鄱阳湖丰水期水体后向散射特性研究

后向散射是获取湖泊水体光学活性物质遥感信息的关键,针对无机悬浮物为主的浑浊二类水体, 其对水体表观光学性质有着决定性的影响,研究表层水体后向散射特性在提高湖泊光学活性物质遥感反演精度方面具有重要的意义.该文通过2017年6月在鄱阳湖丰水期36个站点的巡航监测,分析了水体后向散射特征及其与光学活性物质的关系,并利用指数模型对后向散射系数进行参数化.研究结果表明：在420～700 nm波段范围内,水体后向散射系数、后向散射概率随波长的变动趋势较为一致,均随着波长的增大呈指数函数减小;空间上水体后向散射系数的均值和变幅为南湖区>主湖区>北湖区;总悬浮颗粒物浓度与后向散射系数之间的相关性随波长增大而增大,其中700 nm波段的相关性最好,R2达到0.760;随着波长的增加后向散射系数与叶绿素a含量的相关性减少;同时建立了后向散射系数光谱模型,斜率指数为1.229,470～700 nm波段平均绝对百分比误差均小于8%,具有较好的反演精度.     

大气中气溶胶颗粒对红外激光的散射特性研究

在利用红外激光雷达探测大气中各种成分浓度时,研究大气中气溶胶颗粒在该红外波段的光学散射特性有重要意义.特别是大气中气溶胶颗粒的散射系数和后向散射率是基于红外激光雷达探测大气后向散射回波信号的重要参量,直接影响探测系统的测量精度和有效探测距离.根据等效球的米氏散射理论,分析大气气溶胶颗粒在该波段的散射效率因子和散射相函数,可准确计算出不同半径和不同密度时大气气溶胶颗粒的散射系数和后向散射率大小.利用仿真模型计算得出,当大气气溶胶颗粒的半径增加时,其散射效率因子的数值振荡衰减,最终稳定于2.04处;而当入射激光波长不变时,大气气溶胶颗粒的后向散射率数值与其半径的变化呈反比.     

HJ-1A/1B卫星CCD影像的鄱阳湖6S大气校正研究

HJ-1A/1B卫星CCD数据具有较高的空间、时间分辨率,在内陆湖泊水色遥感定量监测中有较大的应用潜力,大气校正是其需要解决的首要问题.采用6S模型对2009年10月24日鄱阳湖HJ-1A/1B卫星CCD影像进行大气校正处理,并用实测数据进行了对比分析,结果表明6S模型校正后的CCD影像水体遥感反射率能表现鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度入江水道高于主湖区的空间分布特征;二波段(绿光波段)和三波段(红光波段),大气校正结果精度较高,平均相对误差分别为9.6%、12.6%,最小相对误差分别达到3.0%、1.6%;一波段(蓝光波段)、四波段(近红外波段)大气校正结果误差较大,建议参数反演时尽量避免采用这两个波段.     

面向GF-5卫星高光谱传感器的浑浊水体叶绿素a浓度反演算法研究——以鄱阳湖为例

为了分析即将发射的高分5号卫星(GF-5)的高光谱数据在内陆水体水色遥感中的应用潜力,以鄱阳湖为研究区域,利用2009年、2011年和2016年共134组现场实测光谱及其对应的叶绿素a、总悬浮物浓度数据,考虑高浑浊水体引起的叶绿素a浓度变化的光谱响应差异,在进行水体光学分区基础上通过光谱模拟与差分处理开展了叶绿素a浓度跨阶分高光谱反演研究.结果表明：1)进行光学分区有利于提高反演精度,非高浑浊水体(NDCI≥0.06)区域,反演模型判定系数R2达到0.82,均方根误差RMSE为1.12,平均相对误差MRE为0.32,而不进行光学分区的全湖区反演建模R2仅为0.37;2) 相较于鄱阳湖前期研究得到的最优多波段反演模型(R2＝0.76),利用495、591、675、679、684、688、692和696 nm等波长的原始光谱以及差分光谱(一阶差分、二阶差分)建立的跨阶分多波段组合模型可以更有效地反演非高浑浊水体叶绿素a浓度(R2＝0.82),但对于高浑浊水体(NDCI<0.06),叶绿素a浓度的高光谱反演能力还需要进一步挖掘.     

基于Gordon模型的多次散射项参数化研究

针对内陆湖泊高散射特性水体,利用Hydrolight模拟软件模拟不同散射系数、风速、太阳天顶角条件下水表面以下辐照度比R(0~-)与b_b/(a+b_b)的比值g,利用Gordon线性方程和二次方程对g值进行拟合,分析散射系数、风速、太阳天顶角等因素对拟合方程系数和多次散射项的影响,分析结果表明二次方程系数受太阳天顶角和风速影响的范围明显小于线性方程,并且与线性方程相比二次方程对多次散射作用的表达和实际状况以及前人研究结果更加相符,从而建立高散射特性水体中考虑多次散射作用的水表面以下辐照度比R(0~-)与b_b/(a+b_b)的改进关系式,利用新的模拟数据对该表达形式进行检验,误差范围为-4.015 8% ～4.498 1%,说明该模型能够较好地应用于R(0~-)的精确计算或利用R(0~-)准确反演固有光学属性,在湖泊水色遥感方面具有较好的应用前景.     

应用积分浑浊度仪研究兰州城市冬季大气气溶胶

利用积分浑浊度仪监测得到的散射系数和多波段光度计观测资料分析了兰州冬季大气气溶胶的一个个例的散射光学特征.用散射系数计算了后向散射比、不对称因子、单次反照率、波长指数等重要的辐射参数,为气溶胶辐射强迫研究以及气溶胶辐射强迫参数化方案提供了基础资料.在此基础上建立了一种适合利用散射系数反演气溶胶细微粒子谱分布的方法.     

渤海浑浊水体GOCI影像神经网络大气校正研究

针对GOCI遥感数据的官方处理软件(GDPS(GOCI data processing system))中的标准大气校正算法在渤海近岸浑浊水体区域处理中存在的问题,以MODIS/Aqua数据NIR-SWIR波段联合大气校正处理所得的水色遥感反射率产品结果和GOCI的星上反射率数据为基础,基于神经网络模型进行浑浊水体GOCI影像的大气校正方法研究结果表明,神经网络方法能显著减少标准产品中大气校正失效区域,特别是在443、490、680、555、745nm波段改进效果非常明显;但412、660、865nm波段的紧邻近岸的浑浊水体部分区域存在遥感反射率空间分布不合理,这可能与MODIS对应波段产品本身的大气校正精度不高有关.由于缺乏对应的实测数据,后续验证工作还需要进一步开展.     

基于三波长激光雷达对强卷云后向散射系数波长关系研究

针对高层强卷云(532 nm波长上衰减的后向散射系数比大于20)在全球中出现的概率高达30%,影响地球-大气系统的辐射收支平衡问题. 提出了一种用衰减的后向散射系数颜色比估算后向散射系数颜色比的反演方法,并分析了其误差大小. 基于10个月在合肥西郊上空3波长(1 064,532和355 nm)激光雷达探测到的强卷云数据,得到强卷云的3个后向散射系数颜色比统计分布规律,以及后向散射系数波长指数. 计算结果表明:强卷云的后向散射系数波长指数不再是一个固定不变的常数,而是与波长有关的变量.      

云雾场多尺度水滴和冰晶粒子的脉冲激光后向散射特性

为研究云层中冰晶和水滴粒子的尺度、散射等光学特性对飞行结冰的影响，该文基于联合散射理论，建立多尺度水滴和冰晶粒子的激光后向散射模型，分析了水滴与冰晶粒子的光学特性对后向散射的影响。结合工程应用模拟云雾场实验环境，测试不同粒子浓度下的1.064μm和0.532μm激光后向散射。结果表明，随着云粒子浓度增加，云层后向散射发光强度增大，实测数据与理论数据最大误差不高于7%。0.532μm波长激光的后向散射功率明显高于1.064μm波长激光，云雾场后向散射与粒子浓度几乎呈线性增长，并且冰云的后向散射系数普遍高于水云，差异可达到2～30倍。     

侧向散射激光雷达反演气溶胶后向散射系数误差分析

气溶胶的光学特性是大气探测的一个重要部分,侧向散射激光雷达很适合于探测近地面大气气溶胶光学特性。在侧向散射激光雷达的反演公式中,气溶胶后向散射系数对各直接测量量偏导数的解析表达式是求不出的,传统的误差传递公式难以发挥作用。而直接误差传递的方法,适应于这种情况。用直接误差传递方法估算参考点气溶胶后向散射系数、大气后向散射系数、气溶胶消光后向散射系数比、测量信号、大气分子和气溶胶比相函数分别独立变化时引起后向散射系数误差的大小及总误差的大小。     

水稻微波后向散射模型研究与计算

针对合成孔径雷达(SAR)的技术特点,以水稻为研究对象,从矢量辐射传输理论(VRT)出发,通过模拟水稻主要器官稻叶和稻杆对电磁波的散射、衰减作用等物理过程,建立了一套完整的水稻一次后向散射作用的物理模型,用以模拟水稻层的后向散射系数σ⁰,并根据模型模拟结果初步讨论了水稻后向散射系数随时相、入射角、波段和极化等因素的变化规律。     

长江口春季潮周期内总悬浮颗粒物浓度的光学遥感反演

长江河口水域由于受径潮流相互作用和高含沙量影响,水体光学特性具有特殊性.同一潮周期内大潮时总悬浮颗粒物浓度能达到0.5 kg/m~3以上,而小潮时最大总悬浮颗粒物浓度只有大潮的1/3,高总悬浮颗粒物浓度和潮周期内较大的变差,使得很多经验算法无法取得良好的反演效果.为了能适应该区域特殊水体特性,通过改进总悬浮颗粒物的复杂指数模式,建立了适合长江口地区的改进模式.利用2014年5月航次现场光学和同步水沙数据分析了长江河口地区总悬浮颗粒物浓度随着潮周期的变化特征,在原有7个备选波段的基础上引入了806nm和858 nm两个备选波段,补充近红外波段峰面积指数作为复杂指数模式的第五个指数,将复杂指数与总悬浮颗粒物浓度的对数之间线性关系改进为二次多项式关系,针对不同潮情的水体特性建立了分潮情的改进模型.结果表明:改进的模型可以适用于长江口水域,大、小潮分别建模得到的反演精度较大小潮统一模型更高,能更好地刻画潮周期内离水辐射的变化,反映总悬浮颗粒物浓度的潮周期变动.     

基于Sentinel卫星的浑浊水体叶绿素反演对比研究——以鄱阳湖为例

Sentinel-2A卫星、Sentinel-3A卫星分别于2015年6月和2016年2月成功发射,其上搭载的MSI、OLCI传感器的空间分辨率、时间分辨率、波段设置等在内陆水体水环境遥感研究中具有较大的应用潜力.针对浑浊水体叶绿素的反演难题,以鄱阳湖为例,基于光学分区理论并结合同步实测数据,探讨了Sentinel系列卫星数据在湖泊叶绿素a遥感反演的可行性.研究表明：1) 对于Sentinel-2A MSI数据,鄱阳湖北湖区以[1/Rrs(665)－1/Rrs(705)]*Rrs(740)作为反演因子构建的三波段模型拟合效果最好,决定系数R2是0.65,平均相对误差是38.53%;鄱阳湖南湖区差值模型Rrs(705)－Rrs(665)反演结果最好,R2是0.63,相对误差是39.87%.2) 对于Sentinel-3A OLCI数据,鄱阳湖北湖区以[1/Rrs(665)－1/Rrs(673.75)]*Rrs(753.75)作为反演因子构建的三波段模型拟合效果最好,R2为0.65,平均相对误差为37.6%;鄱阳湖南湖区差值模型Rrs(708.75)－Rrs(665)反演结果最好,R2是0.62,平均相对误差为39.6%.3) Sentinel系列卫星的分区模型能在一定程度上解决鄱阳湖部分浑浊水体区域叶绿素反演不成功的问题,后续将研究更高精度的反演模型方法.     

悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响

【目的】研究典型湖泊水体垂直分布对遥感反射率的影响,并了解其主要影响波段和影响水深。【方法】利用实测数据和前向辐射传输模型得到水体垂直分布模拟数据,选取两种典型的湖泊水体垂直分布类型,研究它们对水表面遥感反射率的影响,并分析其敏感波长和最大影响深度。【结果】与均质水体相比,不同类型的水体垂直分布最大会引起遥感反射率100%的高估或者30%的低估且误差随着水深的增大而减小。当表层悬浮颗粒物浓度(SPM1)较小时,在相同浓度条件下,不同类型水体垂直分布的敏感波长随着水深增大逐渐减小;在同一深度时,敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,敏感波长随水深增大没有明显变化。不同类型水体在SPM1较低时,各波段的最大影响水深各不相同,可达10m,并随表层悬浮颗粒物浓度的增大而逐渐减小,峰值波长逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,最大影响水深集中于0.5~2.0 m,随波段递增无明显变化规律。随着表层水体的衰减系数的增大,最大影响水深在不同波段基本呈递减趋势。【结论】研究成果有助于准确的理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息,并为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。     

鄱阳湖夏季有色可溶有机物空间分布及其和浮游藻类的关系分析

有色可溶有机物(CDOM)的分布及光学性质对于研究湖泊水体富营养化和水色遥感具有重要的科学意义.该文通过紫外分光光度法定量研究了2016年夏季鄱阳湖水体不同区域的有色可溶有机物光吸收特性,分析了a_CDOM(440)与光谱斜率比值(S)的关系,讨论了CDOM吸收系数与藻类及其他环境因子之间的关系,并与其他湖泊和水库相比较.研究结果表明:鄱阳湖水体在440 nm波长处的吸收系数为0.13～2.17 m^-1,均值为(0.93±0.54)m^-1.不同区域的CDOM含量差异显著,排序依次为主航道>珠湖区>南矶山水域,表现为3种典型吸收光谱曲线.夏季在300～440nm波长处S与CDOM有很好的相关性.鄱阳湖CDOM分别来源于藻类降解、沉积物扰动和河流流入.珠湖区CDOM来源主要为内源性,由浮游植物降解所产生.南矶山水域CDOM来源于赣江等河流汇入以及养殖肥水排入,其吸收系数与水体总磷关系密切.     

高频下关于玉米前向散射系数的研究

在植被层的微波散射和衰减过程中,研究玉米作物在高频率下的前向散射系数α.利用改进的积分方程模型、物理光学近似理论来计算单散射体的散射和衰减矩阵,并利用双矩阵算法,计算植被层内部以及植被跟地表之间的多次散射效应.同时在零阶模型的基础上,引入有效单散射反照率R有效,准确得到了C(6.925GHz)、X(10.65GHz)波段下植被散射体的性质以及对微波散射的影响.通过δ函数近似找出单散射反照率R和R有效之间的关系,即前向散射系数.     

高斯粗糙面电磁散射的基尔霍夫驻留相位法研究

采用高斯粗糙面来模拟实际粗糙面,根据基尔霍夫驻留相位近似法研究了粗糙面的电磁散射,结合高斯粗糙面的自相关函数导出了高斯粗糙面后向散射系数和不同极化状态双站散射系数计算公式.通过数值计算得到了后向散射系数随入射角变化的曲线和不同极化状态双站散射系数随散射角、散射方位角及入射波频率变化的曲线,讨论了介质介电常数、粗糙面参数对后向散射系数和双站散射系数的影响、入射波频率对双站散射系数的影响,得出了高斯粗糙面散射系数的基本特征.结果表明介质介电常数和粗糙面参数对高斯粗糙面后向散射系数和双站散射系数有明显影响且非常复杂,而入射波频率则对双站散射系数无影响.     

二类水体颗粒吸收光谱两种测量方法的差异分析

对两种颗粒吸收光谱测量方法的差异性及在二类水体中的适用性进行了研究.通过理论推导指出,颗粒后向散射是T方法(Transmitrance method)较T-R方法(Transmittancc and Reflectance method)测量结果偏高的首要原因,并且其偏高程度同时取决于颗粒的后向散射和吸收性质;对福建沿岸典型二类水体同时采用两种方法测量的结果表明:与T-R方法相比,T方法测量所得总颗粒、非藻类颗粒、藻类颗粒的光学密度,在400～700 nm波段的平均相对误差分别为38.5%、40.0%、33.1%.根据理论推导和实际测量分析结果,提出在中国近海二类水体中需采用T-R方法来替代T方法测量颗粒吸收光谱的建议.     

一维线性海面弱流场对雷达后向散射系数的影响

基于谱扰动理论，分析了一维线性海面弱流场与微尺度表面波之间的相互作用及由此产生的海浪谱扰动。根据布拉格散射模型讨论了谱扰动对雷达后向散射系数的影响，并进行了数值模拟。针对辐聚、辐散流分别给出了不同流速梯度和不同雷达波长情况下雷达散射系数的影响。从而定量地描述了海面弱流场对雷达后向散射系数的影响。     

玛纳斯河流域山区积雪的C波段SAR图像表征

首先利用光学遥感数据识别新疆玛纳斯河流域山区积雪时空分布信息,然后利用C波段合成孔径雷达图像分析非积雪期、积雪期、融雪期的积雪和无积雪覆盖地表在不同下垫面类型、不同局部入射角、不同极化条件下的后向散射系数差异、后向散射系数变化情况和干涉相干性差异,结果表明:(1)在积雪期,积雪与无积雪覆盖地表后向散射系数相近,在融雪期,积雪覆盖地表后向散射系数比无积雪覆盖地表低5~10dB;(2)从非积雪期到积雪期,HH、VV极化的后向散射系数变化较小,HV、VH极化的后向散射系数降低2~4dB;(3)从积雪期到融雪期,积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数降低约2dB,HV、VH极化的后向散射系数变化不明显,无积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数增加2~3dB;(4)从非积雪期到融雪期,积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数降低约2dB,无积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数增加1~2dB,HV、VH极化的后向散射系数变化不明显;(5)HH、VV极化方式下积雪覆盖地表相干系数明显低于无积雪覆盖地表.SAR(Synthetic Aperture Radar)图像表征分析结果对积雪及其物理状态的雷达识别研究提供科学依据.