论文部分内容阅读
随着流域内经济的快速发展，太湖的水生态环境承受着越来越大的压力，水污染问题正成为束缚当地经济发展的瓶颈，危害着当地居民的健康，也给生产生活带来不便。太湖流域水环境的综合治理离不开水质数据的支持，遥感作为低成本、大面积获取水体表层水质信息的手段，有着常规监测不具备的优势。论文在国家自然科学基金：浅水湖泊中底质对遥感反射比的贡献(编号：40671138)的支撑下，以太湖为实验区，利用2004年10月份的野外测量的水色组份浓度、固有光学特征、表观光学特征等数据和准同步的Landsat5 TM遥感数据，按照“从遥感数据到水体反射率，再从水体反射率到水色参数”的技术思路，探讨基于分析模型的水色参数的遥感估算。主要研究内容和结论如下：
一、改进了一种基于图像本身的大气校正方法：“清洁水体像元法”。气溶胶参数的获取是大气校正过程中公认的重点和难点。根据TM中红外波段对气溶胶不敏感而对地表特征敏感的特点，来识别清洁水体像元。根据清洁水体在绿光波段的离水辐射比较稳定的特点，计算清洁水体在绿光波段的气溶胶参数，考虑到受周围城市影响的太湖上空气溶胶的不均一性，插值(而不是取平均)应用于整幅图像。基于在有限的TM可见光波段大气校正因子为1的假设，外推获取TM蓝、红波段的气溶胶参数。根据遥感成像时的几何参数和太阳辐射等可以精确计算出瑞利散射，然后基于简化的大气辐射传输模型，实现水体反射率的反演。通过与天顶反射率和准同步的实测反射率对比发现，大气校正过程有效地消除了大气效应的影响，得到了与实测值相近的水体反射率；虽然大气校正在一定程度上提高了图像的对比度，但并没有完全消除大气对遥感图像均质化作用的影响。基于图像本身信息估算气溶胶参数，大大提高了大气校正方法的实用性。
二、以Gordon生物光学模型为理论基础，利用实测的水体固有光学特征(IOPs)、表观光学特征(AOPs)和水体组份浓度(WQPs)数据，完成模型的参数化，构建用于水色参数遥感估算的分析模型。进行分析模型的正向模拟，根据模拟光谱与实测光谱的相关系数、相对误差和均方根误差，来评价分析模型的正向模拟效果，结果表明该分析模型可以很好地模拟水体反射率光谱。基于分析模型进行了水体反射率光谱对水色参数的敏感度分析，从而为选择最佳的估算波段提供理论支持。敏感度分析的结果表明：水体遥感反射率对无机悬浮物的敏感度总体水平很高，红光和绿光波段最高，蓝光波段相对较低；对有机悬浮颗粒的敏感度总体水平较高，在绿光波段最高，蓝光波段其次，红光波段最低；对叶绿素的敏感度总体水平较低，其峰值出现在红光波段出现，蓝、绿波段都非常低；对黄色物质的敏感度总体水平最低，蓝、绿波段相对较高，红光波段最低。
三、基于分析模型进行水色参数的TM遥感估算。三个TM可见光波段反射率对水色参数的最大敏感度从大到小依次为：无机悬浮物、有机悬浮物、叶绿素和黄色物质。在有限的TM波段的情况下，更多地关注悬浮物和叶绿素的估算。固定其它水色参数和模型参数，通过等步长变化悬浮物和叶绿素浓度，正向模拟TM反射率与水色参数的相关关系。结果表明，TM3与悬浮物浓度呈指数函数关系，该指数函数可以用于悬浮物的估算。与悬浮物相比，TM反射率对叶绿素的敏感度低了许多，因此选取水色环境相对近似的梅梁湾作为试验区。在特定的悬浮物浓度下TM2/TM3与叶绿素浓度呈明显地线性关系，这种线性函数的斜率和截距又都可以表达为悬浮物浓度的函数。悬浮物浓度的估算结果作为已知，根据TM2/TM3可以估算出叶绿素浓度。将上述方法应用于经过大气校正的TM水体遥感反射率数据，实现了悬浮物和叶绿素的TM遥感估算。与实测水色组份浓度的对比表明，估算的悬浮物浓度能够很好地反映太湖悬浮物的分布规律；受叶绿素低敏感的影响，叶绿素的估算结果的精度有限，但能大体上反映叶绿素的分布特点。
在缺乏实测大气参数的情况下，利用本文改进的“清洁水体像元法”，可以实现TM数据的大气校正；基于分析模型的水色参数TM遥感估算模型，在缺乏野外测量数据的情况下，可应用于相似的水色环境。本文给出的从遥感数据到水体反射率、再到水色参数的完整技术思路和基于分析模型的水色遥感估算的研究成果，对水色遥感具有重要的理论意义和应用价值。
有待进一步研究的工作，主要是扩大实地光谱测量的时间范围，研究不同季相的太湖水色的光谱特征，完善分析模型。借助于同步实测大气参数评价和改进基于图像本身的气溶胶参数估算方法，并考虑水体临近像元散射来消除大气对遥感数据均质化的影响，进一步完善在太湖这样复杂水环境下的基于图像本身的大气校正方法。