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基于遥感技术的湖泊水质参数反演研究综述

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基于 遥感技术 湖泊 水质 参数 反演 研究 综述
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第38卷 第1期 2013年2月 全球定位系统 8。 013 基于遥感技术的湖泊水质参数反演研究综述 王 林 ,白洪伟 (1.宿州市埔桥区国土资源局技术服务站,安徽宿州234000; 2.安徽宿州市宿州学院东院地球科学与工程学院,安徽宿州2340摘 要:湖泊水体污染和营养化问题是当前湖泊研究的重点之一,遥感反演技术由于具 有快速、宏观、低成本、周期性的特点,已成为当前水质监测评价的重要技术手段。本文阐述了 水质反演方法、反演参数和反演基于的遥感数据源三方面的发展过程,讨论了目前反演过程中 存在的主要问题,并对未来遥感反演的研究重点进行了展望。 关键词:水质参数;反演方法;遥感数据 中图分类号:献标志码:A 文章编号:1008013)01 引 言 近年来,湖泊水体污染和营养化问题已严重 制约国民经济的快速可持续发展,并影响着人们的 日常生活和身体健康,快捷准确的湖泊水质监测已 经显得尤为必要,但传统监测方法费时费力,且只 能了解监测断面的水体污染状况,难以获得大范围 水域水质的空间分布和变化趋势,不能满足实时、 大尺度的监测评价要求。遥感反演技术的出现,给 水质的监测评价提供了新的机遇与选择[1]。从水 质反演参数、反演方法和反演基于的遥感数据三方 面进行综述,并提出目前遥感水质反演仍存在的问 题以及未来研究工作的重点,以期为湖泊水质监测 评价提供参考。 1水质反演方法 随着遥感技术特别是高光谱技术的迅速发 展,国内外对水质参数反演方法的研究已不断深 入,目前水质遥感反演模型的构建主要有三种方 法,分别是分析方法、经验方法和半经验方法。 1.1分析/半分析方法 该方法的核心是生物光学模型,是基于大气 辐射传输理论及模型,利用遥感测得的反射率计算 水中实际吸收系数与后向散射系数的比值,与水中 收稿日期:2012一系人:白洪伟:26.组分的特征吸收系数、后向散射系数相联系,反 演组分含量 ],是建立在光学传输过程之上的具有 严格物理意义的通用模型。该种方法对于多波段 反演特别有用,且具有普遍适用性,是今后反演模 型研究的发展方向|3]。但是这一方法是基于已知 反演参数的光谱特性,即已知它们的散射系数、体 散射系数、吸收系数等有关参数,而这些参数是需 要通过实验手段或野外观测得出,并且这些参数中 有些参数是随监测的水域不同而不同。 1.2经验方法 经验方法是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外推水质参数值 ],是 伴随着多光谱遥感数据应用于水质监测而发展起 来的一种方法口]。 由于水质参数与遥感数据之间的事实相关性 不能保证,如实测数据与影像数据非同步等,所以 该种方法结果缺乏物理依据。如据6个波段的定量分析[4],选择物及叶绿素 乐成峰等 利用光谱曲线[5],在此基础上对各波段的遥感反射率 与叶绿素现春秋季波段比 值法反演效果较好,而夏季微分法反演效果明显好 于其他反演算法_6]。 · 58 · 全球定位 系 统 第38卷 1.3半经验方法 半经验方法是将已知的水质参数光谱特征与 统计模型相结合,选择最佳的波段或波段组合作为 相关变量估算水质参数值,是伴随着高光谱遥感数 据应用于水质监测而发展起来的一种目前最常用 的方法。 经验方法与半经验方法都是对遥感数据进行 适当的数学方法来得到水质参数的估测值。常用 的数学方法有:线性回归、多元线性回归、对数转换 线性回归、聚类分析、多项式回归、贝叶斯分析、灰 色系统理论和逐步多元性回归、主成分分析、神经 网络模型等 ]。如、悬浮物、黄色物质3个水质参数_7_8_,得出神经 网络模型完全可以用来反演一类水体和二类水体 的水质参数,反演精度远高于经验模型。 近年来,混合像元分解法、人工神经网络、遗 传算法、灰色系统理论等新的方法已逐渐进入水质 反演应用分析中 ,成为水质反演研究中广泛应 用的模型。但是混合像元分解法中端元的准确选 择对于二类水体来说难度较大,而人工神经网络和 遗传算法均需要大量的可用数据作为训练样点进 行学习。对于数据量较少且具有模糊或非精确的 数据来说,模糊数学是一种很好的方法,等人口 已将其应用于海洋水色问题的研究 中㈦。 经验/半经验方法具有很强的时空局限性,通 用性较差所以基于对水质参数光谱特征日渐 深入的了解,国内外很多学者在研究进一步提高水 质遥感监测精度的同时,开始致力于发展没有时间 和空间特殊性的水质反演模型口 ]。 2水质反演参数 随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱 特征和算法研究的不断深入,水质遥感监测逐渐从 定性发展到定量,并且通过遥感可监测的水质参数 种类逐渐增加 ,包括悬浮物、叶绿素a、黄色物质 以及演精度也不断的提 高。 2.1 悬浮物反演模型研究 湖泊中悬浮物浓度是最先被遥感估测的水质 参数,悬浮物浓度、颗粒大小及其组成是影响悬浮 物光谱反射的主要因素。不同水域不同季节,水体 中的悬浮物成分、粒径分布和浓度差异较大。随着 遥感技术的不断发展和创新,悬浮物的遥感监测方 法已经有了较为成熟的物理模型和经验与半经验 模型 。 国外研究中,究水体中的悬浮物含量。用于特拉华湾,发现悬浮泥沙含量与陆地卫星 波段或它们的比值与水体的透明度和总悬 浮物相关性很大,成幂函数关系。陆水质监测的应用范围和局限性,通过定量分析 选择波段4用来反演悬浮物和叶绿素浓度 ]。 ,结果表明估测悬浮物的最佳算法可以利用单波 段70514得到。用05个沿海水体监测点的水质状况,发现(748)/(748一段组合可以用来估测悬浮物的浓度。 国内在利用遥感数据建立悬浮物浓度关系式 方面也有许多研究成果。李京提出反射率与悬浮 固体含量之间的理论关系式为指数关系。黎夏推 导出了包含泥沙遥感定量模型。吴敏、王学军等应用现段10、11的对数组合与悬浮物浓度呈现较好的 相关性。吕恒等利用实测光谱和模拟对太湖的悬浮物浓度进行了遥感定量模型的构 建。马荣华等也应用实测光谱数据探测 了太湖水体的悬浮物及叶绿素3含量。李云亮、张 运林基于演。 2.2叶绿素反演模型研究 叶绿素之一。水体中的叶绿素分布状况,是衡量水体初级生产力(水生植物的 生物量)和富营养化作用的基本指标。计算叶绿素 目前通过各种研究已经建立了许多反演模型,但即 使是同一水体,模型的形式和参数在不同季节之间 也存在较大的差异。 国外,浮物、黄色物质的浓度进行了 反演,取得了较理想的结果。1期 王 林等:基于遥感技术的湖泊水质参数反演研究综述 ·59· 据悬浮物浓度对监测水体进行分类,然后再对不同 的类别选择合适的算法计算叶绿素以提 高算法的精度。果建立了近表面水下遥感反射率的正向物理模 型,并根据测得的水下遥感反射率,利用反向模型 来反演叶绿素个波段(672 射率比值算法来 提取叶绿素模型的优点是可以省去对后 向散射因子和入射光环境因子的估算。 国内也有相应的研究成果,疏小舟等利用高 分辨率地物光谱仪在太湖实地测量了湖水在可见 光和近红外波段(300~1 100 反射光谱曲 线,并且利用叶绿素浓度超过5 的光谱测量 值和水质分析数据进行拟合,结果发现叶绿素浓度 与700 。李素菊等利用高光谱数据反射率比值法和一 阶微分法分别建立了叶绿素认为反射率比值680 率的一阶微分均与叶绿素,且用反射率比值法估算叶绿素 建平等基于_】 。吴敏、王学军应用素a、悬浮物和透明度等参数进行了监测,研究 结果表明,一些波段的反射率比值与叶绿素好的对数关系。 2.3其它物质反演模型研究 国内外对其它物质的反演研究比较少,9以来,国外的一些学者开始研究湖泊中黄色物质 (可溶性有机物,光吸收特性,进行黄色 物质的定量遥感监测研究。质参数光谱特征的分析和回归实验,提出了计算 黄色物质的回归算法。我国从事黄色物质方面的 研究较少,雷坤、郑炳辉等利用据和准同步地面监测数据,结合水体组分的光谱 特征,建立了太湖表层水体总氮的遥感信息模型。 总之,近年来对水体中叶绿素光学活性物质的反演研究已经趋向于成熟,但对 于其它非光学活性物质,如P、H。N、 于没有直接的光学特性,无法进 行直接的遥感反演,往往需要利用水体中不同物质 之间的关系进行简介的遥感分析,所以非光学活性 物质的反演模型研究还需进一步的发展,精度有待 于进一步提高。 3用于水质反演的遥感数据 相对于海洋水色遥感来说,湖泊水质遥感尚 无专门的传感器,水质反演仍依靠现有的遥感数 据,发展新型传感器已显得尤为必要。 3.1多光谱数据 水体水质遥感监测中,先用于内陆水体水质监测的多光谱遥感数据, 叶绿素浮物浓度可以通过测。但是由于波段太宽,悬浮物含量很高的湖泊、水库中的叶绿素,而综合空间、时问、光谱分辨率和数据可获得性 特征,泛的多光谱遥感数据。国内外学者利用开展了大量的内陆水体水质的监测研究,并且对 叶绿素a、悬浮物、透明度和黄色物质的估测都取 得了比较理想的结果。内陆水体的遥感监测研究。 由于多光谱遥感数据光谱分辨率较低,不能 在理论上针对地物光谱特征解决问题,水质参数反 演算法主要是通过经验方法构造,适用于特定的时 间和水域监测。随着对水质参数光谱特征的深入 研究和了解,利用多光谱数据研究构造不受时间和 空间限制算法的可行性受到关注。 3.2高光谱数据 现有的高光谱传感器分为两种:成像光谱仪 和非成像光谱仪,主要搭载在不同飞行高度的飞 机、卫星上或地面工作平台上。成像光谱仪可为每 个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息,能产生 一条完整而连续的光谱曲线。国内外的学者利用 美国的拿大的兰 的质参数研究,如叶绿素浓度、水体混浊度、悬浮物 浓度的估测。疏小舟等用在太湖地区进行了地表水质遥感实验,研究了 18与藻类叶绿素浓度 关系,结果表明:感的精度。地面非成像光谱仪在内陆水体水质 监测中主要用来在野外或实验室测量水体的光谱 反射曲线,同时也用于机载成像光谱仪量测水质参 数的表面校准。利用地面非成像光谱仪的测量值, 6O · 全球定位 系 统 第38卷 随叶绿素载高 光谱分辨率数据是解决星载多光谱数据光谱分辨 率低的一个有效途径,提高了水质遥感监测精度, 但机载遥感覆盖范围小,监测成本高。通过地面非 成像光谱仪与星载高光谱数据的结合,有望研究出 具有一定适用性的水质参数遥感反演模型。 3.3新型遥感数据 新的卫星陆续升空为水质遥感监测提供了更 高空间、时间和光谱分辨率的遥感数据口 ,如 。陆地卫星系列的最新数据, 其突出优势在于提高了多光谱波段的空间分辨率, 增加了一个分辨率为15 富了数 据的信息量。相比据在红外波段 的分辨率更高,因此有更高的准确性。美国新千年计划中第一颗人造地球卫星(计划中的一部分,它提供了220个光谱波段的数 据,光谱范围在0.4~2.5 9面分辨率为 30 m,每个波段的宽度只有10 以非常细致 地反映地物的波谱特征,为水质遥感机理研究提供 了连续的细分光谱数据,很大程度上降低了高光谱 遥感数据在水质监测中的成本,在提高水质遥感监 测精度的同时提高了其实用性。 星上专门针对海洋水色遥感的传感器,波谱范围 412~1 050 用来完成精确的大气校正,这就大大的提高了水 质参数的反演精度。 ,它具有较高的时间分辨率(一天可以接受两次 多光谱数据)、辐射分辨率(12 多达36个波段的光谱数据,因此成为内陆 较大水域水质遥感监测最有潜力的遥感数据源之 一。 100 了直接量测大气散射和吸收的检测器,可能发展 合适的大气纠正模型进行精确的大气纠正。 综上所述,M/卫星传感器具有较高的空 间分辨率(20~30但时间分辨率较低(15 ~30 d),难以形成有效的实时监测,实用性受到很 大的限制。星载高光谱传感器机载高光谱传感器I— 为水质参数反演提供了较为精细的光谱分 辨率(10 但高光谱传感器信噪比一般较 低,刈幅较窄(如 难以满足 湖泊水体污染监测的实际需求,因此水质参数反演 要求传感器同时具有较高的光谱分辨率、空间分辨 率和时间分辨率来准确获取湖泊水体水质参数的 光谱特征。综合考虑湖泊水体的特征、环境和实际 监测要求,需研制一个专门的湖泊水质遥感传感 器 。 我国的环境与灾害监测预报小卫星(A、已经成功发射升空,携带的光学传感器具有高空间 分辨率(20~30 m)、高时间分辨率(2 d)、高光谱分 辨率(o.45~0.95 及宽观测幅宽(720 性能,将有效提高水体 水质遥感反演的能力和水平。 4存在问题 基于遥感影像的水质参数反演研究已经有了 长足的进步,并为水质监测和管理做出了巨大贡 献,节省了大量人力、物力和财力。综上所述,基础 研究仍然不充分,尚有很多问题存在: 1)分辨率问题,多光谱数据有较高的空间分 辨率,但光谱分辨率较低;而高光谱数据虽有较高 的光谱分辨率和空间分辨率,但刈幅较窄,且多光 谱数据和高光谱数据均时间分辨率较低,因此需要 一个兼具高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分 辨率的传感器。 2)大气校正模型问题,通常大气校正使用已 有的大气校正模型(6S、),利用标准大气剖面数据,估算出大气的影响, 然后剔除。但由于标准大气剖面数据是一种平均 状态数据,与卫星过境实时大气剖面数据有很大差 异,并且不同地区的大气剖面状态不同 ,因此, 大气校正已成为利用遥感影像高精度提取湖泊水 质参数的关键。 3)底质的反射问题,浅水湖 白底质对水体的 离水辐射有一定的贡献,需要确定湖底底质的组 成,测量不同物质组成的底质反射率,以校正水体 的离水辐射。 4)相对于海洋等大型水体,内陆湖泊等水质 成分复杂,多较浑浊,监测的水质参数少、难度大且 精度不理想。 5)水华现象对水质参数反演影响,传感器所 获得的反射光谱包含水体中多种物质的综合信息, 尚不能精确确定各组分对辐射值的单独贡献,加之 第1期 王林等:基于遥感技术的湖泊水质参数反演研究综述 ·6l· 水华的影响,使传感器接收到的信息更加复杂。 6)虽然现在已经建立起较高精度的水质参数 反演模型,但是这些模型仅适用于宏观的水质评 价,仍不能替代精确的现场水质观测。由于自然地 理环境差异和水环境的不同,模型具有局部性、地 方性、季节性,适应性和可移植性性差,通过反演模 型得到的结果仍需要大量的实测数据进行校验。 5 结 论 遥感反演方法在水质监测中展示了巨大应用 潜力和常规方法所不具有的优势,但随着遥感技术 的发展,反演算法进一步优化,影像分辨率进一步 提高,反演的参数越来越丰富,然而针对目前存在 的问题,仍需要加强以下几方面的研究: 1)深入研究水质反演参数的光谱特性及光谱 分析技术,加强除主要水质参数以外的其它非光学 活性参数的研究,以增加水质反演的种类。 2)加强以生物光学模型为基础的水质参数反 演理论研究,特别是对水质参数的内在光学特性与 表面反射率或离水辐亮度之间理论关系的研究,为 成功利用生物光学模型进行水质参数反演打下基 础。 3)发展简单有效的大气校正方法,相对于陆 地,水体的反射率较低,要建立不受时空限制的水 质参数反演算法,精确的大气校正方法已必不可 少。 4)改进反演方法和技术。水质参数反演的精 度一定程度上受到建模方法和技术的影响。改进 建模方法,可充分挖掘水质参数的信息,进一步提 高水质遥感的监测精度,同时应开始致力于发展没 有时间和空间特殊性的水质反演模型。 5)充分利用微波遥感的特点,与可见光遥感 相结合进行水质反演。微波遥感具有不受天气影 响的优势,因此应加强微波遥感对水质监测的机理 研究,建立可行的微波遥感水质反演模型。 6)深入发展高光谱技术,采用多种遥感数据 相结合,综合利用3分发挥 理、分析遥感数据和力,以帮助提高水质参数的反演精度。 7)研究利用新型遥感数据进行水质定量监测 的关键技术和方法,形成一个标准化的水安全定量 遥感监测技术体系,针对不对类型的水体,建立多 种遥感反演算法,实现向定量遥感的跨越。 参考文献 [1]祝令亚.湖泊水质遥感监测与评价方法研究[D] 北 京:中国科学院遥感应用研究所,2006. 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(下转第72页) · 72 · 全球定位 系 统 第38卷 ’ (1.66590,.66590,.66590,is to in of O PS is of PS NS,he PS on PS;NS;上接第61页) 作者简介 王 林 (1977一),男,助理工程师,主要从 事测绘工程的工作。 白洪伟 (1987一),男,助教,硕士,主要从事 31.34000,2.34000,of is of at of or an to e— of he of on of is in
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