内陆湖泊水质遥感反演方法研究

内陆湖泊水质遥感反演方法研究研究内容与方法

本文在分析总结国内外水质参数反演已有理论和方法的基础上，以主要水质遥感监测指标叶绿素a及悬浮物为主要研究对象，基于二类水体各组分的光谱特征分析，较系统的研究了利用地面实测数据反演湖泊主要水质组分的方法和技术，构造了针对内陆湖泊的水质反演经验模型及分析模型，并进一步采用MODIS数据与地面同步数据，对所建地面模型进行反演验证，以探索中低分辨率下内陆湖泊水质参数遥感定量反演的可行性，从而为今后治理、利用和保护内陆湖泊水质提供参考和依据。武汉大学遥感信息工程学院总体技术路线武汉大学遥感信息工程学院内容提要地面实测数据采集、处理与分析

内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择

基于经验方法的水质反演模型构建与应用

基于分析方法的水质反演模型构建与应用MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探地面实测数据采集武汉东湖各子湖及主要采样点分布示意图时间

07年1-9、1-29、3-20、10-26、11-6采集内容光谱数据、水质参数浓度、GPS位置信息、风速、水温、气温、湿度仪器

EPP2000光谱仪HydrolabDS5水质监测仪光谱采集国际水色SIMBIOS计划推荐观测几何

表面法水体光谱测量要求武汉大学遥感信息工程学院地面实测光谱数据处理离水辐射Lw太阳直射光镜面反射Lg天空光镜面反射Lsky水体反射总能量用于水质参数定量反演最佳波段及组合选择的研究参与分析模型中水体组分固有光学特性参数解算其准确性直接关系水质遥感的反演精度水体反射率低，而镜面反射很强，很容易接近甚至超过正常水体反射率的量级这部分光谱不带有任何水体信息，干扰水质信息提取水面白帽

Lwc武汉大学遥感信息工程学院地面实测光谱数据处理太阳直射耀斑去除data9同一测点上连续测量10条曲线仅用时1秒，其间可认为入射水面的天空光均匀恒定，离水辐射无明显变化。因此，曲线间的光谱波动差异，可认为主要是由水表对太阳直射光的随机反射即太阳耀斑所引起的。因而，对同一测点测得一组光谱曲线中数值最低的那条曲线：武汉大学遥感信息工程学院地面实测光谱数据处理各主采样点位天空光气-水界面反射率天空光气-水界面反射率求解目标水域受悬浮泥沙散射、水面漂浮及残余太阳耀斑等因素影响，其离水辐射在1130nm以后基本为0。因此，选取各测点最低水体光谱曲线及其对应的天空光光谱曲线的1130nm至1300nm波段范围以确定天空光气-水界面反射率：武汉大学遥感信息工程学院地面实测光谱数据处理残余太阳耀斑去除水体出水反射率求解

由于太阳直射光在水表发生的镜面反射在各波段的反射率基本一致，因此各波段残余太阳耀斑的大小与入射到水面的太阳直射光成比例相关：武汉大学遥感信息工程学院地面实测数据采集、处理与分析

内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择

基于经验方法的水质反演模型构建与应用

基于分析方法的水质反演模型构建与应用MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探内容提要水质组分光谱特征分析短波强吸收Chl-a及胡萝卜素散射藻青蛋白等的吸收峰含藻类水体最显著的光谱特征水体是否含有藻类叶绿素的依据之一其位置是Ch-a浓度的指示随Ch-a浓度增大而向长波移动

悬浮泥沙浓度与光谱反射峰值存在良好相关性随水体含沙量增加向长波方向移动，称为“红移”主反射峰肩状反射Chl-aSST武汉大学遥感信息工程学院单波段相关分析归一化波段与Chl-a未归一化反射率与水质参数相关性不明显归一化波段与SST归一化反射率与Chl-a原始浓度相关性更高归一化反射率SST浓度对数值相关性更高未归一化波段与SST未归一化波段与Chl-a武汉大学遥感信息工程学院叶绿素a与波段组合相关分析

归一化波段比

归一化波段差

归一化波段和差比

Chl-aChl-a对数

三种组合与Chl-a原始浓度的相关系数绝对值在0.9以上的有217个

三种组合与Chl-a浓度对数值的相关系数绝对值均小于0.9武汉大学遥感信息工程学院Chl-a浓度与波段组合相关分析归一化波段比

归一化波段差

归一化波段和差比

Chl红波段吸收峰与550nm处反射峰的比值

Chl

715nm处反射峰与550nm处反射峰的比值以Chl蓝波段吸收峰与550nm反射峰之比的相关系数绝对值0.9516为最高Chl715nm处反射峰及其峰值移动范围内各波段的差值最大值相关系数为0.9660Chl蓝波段吸收峰与715nm反射峰范围波段的和差比Chl

685nm荧光峰与680nm至715nm处反射峰的和差比最大正负和差比相关系数分别为0.9540、-0.9257

武汉大学遥感信息工程学院悬浮泥沙与波段组合相关分析归一化波段比

归一化波段差

归一化波段和差比

SSTSST对数

三种组合与SST原始浓度的相关系数绝对值在0.9以上的有174个

三种组合与SST原始浓度对数值的相关系数绝对值在0.9以上的有3849个武汉大学遥感信息工程学院SST浓度对数与波段组合相关分析归一化波段比

归一化波段差

归一化波段和差比

最大正相关比值组合相关系数为0.9510最大负相关比值组合相关系数为-0.9496最大正相关差值组合相关系数为0.9201最大负相关差值组合相关系数为-0.9525最大正相关值和差比相关系数为0.914最大负相关和差比组合相关系数为-0.9554武汉大学遥感信息工程学院地面实测数据采集、处理与分析基于经验方法的水质反演模型构建与应用内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择

基于分析方法的水质反演模型构建与应用MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探内容提要偏最小二乘法原理

设原始的自变量矩阵X包含p个变量，因变量矩阵Y包含q个变量，样本数为m，PLS的第一步，作矩阵分解，其模型为：

式中：T，U是X矩阵和Y矩阵的得分矩阵，含有两两正交的隐变量，分别为X矩阵和Y矩阵中变量的线性组合；P，Q是X矩阵和Y矩阵的载荷矩阵；E，F为用PLS模型拟合X和Y所引进的误差，k为建立模型所引进的变量的维数。PLS方法要求X分解的隐变量t与Y分解得到的隐变量u为最大重叠或相关性最大，然后再建立t和u的回归方程：

式中e为残差矢量，系数v根据最小二乘确定。并且，PLS把矩阵分解和回归并为一步，即X矩阵和Y矩阵的分解是同时进行的，并且将Y信息引入X矩阵分解过程中，在每计算一个新主成分之前，将X得分和Y得分进行交换，使得X主成分直接与Y关联武汉大学遥感信息工程学院在建立模型时，若采用过少主因子，其模型预测准确度就会降低，称为欠拟合。若使用过多主因子，就会增加信息冗余，使模型预测能力下降，称为过拟合。因此，合理确定参加建立模型的主成分数是一个重要的步骤。当样本较少时，为充分利用样本，目前最常用的判别主因子适合个数的方法为PRESS判据法

。每次都将m个样本中m-1个用作建模样本，剩下的一个样本作检验样本，如此循环下去m次，留下一个样本做估计，最后可得m个估计值及预报残差值，再将这m个残差值平方求和，即为PRESS：

式中的hii表示第i个样本到样本中心的广义化距离。PRESS值越小，表示模型的预报能力越强。PRESS判据原理武汉大学遥感信息工程学院参与构建PLS1经验模型的波段组合武汉大学遥感信息工程学院PLS1经验模型叶绿素a浓度反演R2=0.9897F=375.8总平均相对误差11.11%精度最好残差集中在±6μg/L

主因子数为8时PRESS最小主因子数为8时预测平均残差最小武汉大学遥感信息工程学院PLS1经验模型悬浮泥沙浓度反演R2=0.9973

F=367.4总平均相对误差10.18%精度最好主因子数为8时PRESS最小主因子数为8时预测平均残差最小残差集中在±5mg/m3

武汉大学遥感信息工程学院地面实测数据采集、处理与分析基于分析方法的水质反演模型构建与应用内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择

基于经验方法的水质反演模型构建与应用

MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探内容提要分析模型的推导

入射总光辐照度

入水透过率出水透过率出水方向上的散射作用对水深H积分得整层水体出水反射光武汉大学遥感信息工程学院分析模型的改进

悬浮泥沙以反射为主的水质遥感定量模型

悬浮泥沙以散射为主的水质遥感定量模型

武汉大学遥感信息工程学院分析模型参数解算

纯水相关参数解求

纯水散射系数曲线

武汉大学遥感信息工程学院分析模型参数解算纯水相关参数解求

近似清洁水体样本光谱整体反射率很低光谱在800nm后反射率下降为零叶绿素a浓度为1.83μg/L悬浮泥沙浓度为1.0mg/m3纯水吸收系数曲线

武汉大学遥感信息工程学院分析模型参数解算悬浮泥沙及黄色物质相关参数解求

低叶绿素浓度样本光谱整体反射率比近似纯水稍高

675nm及700nm附近未出现明显的叶绿素吸收峰及荧光反射峰特征Chl-a浓度1.97μg/L，2.04μg/LS、C均为波长的函数

S初始值设置为0.019C初始值设置为0.1%求解所联立的非线性方程组得到各波段S与C武汉大学遥感信息工程学院陆地泥沙消光截面C曲线

黄色物质吸收系数曲线S均值为

0.0209

与其他研究一致将所得S值代入即可求得黄色物质吸收系数分析模型参数解算武汉大学遥感信息工程学院分析模型参数解算叶绿素a相关参数解求

叶绿素特征突出的样本光谱叶绿素反射峰与吸收峰对比明显悬浮泥沙的双峰特性也有所体现CChl-a:

30.49μg/L16.54μg/L

CSST:

27.97mg/m314.69mg/m3武汉大学遥感信息工程学院分析模型参数解算叶绿素散射系数曲线

叶绿素吸收系数曲线

武汉大学遥感信息工程学院分析模型水质参数反演结果选择438nm,500nm-600nm,676nm,685nm至750nm共169个波段参与分析模型水质参数值估计CChl-a估计CSST估计总平均相对误差25.29%

总平均相对误差26.56%

低浓度样本误差较大各浓度范围样本精度相当相对误差≤30%的样点占70.59%

10%＜相对误差≤30%的样点占82.36%武汉大学遥感信息工程学院地面实测数据采集、处理与分析

MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择

基于经验方法的水质反演模型构建与应用

基于分析方法的水质反演模型构建与应用内容提要MODIS数据预处理数据时间

2007年1月9日、1月29日、3月20日、10月26日，11月6日几何信息

GeographicLat/Lon等经纬度投影，参考基点为WGS-84结合1B级数据中所带经纬度信息数据范围

经剪裁后覆盖武汉东湖地区经纬度范围为：左上角东经北纬右下角东经北纬大气顶光谱反射率计算辐射定标日地距离订正卫星天顶角订正采用波段MODIS数据412nm至946nm范围内的第1-4波段，及第8-16波段并将各波段数据重采样为500米分辨率武汉大学遥感信息工程学院

MODIS数据大气校正结果

采用一种适用于二类浑浊水体的大气校正算法样点01092样点10263样点03204样点11062误差12.39％误差17.65%误差18.39％误差13.36%21个样点大气校正前后反射率总平均相对误差为25.03%武汉大学遥感信息工程学院基于MODIS数据的PLS1经验模型

与Chl-a的相关系数绝对值大于0.7的19个波段组合比值类组合整体相关性大

高相关波段组合集中于波段3、4、9、11、13其中最大相关系数绝对值为0.8084与SST的相关系数绝对值大于0.84的34个波段组合比值类组合整体相关性大高相关波段组合集中于波段2、4、8、11

、15、16其中最大相关系数绝对值为0.8985武汉大学遥感信息工程学院基于MODIS数据的PLS1经验模型

Chl-a预测结果

主因子数为9时PRESS最小残差集中在±10μg/L

R2

=0.9017F=311.3总平均相对误差26.04%各浓度范围样本精度相当武汉大学遥感信息工程学院基于MODIS数据的PLS1经验模型

SST预测结果

主因子数为10时PRESS最小R2

=0.9238F=357.2总平均相对误差

25.63%高浓度样本误差较大残差集中在±15mg/m3

武汉大学遥感信息工程学院基于MODIS数据的分析模型

MOIDS波段响应函数

利用MODIS波段响应函数，将地面数据应用于MODIS分析模型的参数解算，在一定程度上避免了将大气纠正误差带入模型的参数武汉大学遥感信息工程学院基于MODIS数据的分析模型

陆地泥沙消光截面C曲线

黄色物质吸收系数曲线