基于光譜確定因子的太湖水體組分濃度實測高光譜提取模型研究.pdf

1、本研究以典型的大型淺水內陸富營養(yǎng)化湖泊-太湖為研究對象,通過多年的野外實驗觀測,系統(tǒng)地研究了太湖水體中各組分固有光學量的變化規(guī)律,研究揭示了太湖水體光譜反射率信息變化的內在機制,并在此基礎上提出能充分蘊含水體組分濃度信息的光譜確定因子,進而,結合高級機器智能建模方法開發(fā)了具有較高預測精度和通用性的水體組分濃度遙感提取模型,這將促進混濁復雜湖泊水體組分含量的遙感提取模型的發(fā)展,使之更好地服務于水環(huán)境遙感監(jiān)測的需要。
　　 基于對太

2、湖水體固有光學量的多次測量,研究分析了水體各組分的吸收特性、散射特性、后向散射特性等,得到以下主要結論:
　　 (1)在藍光、LIV-A、UV-B和UV-C波段,CDOM吸收具有不同的光譜斜率參數(shù)SCDOM變化,SCDOM在不同季節(jié)變化呈現(xiàn)出從長波到短波方向越來越趨于穩(wěn)定；通常情況下,夏季水體的CDOM吸收系數(shù)要顯著的高于春、冬兩季。在藍、綠和紅光的中心波長,非色素顆粒物吸收系數(shù)的季節(jié)差異表現(xiàn)出較好的一致性,即均表現(xiàn)為:冬季>春

3、季>夏季；SNAP平均值為(0.0065±0.0009)nm-1,低于開闊大洋水域和清澈湖水。浮游植物的光譜吸收峰值在不同季節(jié)之間的變化明顯,且光譜吸收峰值與色素濃度之間存在較好的回歸關系,同時提出利用二階函數(shù)可以高精度的模擬太湖水體浮游植物的吸收光譜。CDOM的吸收貢獻在各季節(jié)均維持在較低的水平,浮游植物和非色素顆粒物是吸收的主要貢獻者。
　　 (2)對于總懸浮顆粒物散射系數(shù)的光譜模型構建,研究表明冪函數(shù)模型為最佳方法,并提出

4、其光譜斜率參數(shù)為-0.729；同時發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物的衰減系數(shù)、后向散射系數(shù)和后向散射率光譜也可通過冪函數(shù)進行較高精度的模擬。與其它水體組分濃度相比,無機懸浮顆粒物(ISM)與散射參數(shù)bp、bbp和6bD具有更為密切的關系,意味著ISM是水體散射變化的重要主導因素。太湖水體中參數(shù)bpm在0.14～1.57m2g-1范圍內變化,具有比其它水體更大的變化幅度,這是與太湖水體中OSM和ISM濃度分布的較大差異性是一致的；然而,從折射指數(shù)(n)p

5、和粒徑大小分布參數(shù)ζ的變化上可以推斷出太湖水體懸浮顆粒物的組成和粒徑變化并不大,(n)p的變化范圍為1.02～1.17,ζ的變化范圍為3.7～4.5。在整個可見光范圍,太湖水體浮游植物對總懸浮顆粒物散射的平均貢獻率通常低于10％,而非色素顆粒物的平均貢獻率則在90％以上；同時,浮游植物對水體總后向散射的貢獻非常微弱,在整個光譜范圍內的樣本平均bbph/bbt的變化在0.3％-3.9％之間；由此,在太湖水體中近似的關系bbt≈bbp≈bb

6、唧被認為是合理的。
　　 在充分了解太湖水體固有光學量變化規(guī)律的基礎上,以水色遙感生物光學模型為理論背景,研究提出:(1)太湖水體中Chla濃度的光譜確定因子由[Rrs-1(661)-Rrs-1(691)]Rrs(727)、[Rrs-1(661)-Rrs-1(691)]Rrs(750)和[Rrs-1(664)-Rrs-1(690)]Rrs(798)組成；(2)總懸浮顆粒物濃度的光譜確定因子由Rrs(725)、Rrs(730)、R

7、rs(735)、Rrs(810)、Rrs(815)和Rrs(820)組成。在此基礎上,嘗試多種數(shù)學建模方法,結果表明通過支持向量機方法開發(fā)的水體組分濃度遙感提取模型具有最優(yōu)性能。對于Chla濃度,模型的決定系數(shù)R2為0.896,訓練樣本預測的均方根誤差RMSE為2.67mg m-3；對于總懸浮顆粒物濃度,模型的決定系數(shù)R2為0.968,訓練樣本預測的均方根誤差RMSE為4.7mgl-1。同時,利用太湖水體同期和異期驗證樣本對模型進行驗證