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太湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演

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太湖 水体 典型 水质 参数 光谱 遥感 反演
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J. 湖泊科学), 2009, 21(2): 182@2009 湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演*张 兵1, 申 茜2, 李俊生1, 张 浩2, 吴 迪1(1: 中国科学院对地观测与数字地球科学中心, 北京100080) (2: 中国科学院遥感应用研究所, 北京100101) 摘 要: 以富营养化污染严重的太湖为研究区, 设计并实施了2次太湖航空遥感综合实验, 获取了太湖7条航带、冬夏两个时相的航空高光谱遥感图像; 通过 6 次太湖地面试验, 采集了多时相的太湖水体固有光学量和表观光学量数据, 分析了它们的空间分布规律, 建立了单位固有光学量数据库; 面向叶绿素、悬浮物和黄色物质3种典型水质参数, 发展了基于生物光学模型和单位固有光学量数据库的水质参数反演分析方法; 利用航空高光谱遥感器获得了 关键词: 太湖; 水质参数; 高光谱遥感; 分析方法; 固有光学量; 表观光学量 of of : 00080, (2: 00101, in to be of in of of on to To HI to 陆水体光学特性复杂, 它不仅受浮游植物的影响, 而且还受到无生命悬浮物和黄色物质的影响, 在水比较浅的情况下, 还要考虑水底物质对水体光学性质的影响[1 与已经步入实用化阶段的海洋水色遥感相比, 内陆水体的遥感监测始终是一个难点[3]. 常规的宽波段多光谱遥感数据无法捕捉内陆水体复杂多变的光谱特征, 因而利用宽波段多光谱遥感数据监测内陆水质参数的精度往往不高. 而光谱分辨率达到 10的高光谱遥感数据能够捕捉到复杂多变的内陆水体的光谱特征, 从而可以提高内陆水质监测的精度[2,4]. 因而, 高光谱遥感为发展高精度的水质参数遥感反演模型带来了契机, 在内陆水体水质监测中具有非常重要的意义. 水质参数遥感反演通常有3种方法, 即经验方法、半经验方法和分]. 经验/半经验方法是通* 中国科学院国63 007200820081969研究zb@ 张 兵等: 太湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演 183可重复性难分具有,5 分]. ], 可能 为了提高内陆水质监测的精度, 以在浮物和黄色物质 1 数据获取和分析 验设计与实施 实验数据 of 个水水水体水水SD R(波长范围 350 长范围350 2 水进而利用电子利用岛津 分光光度a 浓度; 1]. 波段数124; 光谱分辨率≤5 总视场角为42°. 根据 覆盖了水其中在在 水面光谱测量 水体采光谱 遥感图像 太浮浮物、色物质叶绿素a, 遥感反实验面测量实验 空学 J. 湖泊科学), 2009, 21(2) 184 of 为了分在利用两台靶标用在 首先然后分别在2006年1月、2006年7月、2006年10月、2007年1月和2007年4月开展了5其中, 2006年1月9日和2006年7月31日在 湖水体光学特性分析 有光学特性分析 在5: 收)、总悬浮物吸收)、非色)、光束衰减). 利用)和总悬浮物散). 5)、)、)和)的均值如 从浮游植物吸收在春夏秋与符非色在春夏秋与非色收总悬浮物散在春夏秋与总悬浮物浓度成正比, 总悬浮物浓度 位固有光学特性分析 水体各组分的吸收和散在]. 浮游植物 兵等: 太湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演 185吸收a’))的光谱形状比较复杂, 一75来)的大小. 非色a’d(λ))可以用负指数模型a’d(λ)=a’d(λ0) . 5 )经常用负指数来拟a’)=[14]. 5悬浮物b’p(λ))可以用负指数模型b’p(λ)=b’p(λ0) . 此外, 5 )、)、)和)的均值 of ), ), ) ) in 单位固有光学量数据库 在 对据根据 个分别是梅梁湾、d(440)、b’p(440a’75a’)/a’75 利用a’d(λ)、a’)、b’p(λ)和a’). 此外 利用)相). )/75而其因此据 个其中 1 个)/75 2个 观光学特性分析 内陆水体而 分别是570325278003207831其中, 570和700 J. 湖泊科学), 2009, 21(2) 186 溶胶类型计算 利用实验数据因此 个组分(溶性例因子分别为: x、y、1在2006年1月和7月根据波段的反利用6x、y、15]. in 溶性洋性 0 2 水质参数反演分析方法构建 类: ]. 6], 对经验而且, 对有时无法从而非], 进一步反演水质参数的浓度时与从而而是 从而提高了水质监测方法的提高了水质参数反演精度. 在此对生物光学模型进它因而 阵反演方法 内陆水体中最常用的生物光学模型如下所示[5]: (0 )( )() ()=+(1) 其中, R(0-)是 (0-)用遥感反 (1 ( )) * (1 ( )) /−in 张 兵等: 太湖水体3种典型水质参数的高光谱遥感反演 187bw bp p '()() '() '() ' () ( ) () '()a λλλ λ+++ ++) 其中, θr(θv)是水θr(θs)是气悬浮物后 参数, 分别是 0)、f/Q. 如f、Q 的值可以方0)3种水质参数是从而利用3个和3个以7 线性优化法 如水、模型f 体气状况在不9]. 利用经验 为了提高水质监测的精度, )中的 4 个参数 0)和f/利用4个以), 利用非 数法 在利用水体减小从而可以利用一个 利用750色 色而且因而可以此时方)可以bp p )()() '()) 其中, )为 ()(1 ( ))(1 ( )) /−(4) (1)近方)中, 利用2个波段的数据0]: w 1 p 2 w 2 p 1p 1 p 2 () ()'() () ()'()'( ) '( )( ( ) ( ))λ λλλλ λ−=−) (2)近
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