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曹妃甸近岸海域悬浮泥沙遥感反演半分析模型的建立与应用

雷佩平  
【摘要】:近岸海域是联系海洋和大陆之间物质和能量交换的重要场所。水质恶化、海洋生态系统失衡、赤潮灾害频发等海洋生态环境问题日益明显,近岸海域资源和环境问题正受到越来越多的关注。悬浮泥沙是水环境评价的重要参数,目前,遥感已成为水体悬浮泥沙监测的重要手段。悬浮泥沙遥感反演模式主要有:经验统计模式、半经验半分析模式、理论分析模式。半经验半分析模式介于理论分析模式和经验统计模式之间,具有一定的理论基础,近年来得以充分研究和应用。与传统意义的经验统计模式相比,半分析模型无论是在悬浮泥沙反演的方法还是精度上都得以显著提高,实现了传统悬浮泥沙遥感反演的“黑箱模式”向“灰箱模式”转变。 本文以2009年ALOS遥感数据为数据源,在分析曹妃甸地区实测光谱数据和悬浮泥沙浓度的基础上,建立了基于经验模式遥感反演模型;利用辐射传输理论,推算水体固有光学量;通过对悬沙固有光学参数与浓度的相关性分析,结合水体生物光学理论模型,建立了基于半分析模式的遥感反演模型;通过对经验模型、半分析模型的应用与对比分析,结果显示,曹妃甸近岸海域悬浮泥沙遥感反演,半分析模式优于经验模式,平均相对误差为30.83%,均方根误差(RMSE)为4.22mg/l。研究成果,为进一步深入研究曹妃甸近岸海域悬浮泥沙遥感反演模式,奠定了基础,具有重要的理论和实际意义。 主要研究内容包括: (1)曹妃甸近岸海域悬沙光谱特性研究; 实测各站点光谱数据,计算水体表面遥感反射率,绘制光谱反射率随悬沙浓度变化的光谱曲线图,并分析其特征与规律。 (2)曹妃甸近岸海域悬沙浓度经验统计遥感反演模式研究; 基于ALOS遥感数据产品,依据实测光谱数据和表层悬浮泥沙浓度,利用统计回归方法建立悬浮泥沙浓度遥感反演经验统计算法。 (3)曹妃甸近岸海域悬沙浓度半经验半分析遥感反演模式研究; 利用现场实测光谱数据、粒径数据和表层悬浮泥沙浓度实测数据对水体中悬浮颗粒物的固有光学参数进行推算;建立基于吸收系数与后向散射系数的遥感反演半分析模型。 (4)曹妃甸近岸海域悬沙浓度遥感反演经验模式与半分析模式的对比分析。 通过三种评价指标从反演模型与反演结果两方面对半分析模型与经验模型进行对比分析,选择最佳遥感反演模型。 取得的成果和结论: 1)水体光谱曲线因水体中悬浮泥沙的浓度不同而存在差异,遥感反射率呈双峰特征,其第一峰出现在550~600nm区间,第二峰出现在800nm左右。根据光谱曲线特征和实测光谱反射率与实测悬浮泥沙浓度的相关分析可知,Band4、Band3/Band1、Band3/Band2、Band4/Band1为悬浮泥沙遥感监测的敏感波段。 2)利用实测光谱数据和悬浮泥沙浓度数据,建立悬浮物浓度与对应波段遥感反射率的经验统计模式,结果显示,Band3/Band2的二次多项式模型相关系数R2最高,为0.977;根据经验模型的反演结果,对反演精度进行评定,平均绝对误差为5.34mg/l,平均相对误差为36.77%,均方根误差(RMSE)为6.02mg/l。 3)采用固有光学量与悬浮泥沙浓度相关系数R2为0.998的3波段建立经验统计模型;表观光学量和固有光学量建立理论分析模型;联立两个模型建立悬沙遥感反演半分析模型SSC=30.829-494.891*Rrs+2487.318*Rrs2。根据半分析模型的反演结果,对反演精度进行评定,平均绝对误差为3.61mg/l,平均相对误差为30.83%,均方根误差(RMSE)为4.22mg/l。 4)通过对两种反演模型的对比和分析,半分析模型的精度优于经验模型,平均相对误差由36.4%提高到30.83%;均方根误差由5.06mg/L提高到4.22mg/L,反演精度得到明显提高。


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