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矿业扰动区水质参数高光谱遥感反演

韩留生  
【摘要】:煤炭的大规模开发和利用,对周围的水资源带来严重的破坏,主要体现在煤矿的开采以及交通运输使得周围地表水中叶绿素a、悬浮物浓度较高,水体发黑、发臭,严重地危害了周围人体健康,迫切地需要对矿区地表水体进行有效的监测。利用遥感技术监测地表水质具有成本低、范围广、速度快的优点,遥感监测技术能够反映水质在空间和时间上分布和变化情况,还能够揭示常规方法难以解释的污染物迁移特征和污染源,因而遥感在该区域水质监测可以发挥越来越重要的作用。针对矿区地表水体遥感反演面临的问题,本文以兖州矿济宁矿区为研究区,重点研究矿业扰动区水体组分的敏感波段的选择,并基于敏感性分析构建水质参数的反演模型,实现矿业扰动区地表水体的遥感反演。本文的研究工作如下: (1)主要水质参数敏感光谱特征分析。叶绿素、总悬浮物对光谱特征的敏感性很大程度上决定了反演的精度,因此如何选择水质参数的敏感波段至关重要。鉴于矿区背景复杂,水体光谱特性微弱,研究中采用一阶微分、归一化、包络线去除等多种光谱处理手段,增强水体光谱特征。研究表明以上光谱处理手段能够增强光谱与水体组分间的相关性。 (2)反演模型的构建。基于光谱敏感特性分析,采用统计方法构建了叶绿素a、总悬浮物的反演模型,研究中分别采用了单波段、波段比值、波段差值作为模型变量。并采用RMSE对模型精度进行了评估。 (3)邻近效应的去除。研究区水域面积较小,需使用高分辨率的遥感影像,然而高分辨率影像邻近效应严重,本研究中采用辐射传输方程对影像进行邻近效应的去除。结果表明目标的反射率受到邻近效应的影响,反射率曲线向着接近于背景的方向发生变化,邻近效应去除后的光谱更接近于地物实际的光谱。 (4)基于高光谱影像的反演。地面实测光谱与卫星传感器获得遥感影像每个通道的光谱分辨率不一致,研究中将地面光谱采集为对应的星载高光谱传感器通道,并构建相应水质参数反演模型,将构建的反演模型应用于预处理后的星载高光谱影像,得到叶绿素a、总悬浮物的空间分布。研究表明反演结果能够较好地体现出水质参数的空间分布。 (5)遥感反演结果的验证。几何纠正不可避免的存在误差,使得地面采样点与卫星影像上的点位不匹配。验证时,考虑到二者之间的空间匹配误差,以地面采样区域的经纬度为中心,使用5*5个像元的均值与地面分析结果相比较。从结果可以看出,水质参数反演结果精度在70%以上,达到了较高的精度。


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