太湖蓝藻叶绿素的高光谱反演模型及分布研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈利雄 |
| 答辩日期 | 2010-12-02 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 匡定波 ; 尹球 |
| 关键词 | 太湖蓝藻 实测光谱 色调 反演模型 Modis |
| 学位专业 | 电磁场与微波技术 |
| 英文摘要 | 内陆水体富营养化治理是当前突出的问题，其中水质实时监测是工作重点之一。监测可以及时掌握污染现状，以便采取适当的治理措施；当然,治理的实际效果如何，只有通过长时间的监测才能作出客观评价。环保和水利部门设置的常规监测网采用布点采样为主，为了解我国内陆水体的水质状况，采取相应及时有效的措施提供了科学依据。随着遥感技术在时间分辨率、光谱分辨率和空间分辨率等方面的大幅度提高，以及对水质参数光谱特征研究的深入，内陆水质遥感取得了较多研究成果，促进了环保和水利部门对水质遥感业务化的需求。然而，由于内陆水环境的复杂性、水质参数之间光谱特征相互干扰，使得水质参数的反演模型并不稳定，反演精度也不甚理想，导致水质遥感离真正的业务化运行还存在很大的差距。为了实现水质遥感业务化，尚有许多基础性问题亟需解决。例如，不同水体或同一水体在不同季节，由于水中组分、生物生长状况的不同，使得建模的样本差异明显。不同研究者在选取最优的叶绿素反演模型时，常常因为样本采集的水域、时间以及样本数目等方面的差异，对模型的选取、参数的设置自然有所不同，其精度和适应性等问题都值得深入探讨。在对太湖的水质、蓝藻状况较好的研究基础上，为了全面了解太湖水质的现状，探讨蓝藻生长状况在光谱特征有怎样的体现等问题，再次与太湖流域管理局无锡水文水资源局合作，对太湖进行了持续一年的水质和光谱采样。通过每月一次连续一年水质采样并同步获取了光谱的测点共318个。水面光谱采集必须符合一定的光照条件，因此设定太阳高度角和天空状况基准，剔除不适宜光谱采集的测点，选取133个有效样本做后续研究。利用一年中133个有效样本，对有关作者利用半经验法建立的各种反演模型，如单波段、双波段、三波段、四波段和综合波段等进行了验证分析。结果显示，如果以拟合度R2来衡量模型的优劣，直接用叶绿素浓度反演时，全年数据中以三波段最佳，双波段比值和微分法次之；如果将叶绿素浓度取对数，则以微分法最佳，三波段和双波段比值次之。剔除700nm附近没有反射峰的29个样本，以700nm附近反射峰和670nm附近吸收谷的光谱特征来建模，则反射峰的位置能较好地反演叶绿素浓度。模型的稳定性方面，随着样本的减少，四波段模型的拟合度改善最明显。因为全年样本数较多，各种模型反演的精度均不佳，因此实行分水域和分季节进行建模反演。将太湖全年有效样本拆分成春、夏、秋、冬四个季节分别反演时，其中春季建模反演的精度较高，秋季最差。将太湖水体分为北、西、南、东和湖心五个部分，以各自的有效样本建模反演，以南太湖和太湖中心反演结果较好，北太湖水体反演精度最差。如果将全年样本分水域且分季度反演，但部分水体样本数过少，无法建立合适的半经验反演模型。全年的蓝藻叶绿素高光谱反演模型中，采用的光谱数据是垂直于水面采集方法获取的。针对水面以上光谱采集法中对垂直测量的质疑，利用2008年10月至2009年5月同时用垂直和倾斜测量两种测量方法采集的69个有效样本，从光谱反射率的相关性、与实验室叶绿素浓度反演模型等方面，结果显示两种光谱采集法得到的光谱数据具有高度一致性，都适合做水质的反演建模。另外从遥感反演的不确定性、与水质采集点视场的一致性等方面，说明垂直测量虽然没有考虑天空光等影响，但光谱反射率的计算同样消除了大部分不确定因素，完全适合做反演模型的建构及水质光谱特征研究。因样本数较多，且横跨四个季节，各种半经验法反演模型的拟合度都不甚理想。分析模型反演精度不高的缘由时，比对实验室叶绿素浓度检测结果，发现不同测点在相似的叶绿素浓度下，对应的光谱特征曲线存在明显差异。查看同时获取的数码照片，发现叶绿素浓度相似而光谱特征差异明显的测点处，蓝藻的颜色存在明显不同。提出在建模反演前，需对蓝藻或水体状况进行表征，对实验样本进行再次筛选。发现利用实测光谱等数据，提取特征指数对蓝藻或水体的状况进行表征时，用蓝藻或水体的颜色特征最能稳定地反映其状况，通过对不同颜色空间中多种特征组合的研究，发现HIS色彩空间中的色调H与蓝藻的颜色具有较好的相关性。且实验数据证明，由水面反射光谱推导出的色调H与同时获取的数码照片里蓝藻的颜色的色调H具有较好的一致性，进一步说明可以利用蓝藻的色调H来表征其状况。利用导出色调H值作为指数，应用到半经验模型分析中。研究发现，虽然色调H值可以定量地表征蓝藻或水体的状况，但同一测点垂直测量与倾斜测量的光谱导出的色调并不完全一致，无法作为因子导入到半经验模型中。同时发现，色调值越低的测点，蓝藻或水体越黄或者越浑浊，此类测点的光谱数据，受蓝藻生长状况或悬浮物和可溶解性有机物干扰明显，掩盖了蓝藻叶绿素的特征光谱。于是利用色调值作为阈值，删除部分不适合半经验模型反演的测点，或作为拆分样本的参数。删除色调小于0.9弧度的测点后，各半经验模型的反演精度都得到明显改善。分别以色调1.0、1.05、1.1和1.2弧度作为阈值，拆分实验有效样本，分析半经验反演模型，各模型的波段选取有所变化，大于阈值的样本建立的反演拟合精度改善显著，小于阈值的样本建立的模型拟合精度改善不甚稳定。再对小于阈值的测点删除小于0.9弧度的测点后进行分析，拟合精度能得到一致提高。随着遥感技术在时间分辨率、光谱分辨率和空间分辨率等方面的大幅提高，以及对水质参数光谱特征研究的深入，促进了环保和水利部门对水质遥感的业务化需求。针对太湖流域管理局利用遥感技术监测太湖水质的需求，业务化需要高的时间和空间分辨率，研究利用MODIS数据的第一二波段来反演太湖蓝藻分布，直接用少云数据进行比值模型反演和结合观测数据进行波段比值反演的研究。经过与实测情况对比，太湖西部符合实际情况几率最大，南部次之，太湖的北部往往比实际情况有所夸大，尤其是竺山湖测点附近，反演情况明显比实际情况要严重，梅梁湖部分测点有时有所夸大，而太湖东部水域分布着大片水草，反演为高浓度的蓝藻覆盖水域，与实际情况相差最大，因此在结合观测数据的反演中直接列为水草分布水域，对其不予以考虑。贡湖和胥湖的沿岸与实际情况有一定出入，可能是部分水域的沿岸分布着大片水草有关，但水草的比例小于东太湖，有时也是蓝藻覆盖水域，所以情况远比太湖西部复杂。 |
| 学科主题 | 红外系统与元部件 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5198]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈利雄. 太湖蓝藻叶绿素的高光谱反演模型及分布研究[D]. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。