水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础, 水体固有光学量由水体组成决定, 与水体表面光场无关。 基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果, 但是缺乏物理意义; 基于生物光学模型的分析算法, 针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、 空间分布异质性强、 水体细小、 流动性大等特点, 利用高光谱数据, 研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型, 对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。 提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法, 以获取水体固有光学量, 改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面; 计算参考波段总吸收系数、 颗粒物后向散射系数等固有光学量, 得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数; 对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析, 构建叶绿素a水质浓度反演模型, 对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析, 构建悬浮物水质浓度反演模型。 针对内陆河网Ⅱ类水体, 以典型的河网城市嘉兴市为研究区域, 获取了研究区域航空高光谱数据, 以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据; 利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演, 对比分析两个算法并结合城市河网水体特点, 提出改进QAA算法; 利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演, 基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型, 反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71; 并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据, 对反演结果进行验证分析。 通过水质参数浓度反演值与实测值的对比, 叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%, 反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图, 也与城市河网的特点和实际情况相符, 为城市河网水质监测提供方法和模型参考。

城市地表水是城市生态环境的重要组成部分, 地表水环境高光谱遥感是高光谱遥感的重要应用方向, 水体提取是地表水环境高光谱遥感的第一步, 其主要任务是从高光谱遥感数据中提取地表水水体轮廓。 基于光谱指数的水体提取方法充分利用光谱信息, 计算简单, 实现容易, 提取效果优异。 归一化植被指数(NDVI)、 归一化水体指数(NDWI)、 高光谱差异化水体指数(HDWI)和基于指数的水体指数(IWI)等光谱指数已经广泛应用于湖泊、 大江大河等开阔水体提取。 近些年来, 随着成像光谱技术的发展, 高光谱遥感数据的获取能力也突飞猛进, 空间分辨率和光谱分辨率不断提高。 与江河湖基本在流域内沿地形分布不同, 城市地表水一般细小, 纵横交错, 形成河网。 在高光谱遥感数据用于城市体表水提取时, 其面临的图像空间分辨率、 地物类型和地物复杂等, 与江河湖水体提取有很大不同。 因此, 需要对这些常用的光谱指数在城市地表水提取中的适宜性进行评价。 以此做为出发点和目标, 以河网密布的江南水乡中国浙江省嘉兴市为研究对象, 以应用型航空成像光谱仪(Airborne imaging spectrometer for applications, AISA)获取的高空间分辨率机载高光谱遥感数据为数据源, 通过Youden指数确定最佳阈值, 将总体分类精度、 错分误差、 漏分误差、 Kappa系数作为衡量指标, 分析评价了NDVI, NDWI, HDWI和IWI 4种光谱指数在城市河网提取中的适宜性。 结果表明, 阴影与水体光谱变化趋势类似, 是造成水体提取过程中高错分误差的主要因素。 四种指数都可以准确抑制落在植被中的阴影, 但无法有效抑制落在建筑物中的阴影。 HDWI虽然可以在一定程度上抑制建筑物中的阴影, 但是无法有效地抑制亮建筑物背景。 通过对不同类型水体和阴影(笼罩下地物)光谱的进一步分析, 虽然水体和阴影光谱曲线变化趋势相似, 均在560～600 nm附近存在波峰, 但是水体和阴影波峰高度存在差异, 水体波峰值较大而阴影波峰值较低。 因此, 通过充分挖掘水体和阴影在560～600 nm处光谱反射信息, 有望进一步抑制建筑物阴影, 提高城市河网水体提取精度。