高光谱遥感与我国内陆水质监测

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1、高光谱遥感与我国内陆水质监测地信091刘萌140912119研究背景与意义我国内陆淡水资源的紧缺以及水质污染问题已经引起国家和社会的高度重视。水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水质污染问题的日益严重，水质监测的意义愈显重大。尤其是内陆水体，其水质影响到人们的生产和生活，因而准确高效的水质监测显得尤为重要。作为一种重要的监测手段，遥感技术以其独特的优势为水质监测开辟了新的途径，可以实现水质大范围、快速、低成本、周期性动态监测。内陆水体的光学特性比较复杂，相较海洋遥感而言有更多的难点。内陆和近岸水体光谱特性复杂多变，只有高光

2、谱分辨率的遥感数据才能更加有效地捕捉这些信息，从而提高内陆水质监测的精度。利用遥感数据反演水质参数通常有三种方法，即经验方法、半经验方法和基于生物光学模型的分析方法。在内陆水质参数遥感监测中，高光谱遥感数据是最佳的数据，基于生物光学模型的分析方法是反演算法的发展趋势。经验方法一般通过建立遥感数据与地面监测的水质参数值之间的统计关系来外推水质参数值，水质遥感初期使用的宽波段数据多采用这种方法，不过这种方法建立的水质参数与遥感数据之间的关系往往缺乏理论依据，因而通用性差。半经验方法是随着高光谱遥感在水质监测中的应用而发展起来的，它是将已

3、知的水质参数的光谱特征与统计模型结合，往往只适用于一定的条件，应用于不同季节或地域的水体时往往需要进行参数校正。分析方法是建立在水中辐射传输模型基础上的，其物理意义明确、适用性强、反演精度高，而且可以同时反演几种水质参数，是当前内陆水体水质参数反演算法的发展趋势。三种研究方法具体研究方案数据获取350~2500nm，其光谱分辨率为3nm。分别测量标准灰板、水体和天空光的光谱数据，各记录10条光谱，计算刚好在水面以下辐照度比R(0-)。计算得到的16个水面采样点的刚好在水面以下辐照度比R(0-)的曲线如图2所示。本文以富营养化污染比较

4、严重的太湖梅粱湾为试验区，2005年10月10日北京时间上午9点到下午4点半在太湖梅梁湾测量了16个点的水面光谱，光谱测量使用野外光谱辐射仪FieldSpee@ProFR波长响应范围为利用实验室内的分光光度计可以对采集的水样的固有光学量进行测量分析‘”。可以直接测量的参数有：CDOM吸收系数acdom、总悬浮物吸收系数ap、非色素悬浮物吸收系数ad、总悬浮物光束衰减系数cp；间接计算的参数有：浮游植物色素吸收系数aph、总悬浮物散射系数bp。16个采样点的平均的吸收和散射系数如图3所示。分析方法1.确定悬浮物后向散射比例系数后向散射

5、比例系数bbp(等于b/b)可以由散射相函数p(e)计算得到，它与水体的类型有关.。本文使用由Petzold(1972)测量的散射相函数计算得到的后向散射比较系数(等于0.019)，这样就可以用悬浮物的散射系数计算得到悬浮物的后向散射系数。2.确定生物光学模型中的系数f生物光学模型中的系数f是与光照条件有关的参数，它的确定方法通常有3种：一是直接取常数0.33；二是根据理论模型计算：三是先确定后向散射比例系数，再根据测量计算得到的R(0-)和bb/(a+bb)进行线性回归，回归系数作为f值。R(0-)=f0bb/(a+bb)+f1计

6、算得到的16个采样点对应f0和n以及线性相关系数如表1所示：3.拟合的R(0-)和测量的R(0-)的比较我们以1号点和2号点为例，比较拟合的R(0-)和水面测量R(0-)。从表l中可以看出，2、8、9、ll、14、16号点的相关系数比较小。造成这些点的线性相关系数比较小的主要原因是；由于水面光谱测量点和水体采样点相差几米．而刚好这相差的几米导致二者的水体光学特性产生较大的差异。构建生物光学模型要求水面光谱测量的水体和采样的水体相对应，因而在建立模型时有必要排除2、8、9、1I、14、16这6个点。图中a为1号点拟合结果，b为2号点拟

7、合结果4.水质参数反演基于上面建立的生物光学模型，同时选择拟合效果比较好的波段，利用矩阵反演的方法同时反演得到除2、8、9、11、14、16的10个点的3种水质参数：Cchla、Cs和acdom(440)。与实测的水质参数值相比较，得到了反演的相对误差，如表所示。结论和讨论从上表中我们可以看出，基于生物光学模型的分析方法不但可以同时反演3种典型水质参数，而且其反演精度较高。这说明了分析方法具有巨大的潜力。不过，目前分析方法还有很多局限。分析模型建立之初需要测量的数据参数较多，包括水体的固有光学特性、表观光学特性及水质参数值等，特别是

8、固有光学参数的测量对设备和条件要求较高；利用分折方法反演永质参数之前必须对遥感数据进行精确的大气校正，大气校正结果的经验直接影响到水质参数反演的精度，因此它对遥感数据大气校正的精度要求比较高。目前的生物光学模型大都是半分析的，加入了经