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水库水体叶绿素a光学性质及浓度遥感反演模式研究

作　者: 周方方
导　师: 周斌
学　校: 浙江大学
专　业: 农业遥感与信息技术
关键词: 青山水库叶绿素a浓度光学性质遥感反射率吸收系数遥感反演模型
分类号: S127
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本研究以杭州地区代表性水库青山水库为研究对象,根据蓝藻水华形成的不同时期及卫星观测时间,通过野外实验观测,获取了水体表观光学参数、固有光学参数以及组分浓度数据；研究了青山水库水体中各组分光学性质的季节差异性变化规律,并对青山水库水体光谱反射率信息变化的原因进行了分析；结合目前水体生物光学理论的成熟模型,以实测高光谱数据和环境一号卫星影像数据为基础,构建了具有较高精度的水体组分浓度遥感反演模型。本研究结果将有益于水库水体中叶绿素a等水色组分浓度的遥感反演模型的发展,使之更好地服务于水环境遥感监测的需要。本文的主要研究内容与结果包括：(1)实地光谱测量与实验室吸收测量研究。实地光谱测量采用NASA海洋光学测量规范推荐的水面之上光谱测量法,分别测量标准板、水面和天空光的辐照度,计算水面之上遥感反射率。实地采集水样带回实验室进行水体组分吸收光谱测量,颗粒物的吸收光谱测量采用定量滤膜技术,黄色物质的吸收系数通过分光光度计测量滤液的光衰减来近似计算,同时测量水体组分浓度。(2)水体组分光学性质季节差异性研究。不同时期测量的水体反射率变化较大,藻类特征较显著。675nm附近叶绿素a的吸收峰和700nm附近叶绿素a的荧光峰在遥感反射率光谱上特征明显,但不同时间测量的遥感反射率值大小不同。由悬浮颗粒物引起的810nm附近的反射峰是水体悬浮无机质存在的重要光谱特征,不同时间测量的810nm反射峰高度基本一致。不同时期测量的水体组分的吸收系数差异较大,其吸收特性表现出明显的季节差异性。颗粒物吸收类型分为两种,一是在蓝绿光波段颗粒物吸收光谱中非色素颗粒物吸收占主导,颗粒物吸收光谱曲线与非色素颗粒物相似,即随着波长的增大其吸收系数而减小,但在红光波段(650-700nm)颗粒物吸收光谱以色素颗粒物吸收占主导,特别是675nm附近具有明显的叶绿素a吸收峰；二是颗粒物吸收光谱中色素颗粒物吸收占主导,颗粒物吸收光谱曲线与色素颗粒物相似,在440nm和675nm具有明显的叶绿素a吸收峰。CDOM吸收光谱随着波长的增加呈指数规律衰减,在长波700nm左右趋向于零,不同时期测量的CDOM吸收光谱的差异主要表现在短波段,但是差异不大。(3)水体组分浓度遥感反演模型研究。分别以实测高光谱数据和环境一号卫星影像数据作为基础,利用实测光谱数据和叶绿素a浓度数据建立分析数据集,通过对光谱数据进行微分、归一化等处理,分析叶绿素a浓度与遥感反射率之间的相关关系,选择相关系数较高的波段作为敏感波段建立统计回归模型。结果表明：基于归一化遥感反射率波段组合比值建立的模型,其拟合精度高于单波段,特别是波段比值R702/R674,其拟合效果最好；基于一阶微分遥感反射率单波段建立的模型,其拟合精度高于波段比值,其中R648的拟合效果最好。同时,以三波长因子模型为理论基础,建立基于实测光谱数据的三波长因子反演模型。根据迭代结果,三波长因子模型反演叶绿素a浓度的三个最优波段λ1、λ2、λ3分别为680nm、697nm和724nm。利用环境一号卫星影像数据,经过几何校正、大气校正等处理,分析叶绿素a浓度、悬浮物浓度与卫星数据遥感反射率之间的相关关系,建立遥感反演模型。结果表明：悬浮物浓度与反射率的相关性较大,而由于采样时间等客观原因,叶绿素a浓度相关性较小,所以最后选择环境卫星数据遥感反射率波段组合(band2/band3)用来建立悬浮物浓度的反演模型,并将模型运用到环境一号卫星遥感影像中进行悬浮物浓度反演,在ArcGIS软件中根据悬浮物浓度进行分级制图。

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致谢 6-7摘要 7-9Abstract 9-12目录 12-15图目录 15-18表目录 18-20第一章绪论 20-30 1.1 选题背景与研究意义 20-22 1.2 国内外研究进展 22-26 1.2.1 国内外研究现状 22-24 1.2.2 存在问题分析 24-26 1.3 本文研究思路与研究内容 26-29 1.3.1 主要研究思路 26-28 1.3.2 各章研究内容 28-29 本章小结 29-30第二章水色遥感的理论基础 30-50 2.1 水色遥感的原理 30-38 2.1.1 水体分类 30-32 2.1.2 水色遥感物理量 32-34 2.1.3 水体辐射传输过程 34-38 2.2 水色遥感反演模式 38-44 2.2.1 经验统计模式 38-40 2.2.2 理论分析模式 40-42 2.2.3 半经验半分析模式 42-44 2.3 水色遥感常用传感器 44-48 2.3.1 水色卫星传感器 44-48 2.3.2 其它卫星传感器 48 本章小结 48-50第三章研究区概况与数据采集 50-74 3.1 研究区概况 50-53 3.1.1 自然背景特征分析 50-52 3.1.2 水库周边排污状况 52-53 3.2 水体光谱测量 53-61 3.2.1 两种现场水体光谱测量方法 53-54 3.2.2 光谱仪水面之上测量法 54-61 3.3 水体吸收系数测量 61-71 3.3.1 实验室吸收测量基本原理 62-63 3.3.2 样品制备与测量步骤 63-69 3.3.3 测量与计算过程中应注意问题 69-71 3.4 水体组分浓度测量 71-73 3.4.1 悬浮物浓度测量 71-72 3.4.2 叶绿素浓度测量 72-73 本章小结 73-74第四章水体组分光学性质季节差异性分析 74-96 4.1 研究区水面光谱测量数据分析 74-77 4.1.1 遥感反射率 76-77 4.1.2 光谱特征分析 77 4.2 研究区水体组分吸收光谱特性季节差异性分析 77-94 4.2.1 研究区水体组分吸收系数计算 78-81 4.2.2 水体总吸收特性季节差异性 81-82 4.2.3 总颗粒物吸收特性季节差异性 82-85 4.2.4 色素颗粒物吸收特性季节差异性 85-88 4.2.5 非色素颗粒物吸收特性季节差异性 88-91 4.2.6 CDOM吸收特性季节差异性 91-94 本章小结 94-96第五章水体叶绿素a浓度遥感反演模型 96-120 5.1 基于实测高光谱数据的叶绿素a浓度反演 96-111 5.1.1 建立遥感反演数据集 96-98 5.1.2 叶绿素a浓度遥感反演统计回归模型 98-106 5.1.3 叶绿素a浓度遥感反演三波长因子模型 106-111 5.2 基于环境一号卫星数据的水体组分浓度反演 111-117 5.2.1 卫星影像数据的获取及处理 111-114 5.2.2 基于环境一号卫星数据的遥感反演模型 114-117 本章小结 117-120第六章结论与展望 120-126 6.1 主要结论 120-122 6.2 展望 122-126参考文献(Reference) 126-136附录 136-140作者简历及在学期间所取得的科研成果 140

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