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1 J. Lake Sci.( 湖 泊 科 学 ), 2009, 21(2): by Journal of Lake Sciences * 太 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: 中 国 科 学 院 对 地 观 测 与 数 字 地 球 科 学 中 心, 北 京 ) (2: 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所, 北 京 ) 1 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 WHI 图 像 和 航 天 高 光 谱 遥 感 器 CHRIS 图 像 对 这 些 方 法 进 行 了 检 验, 获 得 了 较 好 的 水 质 参 数 图 像 反 演 结 果. 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 Retrieval of three kinds of representative water quality parameters of Lake Taihu from hyperspectral remote sensing data ZHANG Bing 1, SHEN Qian 2, LI Junsheng 1, ZHANG Hao 2 & WU Di 1 (1: Center for Earth Observation and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing , P.R.China) (2: Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing , P.R.China) Abstract: Lake Taihu, which has been in serious eutrophic pollution status, was selected to be the study area. In Lake Taihu, two-time experiments of airborne hyperspectral remote sensing were carried out, covering seven airborne strips over Lake Taihu in both winter and summer. Besides of the two times of experiments, the in-situ inherent and apparent optical properties of Lake Taihu water were measured and analyzed for additional four times. The specific inherent optical property database of Lake Taihu was built. Based on the database and bio-optical model, analytical approaches were developed to retrieve chlorophyll, total suspended matter, and yellow substance. To validate these analytical approaches, airborne hyperspectral remote sensor WHI image and spaceborne hyperspectral remote sensor CHRIS image were used to retrieve water quality parameters, and the results were good. Keywords: Lake Taihu; water quality parameters; hyperspectral remote sensing; analytical approach; inherent optical property; apparent optical property 内 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 [1-2]. 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 10nm 级 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 析 方 法 [5]. 经 验 / 半 经 验 方 法 是 通 * 中 国 科 学 院 知 识 创 新 重 大 项 目 (KZCX1-YW-14-2) 和 国 家 863 项 目 (2007AA12Z138) 联 合 资 助 收 稿 ; 收 修 改 稿. 张 兵, 男, 1969 年 生, 博 士, 研 究 员 ; [email protected].

2 张 兵 等 : 太 湖 水 体 3 种 典 型 水 质 参 数 的 高 光 谱 遥 感 反 演 183 过 建 立 遥 感 数 据 与 同 步 水 面 监 测 数 据 之 间 的 统 计 关 系 得 到 的, 由 于 每 次 实 验 条 件 和 环 境 影 响 因 素 都 有 些 差 异, 基 于 统 计 的 相 关 性 模 型 常 常 不 稳 定, 可 重 复 性 差, 难 于 对 比 和 推 广. 分 析 方 法 基 于 水 中 光 辐 射 传 输 机 理, 具 有 明 确 的 物 理 意 义, 算 法 的 普 适 性 也 更 好, 代 表 了 水 质 遥 感 监 测 模 型 算 法 的 发 展 趋 势 [2,5-6]. 目 前, 分 析 方 法 主 要 包 括 代 数 法 矩 阵 反 演 法 和 非 线 性 优 化 法 [7]. 矩 阵 反 演 法 以 水 体 的 单 位 固 有 光 学 量 作 为 输 入 参 数, 单 位 固 有 光 学 量 经 常 取 常 数 [8], 这 会 带 来 误 差. 代 数 法 和 非 线 性 优 化 法 一 般 都 要 建 立 水 质 参 数 和 水 体 固 有 光 学 量 之 间 的 经 验 关 系 [9-10], 这 一 方 面 带 来 了 误 差, 可 能 降 低 水 质 参 数 反 演 的 精 度, 另 一 方 面 方 法 建 立 中 使 用 的 经 验 关 系 一 般 也 不 具 有 区 域 和 季 节 上 的 适 用 性. 为 了 提 高 内 陆 水 质 监 测 的 精 度, 本 文 以 高 光 谱 遥 感 数 据 为 数 据 源, 以 富 营 养 化 污 染 严 重 的 太 湖 为 研 究 区, 在 获 取 并 分 析 太 湖 水 体 固 有 光 学 特 性 和 表 观 光 学 特 性 的 基 础 上, 针 对 叶 绿 素 悬 浮 物 和 黄 色 物 质 三 种 典 型 水 质 参 数, 建 立 基 于 生 物 光 学 模 型 和 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 的 内 陆 水 质 监 测 分 析 方 法, 并 利 用 航 空 和 航 天 高 光 谱 遥 感 图 像 检 验 水 质 监 测 分 析 方 法. 1 数 据 获 取 和 分 析 1.1 实 验 设 计 与 实 施 实 验 数 据 获 取 是 水 质 参 数 反 演 方 法 建 立 和 验 证 的 基 础. 本 文 设 计 了 空 地 综 合 遥 感 实 验 方 案 ( 图 1). 水 面 测 量 实 验 航 空 飞 行 实 验 岸 边 测 量 实 验 水 面 光 谱 测 量 风 向 风 速 GPS 点 位 测 量 水 体 采 样 高 光 谱 遥 感 图 像 靶 标 反 射 光 谱 太 阳 辐 射 计 算 得 到 计 算 得 到 采 样 点 表 观 光 学 量 : 遥 感 反 射 率, 辐 照 度 比 等. 实 验 室 内 测 量 并 计 算 得 到 采 样 点 固 有 光 学 量 : 采 样 点 水 质 参 数 : 浮 游 植 物 悬 浮 物 非 色 素 悬 浮 物 黄 色 物 质 叶 绿 素 a, 悬 浮 物 等. 吸 收 系 数 ; 光 束 衰 减 系 数 等. 气 溶 胶 光 学 厚 度 等. 图 1 空 地 综 合 遥 感 实 验 方 案 Fig.1 Plan of the airborne and in-situ remote sensing experiments 综 合 遥 感 实 验 主 要 包 括 3 个 部 分 : 水 面 测 量 实 验. 航 空 飞 行 实 验 和 岸 边 测 量 实 验. 水 面 测 量 实 验 是 综 合 实 验 的 主 体, 包 括 3 个 部 分 : 水 体 采 样, 水 面 光 谱 测 量 和 风 速 风 向 GPS 点 位 等 辅 助 信 息 的 测 量. 水 面 光 谱 测 量 使 用 ASD 便 携 式 野 外 光 谱 仪 FieldSpec Pro FR( 波 长 范 围 nm) 和 FieldSpec Pro VNIR( 波 长 范 围 nm), 采 用 水 面 以 上 法 测 量 水 面 光 谱 [12-13]. 水 面 采 集 的 水 样 要 尽 快 送 到 实 验 室 进 行 分 析 处 理, 进 而 获 得 水 质 参 数 和 水 体 固 有 光 学 量 等 数 据. 利 用 电 子 天 平 称 重 的 方 法 测 量 悬 浮 物 浓 度 ; 利 用 岛 津 UV2401PC 型 分 光 光 度 计 测 量 叶 绿 素 a 浓 度 ; 并 利 用 定 量 滤 膜 技 术 测 量 固 有 光 学 量 [11]. 航 空 飞 行 实 验 用 于 获 取 航 空 高 光 谱 遥 感 图 像. 本 文 选 择 中 国 科 学 院 上 海 技 术 物 理 研 究 所 研 制 的 宽 视 场 高 光 谱 成 像 仪 WHI 进 行 航 空 飞 行 实 验, 其 主 要 技 术 指 标 光 谱 范 围 为 μm; 波 段 数 124; 光 谱 分 辨 率 5nm; 光 谱 采 样 间 隔 为 1.8nm; 瞬 时 视 场 角 为 1.5mrad; 总 视 场 角 为 42. 根 据 太 湖 形 状 特 点 和 各 湖 区 的 水 质 情 况, 同 时 考 虑 到 航 空 飞 行 实 验 的 方 便, 设 计 了 7 条 飞 行 航 线, 覆 盖 了 水 面 50 个 采 样 点. 其 中 在 污 染 严 重 的 梅 梁 湾 进 行 加 密 测 量, 设 计 了 4 条 航 线 和 16 个 采 样 点 ; 在 太 湖 中 部 和 南 部 湖 区 设 计 了 3 条 航 线 和 34 个 采 样 点. 飞 行 航 线 和 采 样 点 的 分 布 如 图 2 所 示. 设 计 飞 行 航 高 3000m, 得 到 的 WHI 图 像 的 空 间 分 辨 率 约 为 1.8m.

3 184 J. Lake Sci.( 湖 泊 科 学 ), 2009, 21(2) 图 2 空 地 综 合 遥 感 实 验 站 点 航 线 设 计 与 实 验 场 景 Fig.2 Sampling stations design, air route design, and some working photos of the spaceborne, and in-situ remote sensing experiments 岸 边 测 量 实 验 包 括 太 阳 辐 射 测 量 和 靶 标 反 射 光 谱 测 量. 太 阳 辐 射 测 量 用 于 获 取 太 湖 上 空 气 溶 胶 光 学 厚 度, 使 用 自 动 跟 踪 太 阳 分 光 光 度 计 CE318. 为 了 分 析 太 湖 上 空 气 溶 胶 特 性 的 空 间 差 异, 在 太 湖 北 岸 和 南 岸 各 设 计 了 一 个 观 测 站 点, 利 用 两 台 CE318 同 时 进 行 观 测. 靶 标 用 于 航 空 高 光 谱 遥 感 器 WHI 的 地 面 辐 射 定 标, 在 太 湖 北 岸 飞 行 航 线 上 铺 设 黑 色 和 灰 色 靶 标, 飞 行 实 验 时 同 步 测 量 其 光 谱 反 射 特 性. 首 先 于 2005 年 10 月 10 日 在 太 湖 梅 梁 湾 开 展 了 预 先 实 验, 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 次 遥 感 综 合 试 验, 其 中, 2006 年 1 月 9 日 和 2006 年 7 月 31 日 在 太 湖 开 展 了 航 空 飞 行 实 验, 同 时 在 岸 边 进 行 了 靶 标 反 射 光 谱 测 量. 1.2 太 湖 水 体 光 学 特 性 分 析 固 有 光 学 特 性 分 析 在 5 次 太 湖 综 合 实 验 中, 使 用 岛 津 UV-2401PC 型 分 光 光 度 计 直 接 测 量 的 固 有 光 学 量 (IOPs) 有 : CDOM(Colored Dissolved Organic Matter) 吸 收 系 数 a cdom (λ) 总 悬 浮 物 吸 收 系 数 a p (λ) 非 色 素 悬 浮 物 吸 收 系 数 a d (λ) 光 束 衰 减 系 数 c(λ). 利 用 这 些 测 量 的 IOPs 进 一 步 计 算 得 到 浮 游 植 物 色 素 吸 收 系 数 a ph (λ) 和 总 悬 浮 物 散 射 系 数 b p (λ). 5 次 实 验 获 取 的 a ph (λ) a cdom (λ) a d (λ) 和 b p (λ) 的 均 值 如 图 3 所 示. 从 图 3 中 可 以 分 析 太 湖 水 体 IOPs 的 季 节 变 化 规 律. 浮 游 植 物 吸 收 系 数 在 冬 季 较 低, 在 春 夏 秋 季 较 高, 与 叶 绿 素 a 含 量 成 正 比, 符 合 藻 类 的 季 节 生 长 规 律. 非 色 素 悬 浮 物 吸 收 系 数 在 冬 季 较 高, 在 春 夏 秋 季 较 低, 与 非 色 素 悬 浮 物 浓 度 成 正 比. CDOM 吸 收 系 数 四 季 变 化 不 大. 总 悬 浮 物 散 射 系 数 在 冬 季 较 高, 在 春 夏 秋 季 较 低, 与 总 悬 浮 物 浓 度 成 正 比, 总 悬 浮 物 浓 度 也 主 要 受 风 浪 影 响 单 位 固 有 光 学 特 性 分 析 单 位 固 有 光 学 量 (SIOPs) 是 水 体 各 组 分 的 吸 收 和 散 射 系 数 与 其 浓 度 的 比 值. 在 基 于 生 物 光 学 模 型 的 水 质 参 数 反 演 分 析 方 法 中, SIOPs 是 最 基 本 和 最 重 要 的 输 入 参 数 [8]. 浮 游 植 物 单 位

4 张 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 系 数 (a ph (λ)) 的 光 谱 形 状 比 较 复 杂, 一 般 用 675nm 的 a ph (675nm) 值 来 表 示 a ph (λ) 的 大 小. 非 色 素 悬 浮 物 单 位 吸 收 系 数 (a d (λ)) 可 以 用 负 指 数 模 型 表 示, a d (λ)=a d (λ 0 ) exp(-s ad (λ-λ 0 )). 5 次 试 验 数 据 拟 合 得 到 的 S ad 的 平 均 值 是 a cdom (λ) 经 常 用 负 指 数 来 拟 合, a cdom (λ)=exp(-s acdom (λ-λ 0 )) [14]. 5 次 试 验 数 据 拟 合 得 到 的 S acdom 的 平 均 值 是 悬 浮 物 单 位 散 射 系 数 (b p (λ)) 可 以 用 负 指 数 模 型 表 示, b p (λ)=b p (λ 0 ) exp(-s (λ-λ 0 )). 5 次 试 验 数 据 拟 合 得 到 的 S 的 平 均 值 是 此 外, 5 次 试 验 数 据 拟 和 得 到 的 悬 浮 物 后 向 散 射 比 例 系 数 ( b ) 的 平 均 值 是 图 3 5 次 太 湖 实 验 获 取 的 a ph (λ) a cdom (λ) a d (λ) 和 b p (λ) 的 均 值 Fig.3 Average values of a ph (λ), a cdom (λ), a d (λ) and b p (λ) measured in five times of Lake Taihu experiments 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 在 SIOPs 时 空 分 布 规 律 分 析 的 基 础 上, 建 立 以 季 节 和 区 域 为 索 引 的 SIOPs 数 据 库, 作 为 水 质 参 数 反 演 分 析 方 法 的 输 入 参 数. 对 于 太 湖 SIOPs 数 据 库, 根 据 区 域 地 理 环 境 和 水 体 光 学 特 性 相 接 近 的 原 则 在 空 间 上 分 为 6 个 湖 区, 分 别 是 梅 梁 湾 贡 湖 湾 北 部 湖 心 区 南 部 湖 心 区 东 部 沿 岸 区 东 太 湖 区. SIOPs 数 据 库 记 录 了 各 季 节 各 湖 区 的 平 均 SIOPs 参 量, 包 括 a d (440nm) S ad a cdom (λ) S acdom b p (440nm) S a ph (675nm) a ph (λ)/a ph (675nm), 利 用 这 些 参 数 可 以 计 算 得 到 任 意 波 段 的 SIOPs: a d (λ) a cdom (λ) b p (λ) 和 a ph (λ). 此 外 SIOPs 数 据 库 还 记 录 了 悬 浮 物 后 向 散 射 比 例 系 数 b, 利 用 b 和 b p (λ) 相 乘 可 以 计 算 得 到 悬 浮 物 后 向 散 射 系 数 b (λ). 由 于 a ph (λ)/a ph (675nm) 是 随 波 长 变 化 的 数 组, 而 其 他 参 量 都 不 随 波 长 变 化, 因 此 建 立 SIOPs 数 据 库 时 需 要 建 立 2 个 表, 其 中 1 个 表 存 放 随 波 长 变 化 的 参 量 a ph (λ)/a ph (675nm); 另 1 个 表 存 放 不 随 波 长 变 化 的 其 他 参 量. 2 个 表 通 过 区 域 和 季 节 进 行 关 联 表 观 光 学 特 性 分 析 内 陆 水 体 固 有 光 学 特 性 具 有 季 节 性 变 化 规 律, 而 这 种 规 律 的 外 在 表 现 就 是 表 观 光 学 量 的 季 节 性 变 化 规 律. 太 湖 四 季 水 体 典 型 遥 感 反 射 率 光 谱 如 图 4 所 示. 太 湖 水 体 遥 感 反 射 率 有 8 个 最 明 显 的 特 征 波 长, 分 别 是 570nm 附 近 的 反 射 峰 632nm 附 近 的 反 射 谷 652nm 附 近 的 反 射 峰 678nm 附 近 的 反 射 谷 700nm 附 近 的 反 射 峰 732nm 附 近 的 反 射 率 拐 点 807nm 附 近 的 反 射 峰, 831nm 附 近 的 反 射 率 拐 点. 其 中, 570 和 700nm 附 近 的 反 射 峰 波 长 位 置 与 叶 绿 素 含 量 成 正 比.

5 186 J. Lake Sci.( 湖 泊 科 学 ), 2009, 21(2) 图 4 太 湖 四 季 水 体 的 典 型 遥 感 反 射 率 光 谱 Fig.4 Representative reflectance spectra of Lake Taihu water in the four seasons 1.3 气 溶 胶 类 型 计 算 利 用 实 验 数 据 计 算 太 湖 夏 季 和 冬 季 气 溶 胶 四 种 组 分 的 比 例 因 子, 作 为 太 湖 气 溶 胶 的 自 定 义 类 型. 由 于 太 湖 地 区 不 会 有 海 洋 性 粒 子 存 在, 因 此 定 义 另 外 3 个 组 分 ( 沙 尘 粒 子 水 溶 性 粒 子 和 煤 烟 粒 子 ) 比 例 因 子 分 别 为 : x y 1-x-y. 在 2006 年 1 月 和 7 月 太 湖 实 验 中, 获 取 了 与 某 些 采 样 点 水 面 反 射 率 光 谱 测 量 准 同 步 的 MODIS 数 据. 根 据 MODIS 的 波 段 响 应 函 数, 将 水 面 遥 感 反 射 率 光 谱 等 效 为 MODIS 各 波 段 的 反 射 率. 给 定 x y 的 初 值, 利 用 6S 计 算 得 到 水 面 等 效 反 射 率 光 谱 对 应 的 大 气 层 顶 辐 亮 度. 当 计 算 的 大 气 层 顶 辐 亮 度 数 据 和 MODIS 图 像 对 应 的 辐 亮 度 数 据 的 差 值 最 小 的 时 候, x y 1-x-y 就 是 气 溶 胶 组 分 的 比 例 因 子 [15]. 计 算 结 果 见 表 1. 表 1 太 湖 地 区 冬 季 和 夏 季 的 气 溶 胶 类 型 Tab.1 Aerosol types above Lake Taihu in winter and summer 太 湖 沙 尘 粒 子 水 溶 性 粒 子 煤 烟 粒 子 海 洋 性 粒 子 冬 季 夏 季 水 质 参 数 反 演 分 析 方 法 构 建 基 于 生 物 光 学 模 型 的 水 质 参 数 反 演 分 析 方 法 主 要 有 3 类 : 代 数 方 法 矩 阵 反 演 方 法 和 非 线 性 优 化 方 法 [7]. 目 前, 代 数 方 法 中 需 要 建 立 水 体 固 有 光 学 量 和 水 质 参 数 的 经 验 关 系 [16], 这 个 经 验 关 系 往 往 是 不 稳 定 的, 对 于 不 同 区 域 和 不 同 季 节 的 水 体, 经 验 关 系 中 的 系 数 会 发 生 变 化. 而 且, 对 于 某 些 水 体, 有 时 无 法 建 立 固 有 光 学 量 和 水 质 参 数 的 经 验 关 系, 从 而 导 致 代 数 法 无 法 使 用. 非 线 性 优 化 方 法 用 来 反 演 水 体 的 固 有 光 学 量 [9], 进 一 步 反 演 水 质 参 数 的 浓 度 时 也 要 建 立 固 有 光 学 量 和 水 质 参 数 的 经 验 关 系. 与 代 数 法 和 非 线 性 优 化 方 法 相 比, 矩 阵 反 演 算 法 以 单 位 固 有 光 学 量 为 输 入 参 数, 从 而 建 立 了 固 有 光 学 量 和 水 质 参 数 的 理 论 关 系. 但 是 对 于 内 陆 水 体, 单 位 固 有 光 学 量 不 是 常 数, 而 是 随 季 节 和 区 域 变 化 的. 针 对 这 些 问 题, 本 文 提 出 了 一 个 解 决 方 案 : 将 矩 阵 反 演 方 法 建 立 在 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 基 础 上, 从 而 提 高 了 水 质 监 测 方 法 的 区 域 和 季 节 适 用 性, 提 高 了 水 质 参 数 反 演 精 度. 在 此 基 础 上, 对 生 物 光 学 模 型 进 行 变 形, 建 立 了 非 线 性 优 化 法 和 代 数 法, 它 们 也 是 建 立 在 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 上 的, 因 而 同 样 具 有 良 好 的 区 域 和 季 节 适 用 性. 2.1 矩 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] : bb ( λ) R(0 )( λ) = f a b ( λ) + ( λ) 其 中, R(0-) 是 刚 好 在 水 面 以 下 辐 照 度 比, f 是 一 个 与 光 场 分 布 有 关 的 参 数, a 是 水 体 总 的 吸 收 系 数, b b 是 水 体 总 的 后 向 散 射 系 数. 将 上 式 中 的 吸 收 系 数 和 散 射 系 数 都 用 单 位 固 有 光 学 量 和 水 质 参 数 的 乘 积 表 示, 同 时 将 R(0-) 用 遥 感 反 射 率 R rs 表 示, 得 到 : Rrs( λ) (1 r( θ )) * (1 r( θ )) / n v s 2 = b (1)

6 张 兵 等 : 太 湖 水 体 3 种 典 型 水 质 参 数 的 高 光 谱 遥 感 反 演 187 f bbw ( λ) + b b' p( λ) Cs (2) Q aw( λ) + a' ph( λ) Cchl-a + a' d( λ) Cs + a' cdom( λ) acdom( λ0) + bbw( λ) + b b' p( λ) Cs 其 中, θ v 是 观 测 天 顶 角, r(θ v ) 是 水 - 气 界 面 反 射 率, θ s 是 太 阳 天 顶 角, r(θ s ) 是 气 - 水 界 面 反 射 率, n 是 水 体 折 射 指 数, Q 是 水 下 上 行 辐 照 度 与 辐 亮 度 的 比 值, C chl-a 是 叶 绿 素 浓 度, C s 是 悬 浮 物 浓 度, b 是 悬 浮 物 后 向 散 射 比 例 系 数, a w 是 纯 水 吸 收 系 数, b bw 是 纯 水 后 向 散 射 系 数. 上 面 方 程 中 有 4 个 参 数, 分 别 是 C s C chl-a a cdom (λ 0 ) f/q. 如 果 f Q 的 值 可 以 确 定 下 来, 方 程 中 就 只 有 C s C chl-a a cdom (λ 0 )3 种 水 质 参 数 是 未 知 数 了, 把 方 程 改 写 成 矩 阵 的 形 式, 从 而 利 用 3 个 和 3 个 以 上 的 波 段 就 可 以 解 算 出 3 种 水 质 参 数 的 浓 度 值, 这 就 是 矩 阵 反 演 方 法. f 和 Q 的 值 可 以 由 经 验 公 式 计 算 得 到 [17-18]. 2.2 非 线 性 优 化 法 矩 阵 反 演 方 法 要 求 首 先 确 定 生 物 光 学 模 型 中 除 水 质 参 数 浓 度 外 的 一 些 参 数, 如 水 面 以 下 上 行 辐 照 度 和 辐 亮 度 的 比 值 Q 模 型 系 数 f 等. 这 些 参 数 受 观 测 几 何 水 面 粗 糙 度 水 体 二 向 反 射 大 气 状 况 等 多 种 因 素 影 响, 在 不 同 地 点 和 不 同 时 间 都 会 取 不 同 的 值 [19]. 利 用 经 验 公 式 确 定 这 些 参 数 会 带 来 误 差, 假 设 不 同 地 点 和 不 同 时 间 的 这 些 参 数 取 相 同 的 值 会 带 来 更 大 的 误 差. 为 了 克 服 矩 阵 反 演 方 法 的 缺 陷, 提 高 水 质 监 测 的 精 度, 将 方 程 (2) 中 的 4 个 参 数 C s C chl-a a cdom (λ 0 ) 和 f/q 都 作 为 未 知 数. 利 用 4 个 以 上 的 波 段 带 入 方 程 (2), 建 立 方 程 组, 利 用 非 线 性 优 化 的 方 法 解 出 这 4 个 未 知 数. 2.3 代 数 法 在 矩 阵 反 演 方 法 的 基 础 上, 利 用 水 体 某 些 组 分 的 固 有 光 学 量 光 谱 特 征, 减 小 未 知 数 的 数 量, 从 而 可 以 利 用 一 个 或 者 两 个 波 段 以 数 学 公 式 的 形 式 计 算 得 到 某 种 水 质 参 数 的 浓 度, 这 种 方 法 为 代 数 法. 利 用 750nm 以 后 浮 游 植 物 非 色 素 悬 浮 物 和 CDOM 的 吸 收 系 数 都 降 至 0 的 特 点, 建 立 了 两 种 新 的 代 数 法. 由 于 750nm 以 后 浮 游 植 物 非 色 素 悬 浮 物 和 CDOM 的 吸 收 系 数 都 降 至 0, 纯 水 的 后 向 散 射 系 数 b bw 也 降 至 非 常 小, 而 且 远 小 于 悬 浮 物 后 向 散 射 系 数 b, 因 而 可 以 忽 略. 此 时 方 程 (2) 可 以 简 化 为 f b b'( p λ) Cs rrs( λ) = (3) Q a ( λ) + b b' ( λ) C 其 中, r rs (λ) 为 刚 好 在 水 面 以 下 遥 感 反 射 率 : r ( λ) = w p s R ( λ) rs rs 2 (1 r( θv))(1 r( θs)) / n (1) 近 红 外 双 波 段 反 演 C s : 方 程 (3) 中 只 有 2 个 未 知 数, C s 和 f/q, 利 用 2 个 波 段 的 数 据 便 可 以 计 算 得 到 C s 值 [20] : (4) rrs( λ1 ) aw ( λ1 ) b' p( λ2 ) rrs( λ2 ) aw ( λ2 ) b' p ( λ1 ) Cs = b b'( λ ) b'( λ )( r ( λ ) r ( λ )) p 1 p 2 rs 2 rs 1 (5) (2) 近 红 外 单 波 段 反 演 C s : 对 于 某 些 遥 感 器, 750nm 以 后 也 许 只 有 一 个 波 段, 此 时 就 需 要 首 先 根 据 经 验 或 者 经 验 公 式 得 到 f/q 的 值, 这 样, 方 程 (3) 中 就 只 有 1 个 未 知 数 C s 了, 利 用 一 个 波 段 的 R rs (λ) 数 据 就 可 以 计 算 得 到 C s 值, 即 rrs( λ1 ) aw ( λ1 ) (6) Cs = f r '( p 1) rs( 1) b λ b λ Q 由 于 本 文 建 立 的 两 种 代 数 法 使 用 750nm 以 后 的 近 红 外 波 段 光 谱 数 据, 因 此 它 们 只 能 适 用 于 悬 浮 物 浓 度 比 较 高 的 水 体, 因 为 悬 浮 物 浓 度 低 的 水 体 在 近 红 外 波 段 的 反 射 率 非 常 低, 不 宜 参 与 反 演 运 算.

7 188 J. Lake Sci.( 湖 泊 科 学 ), 2009, 21(2) 3 基 于 高 光 谱 图 像 的 水 质 参 数 反 演 3.1 水 质 监 测 流 程 利 用 高 光 谱 遥 感 图 像 反 演 内 陆 水 质 参 数 需 要 完 成 的 处 理 操 作 主 要 有 6 个, 依 次 是 : 辐 射 校 正 几 何 校 正 阈 值 分 割 和 掩 膜 大 气 校 正 水 草 水 华 识 别 和 水 质 参 数 反 演, 其 流 程 如 图 5 所 示. 原 始 遥 感 图 像 (1) 辐 射 校 正 (2) 几 何 校 正 (3) 水 陆 分 界 水 体 掩 膜 图 像 (4) 大 气 校 正 遥 感 反 射 率 图 像 (5) 水 草 水 华 识 别 水 草 水 华 分 类 图 (6) 水 质 参 数 反 演 水 质 参 数 专 题 图 图 5 遥 感 图 像 反 演 内 陆 水 质 参 数 的 操 作 流 程 Fig.5 Process of retrieving inland water quality parameters from remote sensing image 辐 射 校 正 和 几 何 校 正 是 遥 感 图 像 处 理 的 通 用 流 程. 水 陆 分 界 是 水 体 遥 感 的 特 殊 操 作, 用 于 提 取 水 体 研 究 区 域. 根 据 水 体 和 陆 地 光 谱 计 算 得 到 水 体 掩 膜 图 像, 其 中 水 体 为 1, 陆 地 为 0. 大 气 校 正 对 于 水 质 参 数 遥 感 反 演 至 关 重 要. 水 体 反 射 率 比 较 低, 遥 感 器 接 收 的 来 自 水 体 的 信 号 中 很 大 的 部 分 是 来 自 大 气 散 射, 因 此 利 用 遥 感 数 据 监 测 水 质 首 先 要 对 遥 感 图 像 进 行 精 确 的 大 气 校 正, 得 到 离 水 辐 亮 度 或 遥 感 反 射 率 图 像 [21-22]. 来 自 水 草 和 水 华 的 遥 感 数 据 无 法 用 于 反 演 水 面 以 下 的 水 质 参 数, 因 此 首 先 要 把 水 草 和 水 华 提 取 出 来, 做 成 水 华 和 水 草 专 题 图, 然 后 利 用 非 水 华 和 非 水 草 的 遥 感 图 像 反 演 水 质 参 数 [3]. 3.2 基 于 航 空 高 光 谱 WHI 反 演 内 陆 水 质 参 数 由 于 在 2006 年 7 月 31 日 航 空 高 光 谱 飞 行 试 验 时, 地 面 靶 标 测 量 出 现 问 题, 无 法 为 航 空 高 光 谱 遥 感 器 进 行 场 地 辐 射 定 标. 因 此, 本 文 下 面 仅 使 用 2006 年 1 月 9 日 的 WHI 图 像 预 处 理 本 文 利 用 机 载 的 POS AV510 的 定 姿 定 位 数 据 对 航 空 高 光 谱 图 像 进 行 几 何 纠 正, 考 虑 到 高 光 谱 图 像 数 据 量 巨 大, 提 出 了 快 速 的 几 何 纠 正 方 法. 在 机 载 飞 行 的 同 时 进 行 地 面 靶 标 的 光 谱 测 量, 同 时 利 用 太 阳 分 光 光 度 计 (CE318) 对 大 气 光 学 特 性 进 行 观 测. 基 于 反 射 率 法 完 成 成 像 光 谱 仪 的 场 地 定 标, 得 到 每 个 波 段 的 辐 射 定 标 系 数 gain(λ) 和 offset(λ) [23-24]. 本 文 基 于 大 气 辐 射 传 输 模 型 6S 来 完 成 遥 感 数 据 的 大 气 校 正. 气 溶 胶 光 学 厚 度 由 与 飞 行 实 验 同 步 的 太 阳 光 度 计 测 量 并 计 算 得 到, 气 溶 胶 类 型 选 择 太 湖 冬 季 自 定 义 类 型 [15]. 6S 可 以 输 出 3 个 大 气 校 正 系 数 xa xb 和 xc, 还 可 以 输 出 下 行 直 射 辐 照 度 E dir 和 下 行 漫 射 辐 照 度 E dif, 假 设 天 空 光 均 匀 分 布, 从 而 得 到 遥 感 反 射 率 : R rs =(xa L t -xb)/(1.0+xc (xa L t -xb))/π-r sky E dif /π/(e dir +E dif ) (7) 其 中, L t 是 遥 感 器 接 收 到 的 辐 亮 度 信 号 ; r sky 是 气 水 界 面 反 射 率, 可 以 由 Fresnel 公 式 计 算 得 到.

8 张 兵 等 : 太 湖 水 体 3 种 典 型 水 质 参 数 的 高 光 谱 遥 感 反 演 189 系 统 定 标 ( 仪 器 + 算 法 ) 在 水 色 遥 感 中 具 有 特 殊 的 作 用 [25]. 其 原 因 在 于 : 1) 陆 地 定 标 的 信 号 范 围 往 往 不 是 水 色 遥 感 中 应 用 的 信 号 范 围 ; 2) 除 非 遥 感 器 的 线 性 度 很 高, 否 则 低 端 信 号 无 法 直 接 应 用. 本 文 选 择 光 谱 获 取 时 间 与 航 空 图 像 相 差 2min 的 W51 点 作 为 系 统 定 标 点, 计 算 得 到 每 个 波 段 的 辐 射 定 标 系 数 gain(λ), 然 后 以 获 取 时 间 相 差 17min 的 W47 点 作 为 检 验 点. 从 系 统 定 标 的 检 验 结 果 来 看, 平 均 相 对 误 差 为 2.06%, 满 足 Ⅱ 类 水 体 水 质 参 数 反 演 要 求. 东 太 湖 及 西 山 岛 东 南 部 的 湖 区 是 典 型 的 草 型 湖 区 [26], 水 华 非 常 少. 因 此 只 需 要 将 水 草 区 域 分 类 出 来. 利 用 叶 绿 素 光 谱 指 数 CSI 就 可 以 区 分 水 草 和 水 体 : CSI=(R rs (band66)-r rs (band60))/(r rs (band66)+r rs (band60)) (8) 式 中, WHI 第 66 波 段 中 心 波 长 是 707nm; WHI 第 60 波 段 中 心 波 长 是 678nm. 水 草 的 CSI 判 别 阈 值 是 0.07, CSI 大 于 等 于 0.07 的 就 是 水 草 水 质 参 数 反 演 在 2006 年 1 月 的 实 验 中, 太 湖 水 体 悬 浮 物 浓 度 的 测 量 值 很 高, 50 个 采 样 点 的 平 均 值 达 到 mg/L; 叶 绿 素 浓 度 很 低, 平 均 值 只 有 16.47mg/m 3 ; CDOM 吸 收 系 数 也 较 小, a cdom (440nm) 平 均 值 只 有 实 验 结 果 表 明, 对 于 太 湖 冬 季 遥 感 数 据, 只 有 悬 浮 物 浓 度 能 够 获 得 较 高 的 反 演 精 度. 本 文 采 用 代 数 法 中 的 近 红 外 单 波 段 法, 由 预 处 理 后 的 WHI 遥 感 反 射 率 图 像 反 演 悬 浮 物 浓 度. 本 文 使 用 中 心 波 长 为 749.4nm 的 WHI 第 75 波 段 数 据. 输 入 参 数 包 括 : 观 测 几 何 参 数 θ s θ v, 固 有 光 学 量 参 数 a w (λ); 单 位 固 有 光 学 量 参 数 b p (λ) 和 b. θ v 可 以 从 POS 文 件 中 获 取 ; θ s 可 以 由 经 纬 度 和 时 间 计 算 ; a w (λ) 可 以 从 文 献 中 获 得 [27], 单 位 固 有 光 学 量 参 数 b p (λ) 和 b 从 本 文 建 立 的 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 中 获 得. 水 面 试 验 47 号 点 的 采 样 时 间 和 图 像 获 取 时 间 相 差 17min, 可 以 用 于 评 价 悬 浮 物 浓 度 的 反 演 误 差, 计 算 得 到 悬 浮 物 浓 度 反 演 相 对 误 差 为 11.2%. 带 有 47 号 点 的 WHI 条 带 图 像 计 算 得 到 悬 浮 物 浓 度 分 布 图 如 下 所 示. 3.3 基 于 航 天 高 光 谱 CHRIS 反 演 内 陆 水 质 参 数 预 处 理 预 处 理 包 括 辐 射 校 正 几 何 校 正 水 陆 分 界 大 气 校 正. 从 欧 空 局 网 站 下 载 的 CHRIS 数 据 已 经 是 经 过 辐 射 定 标 的 辐 亮 度 图 像, 单 位 是 mw/(m 2 nm sr). CHRIS 影 像 中 有 明 显 的 纵 向 条 带 噪 声, 本 文 采 用 列 均 值 平 滑 的 方 法 来 去 除 条 带 噪 声 [28-29]. 去 除 条 带 之 后, 对 照 1: 数 字 地 形 图, 对 CHRIS 数 据 进 行 了 几 何 精 校 正. 利 用 中 心 波 长 为 nm 的 第 18 波 段 的 阈 值 分 割 进 行 水 陆 分 界, 阈 值 选 择 该 波 段 灰 度 直 方 图 两 个 峰 之 间 的 谷 值. 每 景 CHRIS 图 像 的 幅 宽 大 约 是 13km 13km, 可 以 认 为 这 么 小 的 面 积 内 的 大 气 状 况 是 一 致 的. 利 用 大 气 辐 射 传 输 模 型 6S 对 CHRIS 进 行 大 气 校 正 [3], 气 溶 胶 光 学 厚 度 从 AERONET 网 站 下 载, 气 溶 胶 类 型 选 择 太 湖 冬 季 自 定 义 类 型 [15]. 梅 梁 湾 是 典 型 的 藻 型 湖 区 [26], 水 草 非 常 少. 因 此 只 需 要 将 水 华 区 域 分 类 出 来. 由 于 梅 梁 湾 基 本 无 水 草, 所 以 利 用 CSI 光 谱 指 数 就 可 以 区 分 水 华 和 水 体 : CSI=(R rs (band14)-r rs (band12))/(r rs (band14)+r rs (band12)) (9) CHRIS 第 14 波 段 的 中 心 波 长 是 708nm, CHRIS 第 12 波 段 的 中 心 波 长 是 682nm. CSI 水 华 判 别 阈 值 为 0.1, CSI 大 于 0.1 的 为 水 华 区 域. 利 用 CHRIS 大 气 校 正 后 的 图 像 计 算 得 到 水 华 区 域, 如 图 7a 所 示 水 质 参 数 反 演 本 文 采 用 改 进 的 矩 阵 反 演 方 法 由 CHRIS 遥 感 反 射 率 图 像 同 时 反 演 叶 绿 素 a 悬 浮 物 浓 度 和 黄 色 物 质 吸 收 系 数. 通 过 分 析 发 现 CHRIS 的 第 10( 中 心 波 长 653nm) 11( 中 心 波 长 671nm) 12( 中 心 波 长 882nm) 13( 中 心 波 长 691nm) 和 14( 中 心 波 长 708nm) 波 段 的 大 气 校 图 6 一 个 WHI 条 带 图 像 反 演 得 到 的 正 效 果 较 好. 因 而 使 用 这 5 个 波 段 参 与 矩 阵 反 演 运 算. 矩 阵 反 演 的 输 入 参 数 包 括 : 观 测 几 何 参 数 θ s 和 θ v ; 固 有 光 学 悬 浮 物 浓 度 分 布 量 参 数 a w (λ) 和 b bw (λ); 单 位 固 有 光 学 量 参 数 a ph (λ) a d (λ) Fig.6 Total suspended matter map retrieved from a cdom (λ) b p (λ) 和 b. 反 演 得 到 的 叶 绿 素 a 悬 浮 物 浓 度 a strip of WHI image

9 190 J. Lake Sci.( 湖 泊 科 学 ), 2009, 21(2) 和 黄 色 物 质 吸 收 系 数 分 布 如 图 7b,c,d 所 示. 图 7 CHRIS 图 像 反 演 的 太 湖 梅 梁 湾 水 华 叶 绿 素 a 悬 浮 物 和 黄 色 物 质 分 布 Fig.7 Algae-bloom, chlorophyll-a, total suspended matter, and yellow substance maps of Meiliang Bay, Lake Taihu retrieved from CHIRIS image 获 取 2005 年 10 月 18 日 这 景 CHRIS 图 像 的 时 候, 没 有 在 太 湖 梅 梁 湾 开 展 同 步 采 样 试 验, 因 而 无 法 直 接 判 断 水 质 参 数 反 演 的 精 度, 但 是 可 以 通 过 分 析 反 演 的 水 质 参 数 分 布 图 的 值 域 范 围 和 空 间 分 布 情 况, 并 对 比 2005 年 10 月 10 日 在 梅 梁 湾 测 量 的 14 个 采 样 点 的 水 质 参 数, 对 水 质 参 数 反 演 结 果 进 行 评 价. 利 用 CHRIS 反 演 的 3 种 水 质 参 数 分 布 图 和 水 面 14 个 采 样 点 实 测 数 据 分 别 计 算 每 种 水 质 的 均 值 最 小 值 和 最 大 值, 如 下 表 所 示. 表 2 CHRIS 反 演 的 3 种 水 质 参 数 和 水 面 实 测 水 质 参 数 的 统 计 值 Tab.2 Statistics of three water quality parameters retrieved from CHRIS image and in-situ measured 叶 绿 素 a(mg/m 3 ) 悬 浮 物 (mg/l) a cdom (440nm)(m -1 ) CHRIS 反 演 水 面 实 测 CHRIS 反 演 水 面 实 测 CHRIS 反 演 水 面 实 测 均 值 最 小 值 最 大 值 CHRIS 反 演 的 叶 绿 素 a 的 均 值 和 实 测 的 均 值 非 常 接 近, 反 演 的 最 小 值 比 实 测 的 最 小 值 小, 反 演 的 最 大 值 比 实 测 的 值 大, 这 是 由 于 CHRIS 反 演 的 是 整 个 梅 梁 湾 的 叶 绿 素 a 浓 度, 而 叶 绿 素 a 浓 度 随 空 间 变 化 比 较 大, 所 以 它 的 值 域 范 围 必 然 比 14 个 采 样 点 的 宽. 从 CHRIS 反 演 的 叶 绿 素 a 浓 度 分 布 图 中 可 以 看 到 水 华 周 围

10 张 兵 等 : 太 湖 水 体 3 种 典 型 水 质 参 数 的 高 光 谱 遥 感 反 演 191 的 叶 绿 素 a 浓 度 非 常 高, 这 是 因 为 水 华 周 围 仍 然 会 含 有 大 量 藻 类. 叶 绿 素 a 浓 度 空 间 变 化 大 的 特 点 也 可 以 从 反 演 图 中 看 出 来. 这 些 都 说 明 CHRIS 反 演 的 叶 绿 素 a 浓 度 的 空 间 分 布 非 常 合 理. CHRIS 反 演 的 悬 浮 物 浓 度 均 值 和 实 测 的 均 值 非 常 接 近, 反 演 的 最 小 值 也 比 实 测 的 最 小 值 小 但 相 差 不 多 ; 反 演 的 最 大 值 比 实 测 的 值 大 但 相 差 不 多, 这 是 由 于 CHRIS 反 演 的 是 整 个 梅 梁 湾 悬 浮 物 浓 度, 它 的 值 域 范 围 比 14 个 采 样 点 的 宽 ; 由 于 悬 浮 物 浓 度 空 间 变 化 小, 所 以 反 演 的 最 小 值 和 最 大 值 与 实 测 值 相 差 不 多. 从 CHRIS 反 演 的 浓 度 分 布 图 中 可 以 看 到 梅 梁 湾 的 西 北 角 的 悬 浮 物 浓 度 比 较 低, 这 是 由 于 靠 近 岸 边 湾 口 的 风 浪 比 较 小, 导 致 相 对 静 水 环 境 下 的 悬 浮 物 浓 度 比 较 低. 这 说 明 CHRIS 反 演 的 悬 浮 物 浓 度 的 空 间 分 布 非 常 合 理. CHRIS 反 演 的 a cdom (440nm) 的 均 值 比 实 测 的 均 值 大 了 一 倍, 最 小 值 严 重 偏 小, 最 大 值 也 严 重 偏 大. 这 些 都 说 明 CHRIS 反 演 的 a cdom (440nm) 的 值 域 不 太 合 理. 这 主 要 是 由 于 黄 色 物 质 吸 收 系 数 占 水 体 总 的 吸 收 系 数 的 比 例 较 低, 它 的 反 演 困 难 比 较 大. 从 CHRIS 反 演 的 a cdom (440nm) 的 分 布 图 中 可 以 看 到 近 岸 和 水 华 周 围 的 值 明 显 比 其 他 区 域 大, 这 是 因 为 水 华 区 域 的 藻 类 浓 度 比 较 高, 藻 类 降 解 后 会 产 生 CDOM, 也 就 是 CDOM 内 源. 另 外, 在 梅 梁 湾 的 西 北 角, a cdom (440nm) 的 值 非 常 大, 这 是 由 于 有 2 条 河 ( 直 湖 港 武 进 港 ) 的 水 流 向 这 个 湾 口, 带 来 了 大 量 的 外 源 CDOM. 这 说 明 CHRIS 反 演 的 a cdom (440nm) 的 相 对 空 间 分 布 比 较 合 理. 4 讨 论 和 结 论 本 文 以 太 湖 为 试 验 区, 设 计 了 空 地 同 步 综 合 试 验 方 案, 获 取 了 6 次 综 合 试 验 数 据, 包 括 2 次 航 空 高 光 谱 图 像 数 据. 获 取 了 全 太 湖 范 围 内 50 个 采 样 点 的 水 体 固 有 光 学 量 数 据 表 观 光 学 量 数 据 水 质 参 数 数 据, 分 析 了 太 湖 水 体 固 有 光 学 量 的 时 空 分 布 规 律 表 观 光 学 量 光 谱 特 征 和 季 节 变 化 规 律, 建 立 了 单 位 固 有 光 学 量 时 空 分 布 数 据 库. 获 取 了 太 湖 南 岸 和 北 岸 的 太 阳 辐 射 数 据, 改 进 了 气 溶 胶 光 学 厚 度 反 演 算 法, 确 定 了 太 湖 夏 季 和 冬 季 气 溶 胶 类 型. 规 范 了 内 陆 水 质 遥 感 监 测 流 程, 将 矩 阵 反 演 方 法 建 立 在 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 的 基 础 上, 并 发 展 了 基 于 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 的 非 线 性 优 化 法 和 代 数 法. 利 用 航 空 高 光 谱 遥 感 图 像 (WHI) 和 航 天 高 光 谱 遥 感 图 像 (CHRIS) 对 这 些 方 法 进 行 了 检 验, 获 得 了 较 好 的 结 果. 本 文 发 展 的 基 于 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 的 内 陆 水 质 监 测 分 析 方 法 提 高 了 水 质 监 测 方 法 的 区 域 和 季 节 适 用 性, 从 而 提 高 了 水 质 监 测 的 精 度. 而 且, 该 种 方 法 很 容 易 推 广 到 其 他 水 域, 只 需 要 获 取 对 应 该 水 域 的 季 节 性 的 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库, 作 为 输 入 参 数 即 可. 这 将 有 助 于 推 进 利 用 遥 感 监 测 我 国 不 同 区 域 的 湖 泊 河 流 水 质 的 实 用 化 进 程. 同 时, 也 为 我 国 2008 年 9 月 6 日 成 功 发 射 的 环 境 一 号 卫 星 的 高 光 谱 遥 感 数 据 的 应 用 奠 定 了 方 法 上 的 基 础. 尽 管 本 文 在 内 陆 水 质 高 光 谱 遥 感 监 测 中 取 得 了 一 些 研 究 进 展, 但 是 仍 然 存 在 一 些 不 足, 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 : (1) 本 文 目 前 仅 利 用 6 次 实 验 数 据 建 立 了 太 湖 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库, 作 为 水 质 监 测 分 析 方 法 的 输 入 参 数, 实 验 数 据 的 代 表 性 最 终 会 影 响 水 质 监 测 的 精 度. 因 此, 需 要 在 时 间 上 进 一 步 加 密 数 据 采 集 完 善 单 位 固 有 光 学 量 数 据 库 ; (2) 本 文 目 前 仅 用 2 次 实 验 数 据 来 确 定 太 湖 地 区 冬 夏 气 溶 胶 类 型, 这 也 需 要 获 取 更 多 时 相 的 实 验 数 据 来 检 验 并 完 善 气 溶 胶 类 型 ; (3) 本 文 目 前 认 为 一 景 CHRIS 图 像 或 WHI 图 像 中 的 气 溶 胶 光 学 厚 度 是 均 匀 的, 这 只 是 一 种 近 似. 为 了 提 高 大 气 校 正 的 精 度, 需 要 基 于 水 色 遥 感 器 自 身 信 息 的 逐 象 元 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度. 总 之, 本 文 在 内 陆 水 质 高 光 谱 遥 感 监 测 方 面 开 展 了 有 益 的 研 究, 为 今 后 内 陆 水 质 遥 感 监 测 的 进 一 步 深 入 研 究 奠 定 了 坚 实 的 基 础. 5 参 考 文 献 [1] Gordon HR, Morel A. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery: a review. New York: Springer Verlag, 1983: [2] Dekker AG, Brando VE, Anstee JM et al. Imaging Spectrometry of Water. In: van der Meer FD, De Jong SM eds. Imaging Spectrometry: Basic Principles and Pros. [3] 李 俊 生. 高 光 谱 遥 感 反 演 内 陆 水 质 参 数 分 析 方 法 研 究 以 太 湖 为 例 [ 博 士 学 位 论 文 ]. 北 京 : 中 国 科 学 院 研 究 生 院, [4] Kutser T, Herlevi A, Kallio K et al. A hyperspectral model for interpretation of passive optical remote sensing data from turbid

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