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赤潮光谱数据获取与特征规律分析研究

崔廷伟  
【摘要】: 我国拥有1.8万公里的漫长海岸线,海洋资源丰富。随着沿海城市工业化的发展,海洋生态环境受到严重破坏;赤潮灾害频发,已经成为我国的一大海洋灾害和三大近海污染问题之一。 赤潮是海水中的浮游生物在一定条件下过度繁殖或聚集致使海水变色的一种生态异常现象,因其具有随机性、突发性、持续时间短、影响范围大等特点,客观上要求利用航空高光谱遥感技术对其进行监测;但首要的前提与基础性工作是大量获取赤潮水体的现场光谱数据,通过处理与分析,掌握其光谱特性,不断充实赤潮优势种类的光谱数据库。本文的工作正是在此背景下层开的。 论文由五部分组成。 论文首先在第一章中对于海洋光谱数据获取、处理与分析等方面的国内外研究进展与动态进行了综述与分析,为相应研究工作的开展奠定了较完整的方法基础,具体包括:(ⅰ)海洋光谱数据获取方法;(ⅱ)海洋光谱数据处理方法;(ⅲ)海洋光谱数据分析方法。 我们采用围隔实验培养赤潮为主,现场捕获赤潮为辅的光谱数据获取策略:依据围隔实验以及赤潮自身的特殊性,选用了海面以上光谱数据获取法(above water method)来完成赤潮光谱数据的获取工作;具体的实验器材选择、操作规程确定、注意事项等内容在第二章中进行了详细阐述。 第三章是本论文的核心部分。对所获光谱数据进行处理,得出了丹麦细柱藻、海洋褐胞藻、中肋骨条藻、红色中缢虫等不同优势种类赤潮水体的遥感反射率光谱曲线;上述数据处理步骤、数据处理结果以及不同赤潮种类的生物特征在本章的3.1节给出。 为了定量表达赤潮水体的光谱吸收特征,3.2节进行了光谱吸收深度(H)、吸收宽度(W)、吸收面积(A)、吸收峰对称性(S)等特征吸收参数的提取方法研究。对中肋骨条藻三条参考光谱的吸收特征参数与叶绿素a浓度进行了相关分析,发现450~520nm区间光谱吸收深度与叶绿素a浓度有较好的正相关关系,625~700nm区间吸收峰的对称性与叶绿素a浓度呈正相关关系,吸收宽度与叶绿素a浓度呈负相关关系。由于可供比对分析的叶绿素a浓度数据数量有限,本节的研究还只是对相应内容的初步探讨, 结论的普适性有待进一步检验。 光谱微分方法是一种简单而有效的确定光谱曲线极值点波长位置的方法。3.3节 运用该方法得出了实验赤潮水体光谱曲线的两个反射峰和一个吸收峰的波长范围,并 对其产生机理进行了分析;更为重要的是,利用光谱曲线第二反射峰的波长位置实现 了赤潮与非赤潮水体的光谱辨别,以及红色中绕虫、海洋褐胞藻等不同优势种类赤潮 的识别。 光谱匹配是一种基于整体波形相似性的光谱识别方法。3.4节将光谱角度制图 (SPectral Angl“MapPing,SAM)这一光谱匹配方法引入赤潮光谱识别研究之中,所进行 的赤潮优势种类识别取得了令人较为满意的结果:红色中绕虫、丹麦细柱藻赤潮的光 谱识别取得了成功;海洋褐胞藻赤潮有误识别的情况发生;只有中肋骨条藻赤潮的识 别失败。文中对误识别产生的可能原因进行了分析,并指出了相应的改进方法。 3.5节对互相关光谱匹配(eross eorrelogam speetral Matching,eesM)方法用于赤 潮优势种类识别研究进行了尝试,红色中绕虫、丹麦细柱藻、海洋褐胞藻赤潮的识别 取得成功,中肋骨条藻赤潮的识别失败。总体来看,CCSM识别结果较SAM更佳, 但也存在误识别的可能。 在上述工作的基础上,论文的第四章提出了《赤潮现场光谱调查规范》,力图对 赤潮现场光谱数据获取、处理与分析工作起指导作用,内容包括:赤潮现场光谱调查 前的准备工作;(ii)赤潮现场光谱调查操作规程;(iii)其他注意事项;(iv)光谱数据处理。 第五章对本论文所取得的研究成果和结论进行了总结与讨论,在此基础上指出了 论文工作中尚存在的不足与改进措施以及下一步的工作方向。


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