入海河流是陆源污染物向海洋输送过程的关键环节, 其富营养化对区域生态环境及人类生活安全构成严重威胁。 由于习近平生态文明思想的深入贯彻, “河长制”、 “湾长制”等管理制度的广泛推行, 以及污染防治攻坚战的全面打响, 入海河流与近岸海域的水质状况得到稳步改善, 但仍存在波动, 污染防治形势依然严峻, 实时有效的大范围遥感监测能力亟待加强。 随着近年来高分卫星与无人机遥感技术的迅速发展, 如何将定量遥感技术应用于河流水体的生态环境要素监测, 从而推进污染防治水平进一步提升已成为该领域研究热点。 基于2022年6月期间在连云港境内蔷薇河、 临洪河、 古泊善后河及灌河获取的叶绿素a、 总磷、 总氮浓度等实测数据, 并采用Sentinel-2A MSI L2A卫星影像, 开展了连云港主要入海河流叶绿素a及综合营养状态指数［TLI(Σ)］遥感定量反演研究。 结果表明, 叶绿素a浓度、 综合营养状态指数与可见光波段反射率的相关性明显高于其他波段, 尤以490、 560、 665 nm三个波段最佳, 其中R(λ)与Chl a的相关系数分别为-0.697、 -0.681、 -0.693, R(λ)与TLI(Σ)的相关系数分别为-0.728、 -0.744、 -0.706, 可作为建模的敏感波段； 经反演模型的精度对比发现, 以R(665)为自变量, 在叶绿素a浓度对数坐标下的乘幂模型为其遥感定量反演的最优模型(R2=0.67, MAPE=47.34%, RMSE=12.89 μg·L-1), 而以R(560)为自变量的乘幂模型是综合营养状态指数遥感定量反演的最优模型(R2=0.61, MAPE=4.36%, RMSE=3.45)； 将最优模型应用于2022年6月25日Sentinel-2A MSI L2A影像, 得到连云港主要入海河流叶绿素a浓度和综合营养状态指数的空间分布结果, 发现蔷薇河/临洪河、 古泊善后河及灌河均处于富营养化状态, 叶绿素a浓度和综合营养状态指数均以蔷薇河/临洪河最高, 古泊善后河次之, 灌河最低, 且河流上游反演结果普遍高于下游。
叶绿素a 综合营养状态指数 遥感定量反演 入海河流 连云港 Chlorophyll a Trophic level index Remote sensing quantitative retrieval Seagoing rivers Lianyungang 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3314
进行海洋水体悬浮颗粒物的空间分布及粒径构成对后向散射特性变化影响, 研究对于加深水体散射性质的认识、 提高水色遥感反演参数的精度及海洋环境监测等具有重要意义。 结合渤海海域2017年6月、 9月的现场数据, 获得了夏季、 秋季各站位总悬浮颗粒物浓度(SPM)、 颗粒粒径以及后向散射系数等参数并进行研究。 结果表明, 后向散射系数bbp在可见光波段随波长的增加而减小; 同时, 夏季和秋季, 大多数站位bbp(550)的变化趋势与SPM的变化趋势基本一致; 在进行两者之间的相关性研究时发现, 相关系数R2并不高, 仅为0.24。 该研究还建立了平均粒径(DA)、 中值粒径(D50)与bbp的关系, 得出DA与bbp呈线性关系, 受季节及水体颗粒构成的影响, 夏季, 水体颗粒物以小颗粒为主, 两者之间的相关性高于秋季, 两个季节的R2分别为0.7和0.3; 同时得出当水体以小颗粒为主时, bbp随DA增大而增大, 以大颗粒为主的时, bbp随DA增大而减小。 D50与bbp的关系则不同, 两者之间呈现非常好的幂指数关系, 在同一季节里, bbp均随着D50的增大而减小, 即水体中颗粒物粒径越小, 其后向散射系数越大, 夏季和秋季两者之间的相关系数分别为0.66和0.5; 并且发现如果不分季节差异, 现场水体颗粒物的粒径构成对bbp的影响很难确定。
近岸水体 总悬浮物浓度 颗粒粒径 后向散射特性 Coastal water Total suspended particulate concentration Particle size Backscattering properties
中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580
高光谱数据信息量丰富, 波段数量多, 能够为地物分析提供更全面的依据, 但同时也增加了数据分析的复杂性和干扰性, 尤其是水质遥感监测等低信噪比的应用领域。 传统波段选择常借助相关性系数等方法, 在众多光谱波段中选择标识波段, 并在所选波段集合上进行数据分析。 基于约束能量最小化(CEM)从信号检测角度提出了一种面向目标向量的波段选择算法——基于CEM的波段选择算法(CBS), 采用信号匹配滤波器从观测向量中找出与目标向量匹配度高的波段, 结合正交原理, 最大程度地选出与目标向量匹配度高且波段向量冗余度低的波段子集。 以水质监测中的成分测定作为验证, 采集辽河入海口试验区的高光谱数据, 结合同步实地水样数据进行建模, 预测辽河水域氮磷含量。 比较CBS算法的波段选择结果和皮尔逊相关系数(PCC)波段选择结果, 将两种方法得到的显著性波段子集作为变量进行逐步回归分析, 建立多元回归模型, 进一步对模型进行精度检验, 分析其预测值与真实值的平均相对误差。 总磷浓度模型的精度检验中, 通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为20.7%, 而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为8.17%; 总氮浓度模型的精度检验中, 通过PCC算法选择波段得到的模型平均相对误差为16.8%, 而通过CBS算法选择波段得到的模型平均相对误差为12.4%。 数据分析的结果表明, CBS算法得到的波段子集, 在氮磷浓度反演的能力上, 优于传统基于相关系数的选择方法。
高光谱遥感 波段选择 水质监测 Hyperspectral remote sensing Band Selection Water quality monitoring 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3778
1 中国石油大学(华东), 山东 青岛 266580
2 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
针对光学遥感手段无法探测云雾覆盖下绿潮分布区域这一现状问题, 本文着力于开展绿潮时空分布的监测研究, 获取了近三年五月中旬到八月中旬的GOCI(geostationary ocean color imager)数据, 基于该数据进行绿潮范围提取、绿潮漂移路径分析、精细化云区域提取和统计云覆盖情况, 分析云量覆盖对利用静止轨道卫星监测绿潮的影响程度, 进而从探测能力和动态能力两方面论证利用静止轨道卫星开展绿潮业务化监测的可行性。
绿潮 云量 探测能力 动态能力 green tide GOCI GOCI cloud cover detecting ability dynamic capabilities
1 大连海事大学环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116026
2 国家海洋环境监测中心海域监管中心, 辽宁 大连 116023
3 沧州职业技术学院信息工程系, 河北 沧州 061001
浮游藻类细胞内的叶绿素分子吸收光能后, 会以释放能量的形式发射叶绿素荧光。 水中颗粒物的弹性散射光是部分偏振光, 而叶绿素荧光则是非偏振光, 因此利用这一特性可以从总散射光谱中分离出荧光, 从而达到反演叶绿素浓度的目的。 但对于近岸等复杂水体, 该方法能否适用并不清楚, 基于此, 实验通过测量分别分析了不同无机颗粒物浓度和叶绿素浓度对偏振分离方法的影响。 结果表明, 对含不同浓度无机颗粒物的藻类水体, 分离出的荧光峰会随浓度增加有降低趋势, 但是当颗粒物浓度达到300 mg·L-1时, 反演结果仍然可靠。 对含不同浓度叶绿素的藻类水体, 叶绿素浓度越高, 偏振方法分离荧光的效果越好, 对低浓度正常水体, 仍能识别。 实验证明了利用偏振方法分离叶绿素荧光对复杂水体仍然有效, 对进一步遥感探测近岸水体的叶绿素浓度具有重要意义。
偏振技术 叶绿素荧光 无机颗粒物 散射光谱 Polarization technique Chlorophyll fluorescence Inorganic particles Scattering spectra
有色溶解性有机物(CDOM)近紫外区吸收光谱包含CDOM 分子结构、 组成等重要理化信息. 利用2009年3月黄海北部海域CDOM吸收系数的实测数据, 分析了该海域CDOM近紫外区的吸收光谱特性, 结果表明： 由于近岸陆源输入的影响, 黄海北部海域CDOM构成差异较大, 属于典型的二类水体; 特定拟合波段范围的光谱斜率及特定波段处的吸收系数对CDOM分子量相对大小均具有一定的指示作用, 250～275, 350～400, 300～350, 275～300 nm波段的光谱斜率Sg,250～275, Sg,350～400, Sg,300～350, Sg,275～300与CDOM分子量相对大小指示参数M值的相关性依次递增, 最高可达0.95, 吸收系数ag(λ)与M值的相关性随波长增大逐渐变大, 400 nm波段处相关性可达0.92; 光谱斜率与吸收系数存在相关性与否由光谱斜率拟合波段范围及吸收系数获取波长共同决定, Sg,275～300与ag(400)的相关性最大, 可达0.87.
有色溶解性有机物 近紫外区 吸收系数 光谱斜率 Chromophoric dissolved organic matter Near ultraviolet region Absorption coefficient Spectral slopes 光谱学与光谱分析
2010, 30(12): 3379
