm0.00470.00900.00570.00078 非色素悬浮物吸收光谱曲线指数斜率Sds值 由于非色素悬浮物是总悬浮物萃取色素后
6、残余物,色素浓度远远小于水体中总悬浮物浓度,因此可以用总悬浮物浓度代替非色素悬浮物浓度,并与非色素悬浮物吸收系数进行相关分析,建立参考波段440nm吸收系数与浓度的线性关系如下:)440(058.11880. 0dsdsaC(R2=0.601 d.f.=51 P=0) 太湖非色素悬浮物模拟的与实测的吸收光谱曲线(6)有色可溶性有机物的吸收特性)(exp)()(00yyySaa太湖可溶性有机物吸收光谱曲线CDOM吸收光谱曲线指数斜率Sy值波长范围最小值最大值平均值标准差240-440nm0.01140.03240.02190.00546240-500nm0.00920.02430.01720.0
7、0391240-550nm0.00770.02270.01550.00415240-600nm0.00650.02200.01410.00418CDOM的浓度用可溶性有机碳(DOC)来表示,将440nm的吸收系数与DOC浓度进行回归分析,得到一元线性关系:)440(358. 2386. 4yaTOC(R2=0.870,d.f.=33,P=0)太湖黄质模拟的与实测的吸收光谱曲线(7)水体总散射特性)()()(00bMb斜率M在0.02210.0463 nm-1.m-1之间,平均值为0.03210.0073 nm-1.m-1。太湖水体散射光谱曲线 用参考波段的散射系数b(440)与水体总悬浮物浓度
8、进行回归分析得到:)/477.13446. 3exp()440(pCb(R2=0.673,d.f.=62,P=0) 太湖水体模拟的与实测的散射光谱曲线(8)水体总后向散射特性)440)(440()(bbbb指数在3.09223.9795之间,均值为3.68580.207。 (9)水体遥感的半分析模型构建bbdubabfEER)0()0()0()0()0(uuQLEtnLLwu/)0(2)0()0(ddtEE海洋水色遥感)0(/dwrsELRbbrsbabQnftR22湖泊水体,模湖泊水体,模型是否成立?型是否成立?abb2Qn tf=R2rs当bba时 3#点对于太湖水体,需要将上述模型修正一
9、个常数,即abQnftRbrs22将太湖水体组分吸收和散射特性参数以及气-水界面表观光学参数代入原模型模拟遥感反射率Rc,并构造优化函数 F:nimcmRiRiRF1| )(*)(|式中Rm是实测的遥感反射率、Rc是模拟的遥感反射率,n是波段数,通过不断变动值,使得F值最小。均值为8.4552.284 (10)模型修正项与水体固有光学特性的关系 模型修正项与水体固有光学量的相关系数曲线(11)基于高光谱数据的遥感反演 YAAAXTT1)(利用波长451-700nm共250波段的水体遥感反射率来反演,上式中A是一个2504的矩阵,250行是高光谱数据的波段数,4列表示水体组分未知量的个数,X是含
10、有4个未知量的列向量。 )440()440()440(bydcbaaCX把各组分吸收和后向散射系数分别代入半分析模型: )440(exp)440()440(exp)440()()()()440)(440(22yyddcwbrsSaSaBCAabQnftR 反演结果:各样点叶绿素浓度的相对误差大部分都在15%以下(48个);非色素悬浮物ads(440) 大部分都在20%以下(43个);CDOM ay(440) 大部分都在30%以下,后向散射bb(440)大部分都在15%以下(40个)。 总体来说,基于高光谱数据反演太湖水体组分精度较高。 (12)基于 CBERS/CCD影像的遥感反演 利用4个波
11、段的遥感反射率数据来反演四个未知量,并把上式改写成四元一次方程组形式:114131211)440()440()440(abaaaaaCabydsc224232221)440()440()440(abaaaaaCabydsc334333231)440()440()440(abaaaaaCabydsc444434241)440()440()440(abaaaaaCabydsc)()()440)(440()440(exp)440()440(exp)440()(22BaQnRftbSaSaCAwrsbyyddc反演结果:叶绿素-a浓度Cc、非色素悬浮物ads(440)、CDOM ay(440)和后向散
12、射bb(440)灰度图,对4幅图像按一定间隔进行密度分割,得到太湖4要素浓度系数的空间分布图。 结果表明:叶绿素浓度的相对误差大部分都在15%以下(36个);非色素悬浮物ads(440)大部分都在10%以下(49个),是反演最好的一个量; CDOM ay(440)大部分都在30%以下,后向散射bb(440)大部分都在20%以下(39个)。总体来说,用CBERS/CCD影像反演太湖水体组分浓度取得了较好的结果。可以认为,只要图像的辐射校正和大气校正可靠,可以认为,只要图像的辐射校正和大气校正可靠,模型中参数准确,利用半分析模型从多光谱影像中反演水体组模型中参数准确,利用半分析模型从多光谱影像中反
13、演水体组分浓度是可以取得理想的效果。分浓度是可以取得理想的效果。 (1)太湖秋季水体表面漫反射光学参数f在0.360.41之间,平均值为0.3799;在可见光波长范围内,刚好水面以下0-深度的平均光场分布常数Q为4.3667 Sr。 4. 结论结论(2)太湖秋季藻类各波段单位吸收系数在0.00610.2808m2/mg之间变动,单位吸收系数与叶绿素-a浓度的函数关系为:ccCBAa/ )()()(*而藻类吸收特性可用公式来模拟:)()(BA和为不同波长的常数。cccCaa)()(*(3)非色素悬浮物和CDOM都具有相似的吸收光谱特征,即随着波长的增加呈现指数递减趋势。可采用:的形式来模拟两种物质的吸收特性。)(exp)()(00Saa 结果表明:斜率指数S与参考波长的选取无关,与拟合的波长范围有关; 350800nm波长范围内,非色素悬浮物吸收光谱的斜率指数S为0.005520.00093 nm-1; 240600nm波长范围内,CDOM吸收光谱的斜率指数S为0.01410.00418 nm-1。(4)水体总散射系数随波长增加呈线性递减趋势,可采用: )()()(00bMb形式来模拟总散射特性,0为参考波长,取440nm,斜率M均值为0.03
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