4.+水体遥感-4.3+水体参数反演

0.4
0.0
400 450 500 550 600 650 700 波长（nm）
◼ 叶绿素a的吸收和后向散射系数
叶绿素a的吸收系数可表达为：
(Pierson and Strombeck, 2001; Ma,2006a)
a ph ()
=
a
* ph
(
)CCHL
=
A( )CC1−HBL( )
为了定义该幂函数关系，需要对测 量的每一个波长点光谱（n＝67） 用回归方法获取系数A和B
1.0
利用HydroScat6测量的六个波长点（412, 488, 532, 589, 676, 852nm） 的总后向散射系数，根据下式计算SPIM的后向散射系数：
SPIM浓度范围较大(2～147mg/L)， Jupp（1994）给出的函数无法很好 地拟合5个波长点的SPIM后向散射 系数，特别是当SPIM浓度>30mg/L 时，拟合精度<0.1。因此，利用实 测水体反射率光谱和其他水色组份 的吸收和散射系数，反推求出SPIM 后向散射系数光谱
半经验分析方法：将固有光学参数IOP作为中介，在AOP与IOP之 间经验函数关系基础上，加入IOP与所求物理量之间的解析模型， 最终建立AOP与物理量之间的对应关系
辐射传输模型：以水体上行辐射与水体成分的吸收、散射特性之 间的辐射传输理论为基础，通过多种辐射传输方程的近似求解， 建立反演模型
水色遥感
0.9
A
0.8
B
0.7
R^2
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
400
450
500
550
600
650
700
波长（nm）
浮游植物吸收光谱的回归系数A和B
叶绿素a的后向散射系数与吸收系数成反比，可以表示为在参考波长550nm处 的后向散射与形态因子aph(550)/aph(λ)的乘积 (Sathyendranath,1989)
2007和2008年太湖蓝藻暴发
饮用水危机
典型特征水域考察（2008-5-13）
梅梁湾条带状蓝藻
贡山湾蓝藻暴发
无锡自来水取水口
梅梁湾太湖站附近
卫星遥感数据
◼ 传感器：Landsat -5 TM ◼ 选择波段：
蓝 (450~520nm) 绿 (520~600nm) 红 (630~690nm) 近红外 (760~900nm) 中红外 (2080~2350nm) ◼ 空间分辨率：30m ◼ 成像日期：2004-10-14 ◼ 数据来源：中国遥感卫星地面站
– 参考波长取440nm，形态因子Sd = 0.0117作为分析模型通用参数
– SPOM在440nm处的吸 收系数与其浓度相关， 可表示为SPOM浓度和 在波长440nm处的单位 吸收系数的乘积：
ad
(440)
=
a
* d
(440)CSPOM
= 0.2711CSPOM
部分样点的SPOM模拟光谱
◼ 无机悬浮物的后向散射系数
400
24#_Meas 24#_Sim
Cspim=27.3; Cspom=9.5; Cchl=7.7; ag440=1.05.
450 500 550 600 650 700
0.06
28#_Meas
0.05
28#_Sim
0.04
0.03
0.02
Cspim=33.7; Cspom=7.37;
Cchl=22.5; ag440=0.854. 0.01
bbSPIM ( ) = bbSPIM (442)SbSPIM ()
bbSPIM(442)= 0.0354 作为通用参数
442nm归一化的后向散射系数
bbSPIM () = bb () − bbph () − 0.5bw ()
1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
59#_Meas
59#_Sim
0.03
0.02
0.02 0.01
Cspim＝4.9
Cspim=4.93; Cspom=1.73;
0.01
Cchl=2.62; ag440=0.732.
0.00 400 450 500 550 600 650 700
部分样点的模拟水体反射率光谱与实测光谱的对比
◼ 评价参数
bbph
()
=
0.01*
0.12
*
C 0.63 CHL
* a ph (550)
a ph ()
=
0.0012*
C1+B( )−B(550) CHL
A(550)
A()
◼ 有机悬浮物的吸收系数
– SPOM吸收光谱与CDOM的光谱特征相似，随波长呈指数规律下降：
ag () = ag (0 ) exp[−sg ( − 0 )]
0.00 400 450 500 550 600 650 700
0.06
33#_Meas
0.05
33#_Sim
0.04
0.03
0.02
Cspim=63.6; Cspom=10.0;
Cchl=11.7; ag440=0.753. 0.01
0.00 400 450 500 550 600 650 700
Pearson决定系数R2 相对误差RE 均方根误差RMSE
◼ 评价结果
分析模型可以很好地模拟反射 光谱在400～700nm范围内的变 化趋势
模拟反射率光谱与实测光谱之 间存在一定偏离，但绝大多数 样点偏离幅度不大
700
700
Rrs () sim − Rrs ()meas
RE = =400
太湖TM图像 (RGB432)
野外测量数据
水色组分浓度
悬浮物浓度 (SPM, 单位: mg/L) 有机物浓度 (SPOM, 单位: mg/L) 无机物浓度 (SPIM, 单位: mg/L) 叶绿素浓度 (CHL, 单位: ug/L) 黄色物质浓度 (CDOM, 单位: mg/L)
固有光学特征
◼ 正向模拟对水色遥感的意义： ① 通过水体物质组分的变化估测遥感反射率的变化，进而确定不同传感
器的适用性，推演所得的数据可以用来评价、改进已有的遥感算法， 有利于提高水质遥感估算的精度 ② 通过对模拟遥感反射率与实测遥感反射率的分析，可以分析遥感反射 率对模型参数的敏感度，从而可以改进模型参数以提高估算精度
而水色组分的吸收系数和后向散射系数可表示为水体组分单位浓度与 单位吸收系数、单位散射系数的乘积
分析模型可以通过固有光学特征IOP在水色组分浓度和表观光学特征 AOP之间建立可分析的相关关系，因此是利用分析模型进行水色参数 遥感估算的理论基础
◼ 纯水的吸收和散射系数 通过文献获得（Pope & Fry, 1997; Smith, 1981）
CDOM是DOC中可吸收光的部分（紫外到可见光）
技术路线
AOP, IOP, WQP
分 析
模型参数化
模
型
正向模拟
敏感度分析
Landsat-5 TM图像
反
图像预处理
演
模
大气校正
型
水体反射率
SPM估算模型 估算的SPM浓度
估算模型 模型应用
CHL估算模型 估算的CHL浓度
研究区概况
◼ 太湖位于长江三角洲，是我国东部最大的湖泊 ◼ 地理范围 30.93～31.56 N，119.88～20.62 E ◼ 水面面积约 2338 km2，平均水深仅1.89 m
0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
0.7
bbw
aw
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
散射系数(m-1) 吸收系数(m-1)
波长 414 429 444 459 474 489 504 519 534 549 564 579 594 609 624 639 654 669 684 699
比值会消除太阳天顶角的变化带来的影响，此处采用 f / Q ＝0.0922
模型参数化
根据实测水体固有光学特征数据完成分析模型的参数化
水体的总吸收系数和总后向散射系数可以表示为水体中各水色组分吸 收系数和后向散射系数的贡献和：
a() = aw ()+ ag ()+ aph ()+ ad () bb ( ) = bbw ( )+ bbph ( )+ bbSPIM ( )
400
平均的后向散射系数 标准化后向散射系数 20# 13# 30# 31# 2# 33# 50#
450
500
550
600
650
部分样点的模拟效果
700 （nm）
正向模拟
Rrs () = f (CSPIM , CSPOM , CCHL , ag (440))
◼ 正向模拟就是基于分析模型，利用水色参数（WQP）来模拟水体遥感 反射率（AOP）的过程
实例：太湖水色参数陆地卫星遥感估算（王得玉，2008）
◼ 以生物光学模型为理论基础，利用实测的水体固有光学特征、表观光学特征 和水体组分浓度数据，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，并进行水体反射率对水色参数的敏感度分析，为 选择最佳的估算波段提供理论支持。结果表明：水体遥感反射率对无机悬浮 物的敏感度很高，红光和绿光波段最高；对有机悬浮颗粒的敏感度较高，在 绿光波段最高；对叶绿素的敏感度较低，其峰值出现在红光波段
◼ 基于分析模型进行水色参数的遥感估算。TM3与悬浮物浓度呈指数关系，该 指数函数可以用于悬浮物的估算；考虑到水体遥感反射率对叶绿素的敏感度 较低，在特定的悬浮物浓度下TM2/TM3与叶绿素浓度呈明显的线性关系
有关缩略词
CHL 叶绿素a SPM 悬浮物 SPIM 悬浮无机物 SPOM 悬浮有机物 DOC 可溶性有机碳/黄色物质 CDOM 有色可溶性有机物 WQP 水质参数 IOP 固有光学特征 AOP 表观光学特征 TOA 大气层顶反射率
0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00
400
55#_Meas 55#_Sim
Cspim＝118
Cspim=118.3; Cspom=21.0; Cchl=14.0; ag440=1.0172.
450 500 550 600 650 700
0.04
0.03
SPOM, CHL, CDOM的吸收系数(单位: m-1) 水体的后向散射系数(单位: m-1)
表观光学特征
64个野外测量采样点的分布 （测量日期:2004/10/18-29）
使用ASD的水体测量专用双通道地物波谱仪 FieldSpec 931， 测量离水辐射亮度和天空光辐射亮度，计算水体的反射率
纯水的吸收和散射系数
◼ 黄色物质的吸收系数
– 其吸收光谱从紫外和蓝波段随波长的增加呈指数规律下降：
ag () = ag (0 ) exp[−sg ( − 0 )]
– 参考波长取440nm，形态因子Sg=0.01323, ag (440)=1.0363作为通用参数
不同形态因子的模拟效果
部分样点的模拟效果
=400
700
Rrs ()meas
=400
64样点正向模拟评价的统计描述
采样点 R2 平均值 0.97 最小值 0.57 最大值 1.00
RE RMSE
0.14
0.19
0.00
0.06
0.65
0.56
敏感度 敏感度
敏
感
度
分
析 的 结
2.0 (b) 敏感度－SPIM
1.6
SPIM 果 1.2
0.8
4.3 水体参数遥感反演 水色遥感
◼ 利用遥感技术直接或间接探测水体参数：叶绿素a浓度（Chl-a）、悬 浮泥沙含量、水深（水体透明度SD）、水温、黄色物质（溶解性有 机物DOM等）
◼ 水色遥感反演方法
经验统计方法（主流）：遥感数据（表观光学参数AOP）与所求 物理量之间建立经验-统计回归分析模型
为了把水体正向光学模型与水色遥感反演和光谱测量联系起来，需要把
R− ( ) 转换成 Rrs ()
⚫ 水体表面遥感反射率可以源自文库义为离水辐照度与水体表面入射辐照度之比
Rrs ()
=
Lw () Ed+ ()
=
1 Q
R− ()
=
f Q
bb () a() + bb ()
• f 和Q的值会随着太阳天顶角的不同而变化，但变化的趋势相近，因此它们的
水质采样
天空光和水体的辐亮度
标准灰板的辐亮度
理论基础
• 水面以下水体的辐照度比（Gordon, 1975）： R− () = f bb () a() + bb ()
f 为可变常量，a() 和 bb () 分别为水体总吸收系数和总后向散射系数
• 在水色遥感中，经过水气界面校正的水体表面遥感反射率 Rrs () 更为常用，
0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0.00
400
3#_Meas 3#_Sim
Cspim=37.2; Cspom=10.4; Cchl=17.7; ag440=1.274.
450 500 550 600 650 700
0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0.00