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江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目申报表推荐学校：南京信息工程大学项目名称：基于HY-1B卫星COCTS数据的太湖水质参数遥感研究项目类型： 重点项目 一般项目 指导项目所属一级学科名称：08工学项目负责人：国文哲 / 党晓岩联系电话/导教师：龚绍琦 / 孙德勇联系电话/报日期：2013年4月16日江苏省教育厅 制二一三年三月项目名称基于HY-1B卫星COCTS数据的太湖水质参数遥感研究项目所属一级学科08工学项目所属二级学科0812测绘类项目类别（ ）重点项目 （ ）一般项目 （ ）指导项目项目实施时间起始时间： 2013年 5 月 完成时间： 2014 年 6 月项目简介(100字以内）本课题以国产海洋卫星HY-1B水色扫描仪COCTS为遥感资料，结合现场实测的数据，开展主要水质参数叶绿素、悬浮物和水温的遥感研究，建立适用于内陆水体遥感的定量模型，促进国产海洋卫星资料在我国资源与环境监测中的应用。申请人或申请团队姓名年级学号所在学院/专业联系电话E-mail主持人国文哲2010级20101335046遥感学院/遥感科学与技术13851816256276016173党晓岩2010级20101335050遥感学院/遥感科学与技术15195913215790222010成员曹珊珊2010级20101335052遥感学院/遥感科学与技术15195773165276715049王昕明2011级20111335013遥感学院/遥感科学与技术15651699667402357248马海翔2011级20111335001遥感学院/遥感科学与技术187519753681327268604指导老师第一指导老师姓名龚绍琦单位南京信息信息工程大学年龄34专业技术职务副教授、硕导主要成果1、主要科研项目主持完成国家自然科学基金“湖泊水体光学特性及遥感监测机理研究（40801145）”，主持在研教育部重点实验室开放基金“西南地区干旱遥感监测及农业灾情评估（KLME1005）”和“长江三角洲地区气溶胶光学厚度遥感及时空变化规律研究”。2、主要科研论文1）龚绍琦. 中国区域大气加权平均温度的时空变化及模型，应用气象学报，2013，待刊2）Shaoqi Gong, Guokai Dong, Deyong Sun, et al. Application of HJ/IRS to Retrieve Water Surface Temperature in Lake Taihu, China, Proceedings of the International Conference on Information Science and Technology, 2011, 560-565 (EI收录)3) Shaoqi Gong, Guokai Dong, Deyong Sun, et al. Retrieval of Atmospheric water vapor from MODIS and Analysis of its seasonal variability over Chinese continent, Proceedings of the Fourth International Conference on Information and Computing Science, 2011, 325-330(EI 收录)4）龚绍琦，王鑫，沈润平等. 滨海盐土重金属高光谱遥感研究，遥感技术与应用，2010，25（2）：169-1775）Shaoqi Gong, Deyong Sun, Qiaohua Zhao. Retrieval of Water-leaving Radiance from Remote Sensing Image HJ/CCD in Inland Waters，2010 International Conference on Circuit and Signal Processing：120-126 6）Gong Shaoqi, Huang Jiazhu, Li Yunmei, et al. Comparison of Atmospheric correction method for TM in inland waters. International Journal of Remote Sensing，2008，29（8）：21992210（SCI收录）7）龚绍琦，黄家柱，李云梅等.水体氮磷高光谱遥感实验研究初探，光谱学与光谱分析，2008，28(4)：839-842（SCIE收录）8）龚绍琦，黄家柱，李云梅等.应用时间序列分析法对太湖叶绿素-a含量的动态模拟.海洋与湖沼，2008，39（6）：591-5989）龚绍琦，黄家柱，李云梅等. 基于GIS下的太湖水质富营养化模糊综合评价.环境科学，2005，26(5)：34-37（EI收录）3、主要教学成果（1）主持省级教改项目：2012年度江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题“地学研究生培养模式的研究与实践”（项目编号：JGLX12_056）；（2）指导2012年度国家级大学生实践创新训练计划项目“海洋卫星HY-1B水色扫描仪COCTS在轨交叉辐射定标研究”（项目编号：201210300008）。第二指导老师姓名孙德勇单位南京信息工程大学年龄29专业技术职务讲师主要成果1、主要科研项目主持国家自然科学基金“面向水色要素遥感反演的太湖水体光学分类研究（41101340）”，主持在研教育部重点实验室开放基金“基于水体光学分类的太湖叶绿素a浓度高光谱遥感”和“基于光学分类的湖泊水体藻蓝蛋白浓度高光谱遥感”。2、主要科研论文在国内外学术期刊发表论文20余篇，代表论文如下：1）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Parameterization of Water Component Absorption in Inland Eutrophic Lake and Its Seasonal Variability A Case Study in Lake Taihu. International Journal of Remote Sensing, 2009, 30(13), 3549-3571. (SCI)2）Sun Deyong, Li Yunmei, and Wang Qiao. A unified model for remotely estimating chlorophyll a in Lake Taihu, China based on SVM and in situ hyperspectral data. IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, 2009, 47(8), 2957-2968. (SCI)3）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Light scattering properties and their relation to the biogeochemical composition of turbid productive waters: A case study of Lake Taihu. Applied Optics, 2009, 48(11), 1979-1989. (SCI)4）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Detection of suspended matter concentrations in optically complex Lake Taihu, China comparison of DSFs- and SVM-based models. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2010, 7(4), 816-820. (SCI)5）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Partitioning particulate scattering and absorption into contributions of phytoplankton and non-algal particles in winter in Lake Taihu (China). Hydrobiologia, 2010, 644(1), 337-349. (SCI)6）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Development of optical criteria to discriminate various types of highly turbid lake waters. Hydrobiologia, 2011, 669, 83-104. (SCI)7）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. A novel support vector regression model to estimate the phycocyanin concentration in turbid inland waters from hyperspectral reflectance. Hydrobiologia, 2012, 680, 199-217. (SCI)8）Sun Deyong, Li Yunmei, Wang Qiao et al. Specific inherent optical quantities of complex turbid inland waters, from the perspective of water classification. Photochemical & Photobiological Sciences, 2012, 11, 1299-1312. (SCI)3、主要教学成果1）孙德勇，徐永明，陈健. 项目教学法在专业遥感课程教学中的应用. 地理空间信息，2011，9（6）：148-152.2）孙德勇，肖英霞. 大学生习得性无助感的教育与心理成因分析，中国校外教育，2011，5：19一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）1、项目组成员自身具备的知识条件 本项目成员都是遥感科学与技术专业的学生，进入大学以来，项目组成员勤奋好学，课上弄清基本知识，课下积极拓展知识，积极开展科学实践活动。经过前期的学习，我们己经初步具备了实施本项目的相关知识。通过遥感原理和辐射传输理论的学习，具备获取遥感图像信息和进行数据校正的能力；通过C语言、IDL可视化交互语言课程的学习，掌握了遥感图像处理的编程工具。我们各有各的长处，有的动手能力较强，有的专业软件应用熟练，有的专业理论基础较强，有的逻辑分析和编程能力较强，大家各展所长，相互促进，共同提高。大家取长补短，相互配合，一定能把本项目的研究内容圆满完成。2、项目组成员特长、兴趣及已有的实践创新成果国文哲：女，2010级遥感科学与技术专业学生，性格沉稳与活泼兼具，有责任感，善于思辨，获院演讲比赛一等奖、朗诵比赛三等奖。学习成绩优秀，获校“二等奖学金”，以优异成绩通过国家英语四级、六级考试，全国计算机二级考试。曾任职于校大学生科协、遥感院学生会、遥感院辩论队，获院“学生会优秀工作者”、校“优秀共青团员”、院“优秀志愿者”。综合实践能力强，获“三下乡社会实践优秀个人”，对科技创新有浓厚兴趣。党晓岩：女，2010级遥感科学与技术专业学生，现担任班级宣传委员，学习成绩优秀，通过了全国英语四级和计算机二级。性格开朗活泼，工作认真负责，积极参加学校举办的各种比赛。在2011年度获得心理美文大赛三等奖，红色记忆板报设计比赛中获三等奖，风云杯百科知识大赛中获团队二等奖。曾担任科协技术部副部长，参加PS大赛等。社会实践能力强，曾获校暑期社会实践团队一等奖。对科研有浓厚兴趣，并具备一定的专业知识。曹姗姗：女，2010级遥感科学与技术专业学生，曾担任分团委特聘信息员、分团委秘书部及学生会新闻部干部。积极参加竹笛社、go实践社等社团活动，去敬老院为老年人表演武术。个性稳重，踏实肯干，积极向上，有较强责任感，品行端正。通过国家英语四、六级及国家计算机二级考试，获全国大学生英语竞赛三等奖，获校三等奖学金、移动奖学金、校三好学生称号，此外还获校级排球赛第四、校级篮球赛第六、校级乒乓球团体赛第八、院级排球对垫第三。马海翔：男，2011级遥感科学与技术专业学生。性格活泼，对工作认真负责，有很强的责任心和荣誉感；爱好广泛，积极参加各种文体活动；有对新鲜事物的追逐爱好，学习成绩优秀，通过了国家英语四、六级考试，校“三等奖学金”。王昕明：男，2011级遥感科学与技术专业学生，曾任班级组织委员，校科协成员。现任遥感学院红十字会副秘书长，遥感学院辩论队教练。性格开朗乐观，兴趣广泛（旅游，羽毛球，游泳等），善于沟通交流，工作充满激情且条理清晰，擅长组织策划。本科期间积极参加学校活动，曾连续两届荣获南京信息工程大学校辩论赛最佳辩手，以及荣获校学生组织优秀干事。二、项目方案具体内容包括：（一）项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）1、 国内外的研究现状及研究意义 湖泊是一种重要的淡水资源，以其巨大的储水能力为人们提供了水利防洪、供水用水、水产养殖以及气候调节等多种功能。由于大量排污、滥用农药化肥、水土流失、围垦等一些不合理的开发活动给诸多湖泊环境造成了不良影响，湖泊富营养化、水体淤积或萎缩、生态破坏与水质恶化等环境问题不断出现和发生。太湖是我国第三大湖泊，其生态环境问题在我国众多湖泊中较为典型，已成为政府和学术界关注的焦点和热点。研究太湖水生态环境必须从水质监测入手，常规的水质监测方法是在预先布设的监测点上进行水质采样，然后带回实验室进行分析，该方法虽然能够对水质参数做出精确的分析和评价，但费时费力、效率低，且只能了解监测断面上水质情况，受监测点数目和采样的次数的限制，往往很难获取大范围内水质参数的分布和变化情况，不能满足对水质适时、大尺度监测评价的要求。遥感技术的进步和迅速发展，为水质监测提供了一种有效的技术手段。利用卫星遥感能进行大范围内水质空间分布及动态的定量分析，在一定程度上弥补常规监测时空间隔大、费时费力的缺点，为太湖快捷、全面、周期性水质监测发挥重要的作用。我国海洋HY-1B卫星是第一颗海洋卫星（HY-1A卫星）的后续星，星上载有一台10波段的海洋水色扫描仪COCTS和一台4波段的海岸带成像仪。该卫星在HY-1A卫星基础上研制，其观测能力和探测精度均有进一步增强和提高，主要用于探测叶绿素、悬浮泥沙、可溶有机物及海洋表面温度等要素和进行海岸带动态变化监测，为海洋经济发展和国防建设服务。 湖泊水质参数中叶绿素浓度对水中浮游藻类有很好的指示作用，悬浮物含量可以反映水质清澈程度，悬浮物和水温对鱼类、藻类等水生生物的生长繁殖有重要的影响。目前，水体叶绿素、悬浮物和水温的遥感已有一定的研究基础，但应用国产卫星，特别是海洋卫星HY-1B卫星水色扫描仪COCTS进行内陆水质参数遥感研究较少，开展HY-1B/COCTS在内陆水体太湖的遥感研究，可以推进国产卫星资料在我国资源与环境监测中的应用，同时也补充和完善COCTS进行水色遥感的算法。由于藻类叶绿素的存在，使得水体光谱具有典型的光谱特征。在400500nm范围内，由于叶绿素在蓝紫光波段的吸收，以及黄色物质的强烈吸收作用，水体的反射率较低，在440nm附近有一吸收峰。670nm附近是叶绿素a的又一吸收峰，因此当藻类密度较高时水体光谱反射率曲线在该处出现谷值，550580nm范围的反射峰是由于藻类叶绿素和胡萝卜素弱吸收和细胞的散射作用形成的，该反射峰值与色素组成有关，可以作为叶绿素定量标志；因为藻蓝素的吸收峰在624nm处，所以630nm附近出现反射率谷值或呈肩状；685715nm范围反射峰的出现是含藻类水体最显著的光谱特征，其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据，反射峰的位置和数值是叶绿素a浓度的指示，其出现原因是由于水和叶绿素a的吸收系数之和在该处达到最小。基于叶绿素的光谱特征，目前已有众多国内外学者对水体叶绿素a浓度的遥感进行了很多的研究，并建立了相应的估计模型。Han等【1】通过分析地面实测高光谱数据发现，叶绿素a浓度与690nm处一阶微分反射率的相关性要高于705和670nm波段的反射率比值。Frater【2】对美国22个内陆湖的光谱反射率与叶绿素a和浑浊度的关系进行研究，发现695处一阶微分反射率与叶绿素a浓度的相关性最好。Gons等【3】引入776nm处后向散射校正后，利用704和672nm波段反射率作为变量，发展了浑浊的海湾及内陆湖泊叶绿素的遥感反演算法。2003年Gitelson等【4】首先提出用于估算陆地植被色素含量的三波段遥感反射率模型。无论是美国的海岸带水色扫描仪（CZCS），还是NOAA卫星改进的高分辨率辐射计AVHRR或者是SeaSTAR卫星的SeaWiFS，以及其它高分辨率光谱仪所获得的海水叶绿素信息，对于浑浊的富营养化水体，高浓度的悬浮物和黄质，会使背景光学特性发生显著变化，蓝绿波段所反映的叶绿素信息在很大程度上被减弱。我国海洋HY-1B卫星的水色扫描仪COCTS最大程度地突出了叶绿素a的吸收特征，减小了水体中悬浮物和黄质对吸收及后向散射的影响，增加反演精度。通过建立一种用于HY-1B卫星COCTS数据反演二类水体叶绿素浓度的适用模型，对于水质参数遥感具有重要的意义。 悬浮物浓度是水环境评价的重要参数，悬浮物的多少决定了水体的透明度，进而决定了太阳光照在水下的分布和水生植物对光照的利用，最终决定了湖泊初级生产力。目前国内外学者对悬浮物遥感开展了一定的研究，如 Williams【5】对切萨比克湾进行了悬浮物的遥感定量工作，发现了悬浮物与卫星遥感数据呈线性系。Chen ZM等【6】对18种不同浓度不同类型不同粒径的悬浮物在3502500nm范围的光谱特征研究，结果表明在450700 nm波段范围，悬浮物浓度与反射率是一种对数线性关系，而在7001015 nm波段范围呈线性关系。此后国内外很多学者针对不同水域，建立悬浮物浓度与特征波段光谱或光谱组合的回归方程。 水温反演算法中目前最成熟、最主要的算法就是多通道反演算法，也叫分裂窗算法。针对NOAA卫星上的AVHRR传感器和Terra/Aqua卫星上的MODIS传感器的水温反演算法已经相当成熟，算法形式可以分为多通道海温反演MCSST和非线性海温反演NLSST两大类，目前算法已经用于业务化运行。党顺行等【7】使用美国NOAA气象卫星AVHRR的红外波段数据反演中国东海渔区海表温度，郑嘉淦等【8】利用MODIS遥感数据反演过东海海域海表温度。然而，针对我国HY-1/COCTS水温反演的研究相对较少，因此需要验证其水温反演精度及提高其业务化应用水平。 本课题利用HY-1B卫星COCTS数据进行太湖水质参数的定量遥感研究，通过对数据的预处理，建立适用于二类水体叶绿素和悬浮物遥感的定量模式，并进行水温的遥感与精度的验证，试图建立简单实用、精度较好的温度遥感统计模型，对促进HY-1B/COCTS数据业务化应用，为湖泊资源的合理开发利用、湖泊生态环境的保护具有重大意义。参考文献：1 Han L, Rundquist DC. Comparison of NIR/RED radio and first derivative of reflectance in estimating algal-chlorophyll concentration :A case study in a turbid reservoirJ.Romote Sens Environ, 1997, 62(3):253-261.2 Frater R N. Hyper spectral remote sensing of turbidity and chlorophyll a among Nebraska sang Hills lakesJ. Int J Remote Sensing,1998,19(8):1579-15893 Gons H J. Optical teledetection of chlorophyll a in turbid inland waters J.Environ Sci Technol, 1999,33(7):1127-1132.4 Gitelson A A, Gritz Y, Merzlyak M N. Relationships between leaf chlorophyll content and spectral reflectance and algorithms for nondestructive chlorophyll assessment in higher plant leavesJ.J Plant Physiol,2003,160(3):271-282.5 Williams A N, Grabau W E. Sediment concentration mapping in tidal estuariesC. Third Earth Resources Technology Satellite-1 Symposium, NASA SP-351, 1973,1:1347-1386.6 Chen Z M，Hanson J D, Curran P J. The form of the relationship between suspended sediment concentration and spectral reflectance: its implications for the use of satellite dataJ. International Journal of Remote Sensing, 1991，12(1):215-222.7 党顺行，杨崇俊，王宇飞，等. 卫星遥感海表温度反演研究J.高技术通讯，2001，11(3):49-52.8 郑嘉淦，李继龙，杨文波. 利用MODIS遥感数据反演东海海域海表温度的研究J. 海洋渔业，2006，28(2):141-146. 2、项目已有的基础 课题组成员均为遥感专业的学生，英语和计算机水平都很好，熟悉和掌握遥感基本原理、辐射传输理论、海洋遥感、遥感数字图像处理方法以及数理统计知识，具备了开展本课题的技术和理论基础。 另外，两位指导教师是我校遥感专业的骨干教师，主要从事水色遥感的科学研究，主持了与本项目相关的国家自然科学基金课题，发表过多篇相关的科研论文，对指导本项目的实施能发挥重要作用。 3、与本项目有关的研究积累和已取得的成绩 从HY-1B卫星发射以来，两位老师在国家自然科学基金的支持下，分别于2007年11月8-21日、2008年11月1021日、2009年4月16-27日和2012年7月31日-8月10日在太湖开展了大型的水体光学实验，测定水体不同深度的辐亮度和辐照度、吸收和散射系数、叶绿素、悬浮物、水温以及气象环境等数据，同时，已向国家卫星海洋应用中心申请到了相应时间COCTS 1B级的遥感数据，能为本课题的顺利开展积累了良好的数据基础。 课题组成员勤奋好学、学习成绩优秀、责任感强，热爱科技创新，善于沟通交流、团队合作，在学校组织的各种活动中荣获各种荣誉称号（详见“申请理由”部分）。为本项目的开展积累了良好经验，能够顺利完成研究目标。 4、已具备的条件，尚缺少的条件及方法 本项目将依托我校江苏省遥感应用示范实践中心，己拥有良好的软硬件设备，能够为本项目的实施提供遥感图像处理软件、开放实验机房，满足项目正常工作。 目前尚缺的条件主要是经费的支持，用于研究区实地调查观测，购买遥感影像数据存储硬盘和光盘，数据服务费用、文献资料打印和复印、以及论文出版费用等，拟争取国家、江苏省和学校各级主管部门的立项支持。（二）项目研究目标及主要内容1、研究目标 以太湖为试验区，以主要水质参数叶绿素、悬浮物和水温为研究对象，采用统计回归分析法，利用我国海洋卫星HY-1B水色扫描仪COCTS资料为遥感数据源，建立HY-1B/COCTS适用于二类水体叶绿素和悬浮物遥感的定量模型；结合分裂窗算法，进行太湖水温遥感的精度验证，并建立COCTS水温遥感的统计模型，以期实现HY-1B/COCTS在内陆水体遥感监测，提高国产海洋卫星的业务化水平。2、主要内容（1）基于HY-1B/COCTS资料的太湖叶绿素遥感定量模型研究在HY-1B/COCTS数据预处理的基础上，分析叶绿素浓度与COCTS可见-近红外波段遥感反射率的相关性，探索叶绿素遥感的敏感波段，构建叶绿素遥感的光谱变量，建立叶绿素遥感定量模型，并模型精度验证。反演太湖叶绿素专题信息，绘制叶绿素浓度空间分布图。（2）基于HY-1B/COCTS资料的太湖悬浮物遥感定量模型研究在HY-1B/COCTS数据预处理的基础上，分析悬浮物浓度与COCTS可见-近红外波段遥感反射率的相关性，探索悬浮物遥感的敏感波段，构建悬浮物遥感的光谱变量，建立悬浮物遥感定量模型，并模型精度验证。反演太湖悬浮物专题信息，绘制悬浮物浓度空间分布图。（3）基于HY-1B/COCTS资料的太湖水温遥感研究根据分裂窗算法对COCTS第9和10两热红外波段数据，进行太湖水面温度的遥感反演，利用实测水温值对反演结果进行精度评价。在此基础上，利用COCTS第9和10两波段的辐射亮温，结合实测水温，建立太湖水温遥感的统计模型，以期为HY-1B/COCTS太湖水温监测提供简便实用的遥感模型。（三）项目创新特色概述 海洋产业是我国科技战略发展的重要领域，HY 1卫星我国自主研发的继风云气象卫星、中巴资源卫星之后发射的海洋卫星，HY 1卫星应用和发展潜力巨大。本课题开展HY 1 B卫星水色扫描仪COCTS在太湖水质参数遥感研究，建立了COCTS针对二类水体叶绿素、悬浮物和水温遥感算法，提升了国产海洋卫星的应用领域。（四）项目研究技术路线COCTS可见-近红外数据COCTS热红外数据水面遥感反射率叶绿素/悬浮物浓度大气顶层辐射亮温叶绿素/悬浮物光谱变量叶绿素/悬浮物遥感模型精度验证叶绿素/悬浮物专题信息反演水温算法不确定度实测水温太湖水温遥感模型精度验证水温专题信息数据预处理分裂窗 算法图1 研究技术路线图（五）研究进度安排2013年5月1日2013年8月31日：对HY-1B/COCTS数据预处理，包括图像的几何校正、辐射校正和大气校正，可见-近红外波段得到水面遥感反射率，热红外波段得到大气透过率、大气下行和上行辐亮度；2013年9月1日2013年12月31日：叶绿素和悬