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.     

基于Sentinel-2的陆浑水库水质反演与富营养化评价

黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略之一，为了快速准确地监测黄河流域湖库富营养化的空间分布，提升当地相关部门管理水平，以河南省黄河流域陆浑水库为研究对象，利用高分辨率Sentinel-2A卫星影像，结合同期的地面实测数据，构建了富营养化评价模型.研究表明，模型拟合优度达到0.922 7，反演得到陆浑水库的水质参数及富营养化空间分布图，其中，水库84.64%的水体呈中营养状态，贫营养及轻度、中度、重度富营养水体分别达到总体的0.03%、10.50%、3.44%、1.40%，结果显示，基于高分辨率多光谱遥感卫星影像的监测方法能精确地展现内陆水体富营养化的时空分布特征.     

利用重力卫星数据恢复地球质量迁移方法的研究

利用卫星重力数据反演地球质量迁移一直是地球物理研究领域的重要课题。主要讨论了基于重力场球谐函数反演地球表面质量变化的基本理论,推导了反演模型的基本理论公式。利用GRACE月重力场数据对反演模型公式进行了试算;并将试算结果与CPC和GLDAS模型数据进行了比较。比较结果表明:该反演模型能很好地反映某区域水储量变化,具有较好的适用性和精确性。     

基于冰川流速的喀喇昆仑地区典型冰川厚度反演与冰储量估算

文章以青藏高原喀喇昆仑地区却哥隆玛冰川、锡亚琴冰川和巴尔托洛冰川3条规模较大且具代表性的冰川作为研究对象，利用Sentinel-1A卫星雷达影像和像素跟踪算法获取冰川表面流速数据，并基于数字高程模型(digital elevation model, DEM)和冰川表面流速数据，运用层流理论对目标冰川进行厚度反演和冰储量估算；采用全球冰川厚度产品对反演结果进行准确度评价，同时探讨采用层流理论反演冰厚的内在机制及存在的不确定性。结果表明，采用层流理论反演冰川厚度具有较好的可行性。研究结果可为青藏高原冰冻圈动态变化研究提供参考。     

百花湖、阿哈水库底泥及营养盐蓄积量的估算

根据对百花湖、阿哈水库底泥分布、底泥厚度的调查情况及总氮、总磷、COD的含量测定,估算了湖库底泥和相关污染物的蓄积量。百花湖底泥平均厚度为34.3 cm,底泥干重140.9×104t。阿哈水库底泥平均厚度为45.8 cm,底泥干重84×104t。百花湖底泥中总氮、总磷、COD蓄积量分别为5400 t、1600 t、72000 t,阿哈水库底泥分别为3100 t、900 t、35900 t。并利用x射线能谱仪对底泥化学主元素进行分析。     

基于Landsat-8 OLI与Sentinel-2 MSI传感器的香港近海海域叶绿素a浓度遥感反演

为验证Landsat-8 OLI遥感数据与Sentinel-2 MSI遥感数据监测近海海域叶绿素a浓度可行性,以其为数据源,香港近海海域为研究区域,以半分析模型为方法,挑选与监测点实测叶绿素a浓度采集时间一致且遥感影像云覆盖率小于10% 影像清晰的两类遥感影像。对两类遥感影像分别选取2/3的遥感影像数据经预处理后提取其对应实测日期监测点位置遥感反射率进行相关性分析,得到相关性最高的反演因子进行建模,并且利用剩下的1/3数据对其反演回复回归模型进行精度检验,其结果与OCx模型反演结果进行对比效果显著。基于Landsat-8遥感数据建立的最佳反演回归模型为Y=6.8x2-20.77x+17.02,R2=0.906略高于基于Sentinel-2遥感数据建立的最佳反演回归模型Y=-3.345e+05x2+3826x-3.44,R2=0.801,证明了就香港近海海域叶绿素a浓度反演两类遥感数据的可行性,且两类数据的反演结果均呈现出香港近海海域内部海域叶绿素a浓度高于外部叶绿素a浓度的现象。     

关于阿哈水库水质及污染情况的研究及对策

通过调查贵阳市阿哈水库水质现状及历年水质监测情况,介绍了阿哈水库的治理效果,对存在水质恶化的问题作了分析。并对保护阿哈水库水质提出了建设性意见及对策。     

基于GF-1 WFV影像的浑河悬浮物浓度和浊度遥感反演研究

综合利用高分一号(GF-1)卫星WFV影像和地面同步水质实测数据,以沈阳浑河为实验区,分别建立悬浮物浓度和浊度反演经验模型。经验证分析GF-1WFV数据可有效反映浑河悬浮物浓度和浊度,且反演精度较好,结果均符合常规水质监测规律。同时基于浊度数据模拟的悬浮物浓度也具有较高的精度,拟合度达到0.68,可为今后简化浑河悬浮物浓度反演流程提供经验。将反演模型应用于GF-1卫星WFV数据,得到2016年9月浑河悬浮物浓度和浊度分布图,反映了浑河流域悬浮物浓度和浊度的空间变化规律。对GF-1卫星WFV数据和Thermo便携式浊度计综合运用进行中小尺度河流水质遥感监测有一定的参考价值。     

辽东湾北部碱蓬群落及滩涂土壤盐分遥感反演模型

土壤盐分是评价土壤质量的重要指标，也是影响辽河口滨海湿地盐地碱蓬生长的主要环境因素之一，提出一种实时、准确、大尺度监测碱蓬群落及周围滩涂土壤盐分的算法十分必要.为了减少大气对模型的影响，该文利用地面高光谱数据模拟Landsat 8 OLI卫星反射率，采用基于交叉验证的逐步回归分析方法构建土壤盐分反演模型.结果表明：1) 碱蓬样本的土壤盐分明显低于裸滩，海南三区域土壤盐分在总体上低于鸳鸯沟和笔架岭区域，而植株高度和生物量普遍均高于鸳鸯沟和笔架岭区域，在一定程度上说明了土壤盐分对盐地碱蓬生长的影响；2) 模拟卫星反射率构建的多光谱指数与土壤盐分的相关性相较于单波段在整体上有所提高，其中植被指数NDVI和RVI与土壤盐分的相关性较高，相关系数达到了－0.689和－0.683；3) 利用基于交叉验证的逐步回归分析法构建土壤盐分反演模型，模型的自变量为RVI、SAVI和SI3，模型的建模集决定系数R2为0.684，均方根误差(RMSE)为3.45，验证集RMSE为1.88，相对分析误差(RPD)为2.28，表明模型的反演精度和反演能力较好；为了进一步验证模型的精度，对比分析基于逐步回归分析法筛选的指数因子构建的多元线性回归反演模型，发现交叉验证的逐步回归模型的R2、RMSE均优于多元线性回归反演模型，同时土壤盐分反演值和实测值散点图更接近1∶1线，为辽东湾北部碱蓬群落及裸滩土壤盐分因子的反演提供技术及数据支持.     

基于穷举法的鄱阳湖叶绿素a浓度高光谱反演模型与应用研究——以GF-5卫星AHSI数据为例

光学特性复杂的浑浊水体叶绿素a浓度反演一直是水环境遥感研究的难点，高光谱以其波宽窄、谱段多、获取地物信息近似连续等优势，有望成为解决该难题的有效手段.该文以鄱阳湖为研究水域，利用2009年10月、2011年7月及2016年10月获取的实测高光谱及叶绿素a浓度数据，基于穷举法建立了针对高分五号(Gaofen-5， GF-5)卫星可见短波红外高光谱相机(Advanced HyperSpectral Imager， AHSI)的叶绿素a浓度三波段反演模型(决定系数R2＝0.82；均方根误差RMSE＝1.468 μg·L－1).通过与2018年10月7日Sentinel-2A卫星多光谱成像仪(MultiSpectral Instrument， MSI)的叶绿素a浓度反演结果对比分析，两者的空间分布具有较高的一致性，超过80%的研究水域相对偏差小于8%，在一定程度上证明了GF-5卫星高光谱数据在浑浊水体叶绿素a浓度反演中的潜力.     

基于WEU-Net模型的贺兰山东麓滞洪区水体信息提取

针对经典U-Net模型在贺兰山东麓滞洪区水体信息提取中存在的过拟合、泛化能力有限等问题,基于Sentinel-1合成孔径雷达卫星和Sentinel-2多光谱卫星影像提出了一种水体信息提取卷积神经网络模型(WEU-Net)。WEU-Net模型通过减少编码器与解码器的跳跃连接以及卷积核数量使网络结构简化,并引入残差块增强特征提取能力,弥补了因简化模型而损失的图像信息;在数据集方面,采用逐步回归法结合改进的归一化差异水体指数构建了Sentinel-1水体指数,优化了Sentinel-1卫星影像数据集特征丰富度。试验结果表明:WEU-Net模型预测总体精度为98.19%,F1分数为0.946 9,分别较经典U-Net模型提高了0.357 7%和0.948 8%,训练时长缩短了49.30%;融合Sentinel-1水体指数后,模型预测总体精度和F1分数分别提高了0.51%和3.16%。     

基于MODIS数据的地面颗粒物浓度估算方法

提出了一种基于卫星遥感数据的近地面颗粒物质量浓度(PM值)估计方法 .采用Terra/MODIS卫星数据和基于连续两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演算法,反演出无锡地区的气溶胶光学厚度;再利用所反演的气溶胶光学厚度与地面实测颗粒物质量浓度数据进行分析,得出颗粒物质量浓度的大小分布范围与气溶胶光学厚度的关系模型;进一步利用研究区域中地面站点监测到的颗粒质量浓度数据对估算结果进行评估.结果表明该方法所估算的PM值与地面实测数据具有较好的相关性,且地面监测的颗粒物质量浓度均分布在卫星遥感数据所估算的范围之内.本研究证明了MODIS卫星数据监测地面颗粒物质量浓度的可行性,为近地面PM值的估算提供了有效手段.     

国产高分遥感数据估算草地NPP

利用国产卫星高分一号卫星数据评估其植被第一生产力(NPP)的潜力,对植被指数取值范围、光能利用率、水分指数等参数进行修订,建立适合高分卫星数据的光能利用率模型,反演小尺度草地生态系统的生产力,利用野外观测数据对反演结果进行验证.模型模拟的数值与实测值的拟合度达到0.94,均方差为20.59 g C/(m2·a),并进一步将该结果与该区域同类型研究进行类比分析.结果表明,该模型对小尺度草地NPP估算可行,减少了工作量,为国产高分数据进行草地NPP、尤其煤矿区草地环境的监测提供了可行的技术方法,从而推动国产卫星在该地区的应用.     

淀山湖微量水质参数卫星高光谱遥感估算

水质参数总磷、总氮、溶解氧、高锰酸盐指数、pH等是表征湖泊水质的重要指标,利用遥感技术可对其进行大范围定量监测,掌握水质参数的实时变化动态.以淀山湖为研究对象,利用HJ-1A卫星HSI高光谱遥感数据,分析了这些水质指标与单波段反射率、不同波段之间反射率的比值以及不同波段之间反射率的差值之间的相关关系,给出最佳波段组合.建立了9个水质参数与水体光谱反射率之间的估算模型,并对淀山湖水体的9项主要水质参数进行估算,可为基于HJ-1A卫星的水环境业务化监测提供借鉴.     

结合实测光谱数据的珠江口水质遥感监测

河口近岸海域面积广阔,生物生产力高,受人类活动及陆源物质的影响较大,是自然因素和人为因素共同影响水体生态环境的典型区域.文章研究了珠江口近岸海域水体叶绿素a浓度和悬浮物浓度的遥感定量反演方法,并在实验水域验证了现有遥感反演模型的适用性;结合实测数据和遥感影像数据,通过统计分析建立珠江口近岸水域的叶绿素a浓度和悬浮物浓度的反演模型;利用Landsat8遥感影像反演了珠江口近岸海域叶绿素a浓度和悬浮物浓度的分布情况,提取珠江口近岸水域面状水质信息;反演结果符合理论分析和实际情况,证明本研究建立的水质参数遥感反演模型及方法适用于珠江口近岸海域水质监测.     

近十年来青草沙水库取水口水质变化趋势分析

基于青草沙水库取水口2010—2019年这10年的日监测数据,对水质的主要理化指标进行了年际和季节性变化趋势分析,并探讨了理化指标间的关联关系.结果表明:(1)青草沙水库取水口溶解氧浓度始终保持较高水平, pH值呈现弱碱性;(2)取水口氨氮浓度较低,硝酸盐氮浓度介于1.2～2.0 mg/L,总磷浓度为0.1～0.2 mg/L,高锰酸盐指数浓度为2.0～4.0 mg/L,且这4项指标从2015年开始均呈下降趋势,表明来水水质进一步变好;(3)溶解氧浓度、水温和pH值存在明显的四季变化,而总硬度、永久硬度、电导率和氯化物这4项指标受海水入侵影响且季节变化基本一致,其余指标随季节变化差异不明显;(4)总磷浓度、高锰酸盐指数浓度随浊度的升高而升高,总磷浓度和硝酸盐氮浓度随着大通流量的增加而呈现下降趋势.     

上海城市水体富营养化关键参量的遥感反演与时序分析

河口城市受到流域、海洋和局地人类活动的强烈影响,其水体面临污染和富营养化问题,对城市生态、生产、生活等造成极大压力.本项研究针对上海这一特大河口城市的不同水体类型,利用Sentinel-2遥感影像及水体实测光谱数据,构建了叶绿素a浓度和浊度两个富营养化的关键水质参量遥感快速反演模型,并分析了这两个关键参量的时序变化.结果表明:基于遥感的叶绿素a浓度、浊度,反演模型精度良好,相关系数（R²）分别为0.87、0.95,均方根误差（RMSE）分别为4.33μg/L、8.93 NTU. 2019年时序分析表明,上海城市水体叶绿素a浓度和浊度均为夏季最高,冬季最低.从水体类型上看,叶绿素a浓度从高到低为:养殖场/种植塘、永久性淡水湖、库塘、永久性河流、运河/输水河水体,浊度从高到低为:养殖场/种植塘、永久性河流、运河/输水河、永久性淡水湖、库塘.对2019年叶绿素a浓度和浊度的时序变化分析发现,在人类活动干扰较小的水体中,叶绿素a浓度和浊度的相关性较强;而人类活动影响较大的水体中,两者的相关性较弱.研究表明,利用Sentinel-2卫星影像可有效反演城市水体叶绿素a浓度和浊...     

基于自动监测和Sentinel-2影像的钦州湾溶解氧反演模型研究

钦州湾是广西近岸海域水质较差的区域,为及时了解钦州湾海域水质状况,本文借助遥感水质监测技术范围广、快速、连续、可视化程度高的优势,以高分辨率遥感卫星Sentinel-2影像数据为数据源,结合广西近岸海域自动监测数据,通过一元与多元,线性与非线性的回归分析方法建立钦州湾溶解氧浓度反演模型。研究表明,在构建的370个波段组合中,最佳波段组合分别是1/B3、lnB3/（lnB1+lnB2）和B3/（B1+B2）,其Pearson相关系数（R）分别为0.905 2,-0.897 0和-0.889 2。钦州湾溶解氧浓度反演模型中,逐步回归模型拥有最低的平均相对误差MRE （6.47%）,最低的均方根误差RMSE （0.584 5）,同时模型验证精度R²为0.654 3,稳定性较佳。本文突破了广西近岸海域传统监测的局限性,同时为钦州湾溶解氧遥感监测提供参考。     

基于HJ1B-CCD1的太湖叶绿素a含量反演

波段比值法作为比较成熟的基于生物光学对叶绿素a含量反演的经验模型,目前较多运用于对二类水体富营养化叶绿素a含量反演.本文分别对环境小卫星数据B3和B4波段作为建立模型的波段组合建立线性回归、指数、对数、多项式、幂等五种回归模型.通过R~2系数对比,发现多项式模型拟合效果最佳.经验证点对比分析,发现此模型对太湖湖区的叶绿素a含量能够进行较好的反演.     

基于高分一号影像的沙河集水库水质遥感反演

沙河集水库是滁州市重要的水源供应地,关系着市民的饮水安全问题,水质的变化监测受到了政府的高度重视。通过遥感影像实现水质参数反演,对水库水质监测和保护工作具有非常重要的理论意义。因此,利用2021年6月和7月高分一号影像和同步的实测水质数据,建立了基于多元回归和BP神经网络的叶绿素a浓度和浊度模型,并进行精度评价,对研究区定量反演,以探求水库水质分布情况。结论如下：从模型精度来看,叶绿素和浊度进行多元回归模拟的RMSE分别为0.745、0.216,R2为0.694、0.844,平均相对误差为13.19%、7.09%,;BP神经网络模拟的RMSE分别为0.103、0.19,R2为0.865、0.958,平均相对误差为2.5%、7.11%,两者对沙河集水库水质反演都具有可行性,但BP神经网络要优于多元回归;从水质遥感反演来看,2021年6月沙河集水库的叶绿素a浓度在2.2～5.6ug/l之间,7月叶绿素a浓度在1.8～6.7ug/l之间,均处于中营养状态,为Ⅱ类水质,6月浊度在0～4NTU之间,均值为1.16NTU,7月浊度值集中0.5～4.6NTU之间,库区均值为2.46NTU,总体达到了...