基于分段映射模型的水质参数遥感反演研究
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指 导意 义 。最 后 利 用 太 湖 Ｔ 影 像 数 据 和 同步 实 测 水 质 数 据 为 例 ， 证 了该 算 法 的可 行 性 。 Ｍ 论 关键 词 遥 感 ；分 段 映 射 反 演算 法 ； ｗ ｏ 插 值 算 法 ；水 质 Ｎｅ ｔｎ 中 图分 类号 ： Ｐ ３ ． Ｔ ７２ ２ 文献标识码 ： Ａ Ｄ ：１． ９ ４ ｊｉ ｎ １ ０－５ ３ ２ １ ）０２ ８—５ ＯＩ ０ ３ ６／． ｓ． ０ ００ ９ （０ ０ １～７ ４０ ｓ
摘
要 以数据 为驱动 的遥感建模方法片面地强调模型模拟值 与实测值 总体偏差 最小 ，而忽视局 部偏差状
况， 进而可能导致 模型局 部模拟值 与实测值偏差过大 。针对这种建 模方 法的缺陷 ， 以水质 参数反演 为例 ， 提 出了分段映射反演算法Biblioteka Baidu。 该算 法将水 质参数浓度 与遥感参 数之 间的映射关 系分解 为若 干分段 函数 ，每一区 段参数 问的关系 由该 区段 内的实测数据 （ 简称 为节点 ） 和插 值 函数决定 。通过分析 以 Ｎｅ ｏ ｗｔｎ插值算 法作为 插值 函数 的分段 映射反演模型可知 ，该算法 能保 证每个 节点处 的模 型计算值 与实 验值一致 ，并且 能较好地 拟合分 布趋势复杂 的实验数据 。此外 ， 分段映射反演模 型对野 外水质样 本采集 实验 的规 范化具有 较大理论
演太湖悬浮泥沙和叶绿素 ａ 浓度的分布状况 ， 论证 了该算 法
引 言
随着社 会经 济的发展 ，水资源短 缺问题 日益 突 出，传统 的水质 管 理 与监 测 技 术 则越 来 越 难 以应 付 这种 矛 盾 的 挑 战ｌ 。遥感数据 、 １ ］ 实测数据 和水质反 演模型综 合体 的出现有 助 于缓 和 这 种 矛 盾 ＿ 。通 常 ，水 质 参 数 定 量 模 型 可 分 为 【 ： ２ ］ ３ ］
通常情 况下，定量模型所涉及的经验参数是通过 优化算 法获取 ， 且定量模型至少 为一 阶光滑 曲线 。然而 ，由优 化算
法解得的最佳代价函数不 能保证模 型的计算值与实测值 的精
确相等 ， 甚至在有些 函数 区间段 内存 在过大偏 差 ， 而导致 进 模 型在偏差较大的函数 区间段 内反 演效 果较差 。 文基于上 本 述问题的考虑 ， 出了分段映射反演算 法 。该算法在保 证节 提
第３ 卷 ， １ 期 Ｏ 第 Ｏ ２０１０年 １ ０月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １３ ， ｏ １ ，ｐ ７４２ ８ ｏ． ０Ｎ ．０ ｐ２ ８—７ ８
Ｏｃ ｏ ｅ ，２ １ ｔｂｒ ０ ０
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
基 于 分 段 映 射 模 型 的 水 质 参 数 遥 感 反 演 研 究
陈 军 ，温 珍 河 ，付 军 。
１ ．国 土 资 源部 海 洋 油 气 资 源 与 环境 地 质 重 点 实 验 室 ，山东 青 岛 ２ ６ ７ ６０ １ ２ ．青 岛海 洋地 质 研 究 所 ，山东 青 岛 ２ ６ ７ ６０ １
大 约 从 水 面 到 水 下 ３ ｍ 处 的水 体 样 本 ，取 样 后 立 即 放 人 有 ０ｅ
冰块 的冷藏箱 ，当天带 回实验 室处理 。根据湖 泊测量 操作流
收 稿 日期 ： ０ ９１—０ ２ ０ —１３ ．修 订 日期 ：２ １—３０ ０ ００ —６
Ｆｉ．１ Ｄｉｔｉ ｕｔｏ ｏｆｔ ｅ ｇ ｓ ｒｂ ｉｎ ｈ ｓｔ ｉｕ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｎ Ｔａ ｈ Ｌａ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｓｉ ｉｕ ｋ
基金项 目： 国家“ 十一五” 科技支撑项 目（ ０ ８ Ａ ３Ｂ ３ 和 国家地质大调查专项 （２ ２ １ ５ １ ０ ） ２０Ｂ Ｃ ４０ ） １ １０ ０ １ ３ ２ 资助
布够 密集 时 ，（ ） 就是水 质参数 与光 学参数 （ ８式 如反射 率） 之 间的精 确关 系。该性质对于水色遥感实验 中的水质样 本采集 规范化具有 较大的理 论指导意义 ， 体现在 以下几个方 面 ：
（） １ 合理 的 水 质 样 本 应 分 布 在 水 质 参 数 与 光 学 参 数 关 系
作者简介： 陈 军， ９２ １８ 年生， 青岛海洋地质研究所实习研究员
ｅ ａ ： ｈ￣ ｎ２７１ ６．ｏ － ｉ ｃｅ ｕ８０ １＠１３ｃｍ ｍ ｌ
第１ Ｏ期
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０
光谱学与光谱分析
２ ８ ７５
ｍ ０ 图 ２ 在表观光学量观 测的 同时 ， ∞ 。 使 用尼 克森采 水器 取表层
分 析 模 型 、 分 析 模 型 与 经 验 模 型 。虽 然 水 色 遥 感 取 得 了 长 半
的可行性 。
１ 研究 区域 与数 据
根据水色光学测 量和数 据处理 的有关 规范 ，在 ２０ ０ ３年 ｌ Ｏ月 ２ ７日，利用 ＡＳ Ｄ野外地物光谱仪 Ｆｅ Ｓ ｅ ｒ 对 图 １ ｉｄｐｅ ｏ ｌ Ｐ 所示的站点分别进行 了水体光谱的测量 。 站点的光谱曲线见
点处模型值与实测值 精确相等的前 提下 ， 将水质 浓度参数 与
光 学 参 数 之 间 的 映 射 关 系 分解 为若 干 分 段 函数 ，每 一 区段 特
Ｈｚｏ ｕｈｕ
征量之间的关系由实测数 据（ 简称为节点） 和采用 的插值 函数 决定 。 此外 ，本文以 Ｎｅ ｏ ｗｔｎ插值算法为例 ， 结合 ２ ０ ０ ３年 １ Ｏ 月２ ７日的太湖水质参 数实测数 据和 Ｔ 影像数 据 ， 合反 Ｍ 综
Ｎ
足的发 展 ， 但是业务化反演算法的精度 仍然不 高，主要 原 因
可归结为 ：（） １水体成分 的复杂性导致 反演机理难 以把握 ；
（） ２ 水体信号太弱导致 水体 信息提 取 困难 ¨ ｊ ３ 定量模 型 ５ ；（ ） 。
的 不 统 一 性 及模 型偏 差 的 验证 难 ＿ 。 ８ ’
摘
要 以数据 为驱动 的遥感建模方法片面地强调模型模拟值 与实测值 总体偏差 最小 ，而忽视局 部偏差状
况， 进而可能导致 模型局 部模拟值 与实测值偏差过大 。针对这种建 模方 法的缺陷 ， 以水质 参数反演 为例 ， 提 出了分段映射反演算法Biblioteka Baidu。 该算 法将水 质参数浓度 与遥感参 数之 间的映射关 系分解 为若 干分段 函数 ，每一区 段参数 问的关系 由该 区段 内的实测数据 （ 简称 为节点 ） 和插 值 函数决定 。通过分析 以 Ｎｅ ｏ ｗｔｎ插值算 法作为 插值 函数 的分段 映射反演模型可知 ，该算法 能保 证每个 节点处 的模 型计算值 与实 验值一致 ，并且 能较好地 拟合分 布趋势复杂 的实验数据 。此外 ， 分段映射反演模 型对野 外水质样 本采集 实验 的规 范化具有 较大理论
演太湖悬浮泥沙和叶绿素 ａ 浓度的分布状况 ， 论证 了该算 法
引 言
随着社 会经 济的发展 ，水资源短 缺问题 日益 突 出，传统 的水质 管 理 与监 测 技 术 则越 来 越 难 以应 付 这种 矛 盾 的 挑 战ｌ 。遥感数据 、 １ ］ 实测数据 和水质反 演模型综 合体 的出现有 助 于缓 和 这 种 矛 盾 ＿ 。通 常 ，水 质 参 数 定 量 模 型 可 分 为 【 ： ２ ］ ３ ］
通常情 况下，定量模型所涉及的经验参数是通过 优化算 法获取 ， 且定量模型至少 为一 阶光滑 曲线 。然而 ，由优 化算
法解得的最佳代价函数不 能保证模 型的计算值与实测值 的精
确相等 ， 甚至在有些 函数 区间段 内存 在过大偏 差 ， 而导致 进 模 型在偏差较大的函数 区间段 内反 演效 果较差 。 文基于上 本 述问题的考虑 ， 出了分段映射反演算 法 。该算法在保 证节 提
第３ 卷 ， １ 期 Ｏ 第 Ｏ ２０１０年 １ ０月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １３ ， ｏ １ ，ｐ ７４２ ８ ｏ． ０Ｎ ．０ ｐ２ ８—７ ８
Ｏｃ ｏ ｅ ，２ １ ｔｂｒ ０ ０
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
基 于 分 段 映 射 模 型 的 水 质 参 数 遥 感 反 演 研 究
陈 军 ，温 珍 河 ，付 军 。
１ ．国 土 资 源部 海 洋 油 气 资 源 与 环境 地 质 重 点 实 验 室 ，山东 青 岛 ２ ６ ７ ６０ １ ２ ．青 岛海 洋地 质 研 究 所 ，山东 青 岛 ２ ６ ７ ６０ １
大 约 从 水 面 到 水 下 ３ ｍ 处 的水 体 样 本 ，取 样 后 立 即 放 人 有 ０ｅ
冰块 的冷藏箱 ，当天带 回实验 室处理 。根据湖 泊测量 操作流
收 稿 日期 ： ０ ９１—０ ２ ０ —１３ ．修 订 日期 ：２ １—３０ ０ ００ —６
Ｆｉ．１ Ｄｉｔｉ ｕｔｏ ｏｆｔ ｅ ｇ ｓ ｒｂ ｉｎ ｈ ｓｔ ｉｕ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｎ Ｔａ ｈ Ｌａ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｓｉ ｉｕ ｋ
基金项 目： 国家“ 十一五” 科技支撑项 目（ ０ ８ Ａ ３Ｂ ３ 和 国家地质大调查专项 （２ ２ １ ５ １ ０ ） ２０Ｂ Ｃ ４０ ） １ １０ ０ １ ３ ２ 资助
布够 密集 时 ，（ ） 就是水 质参数 与光 学参数 （ ８式 如反射 率） 之 间的精 确关 系。该性质对于水色遥感实验 中的水质样 本采集 规范化具有 较大的理 论指导意义 ， 体现在 以下几个方 面 ：
（） １ 合理 的 水 质 样 本 应 分 布 在 水 质 参 数 与 光 学 参 数 关 系
作者简介： 陈 军， ９２ １８ 年生， 青岛海洋地质研究所实习研究员
ｅ ａ ： ｈ￣ ｎ２７１ ６．ｏ － ｉ ｃｅ ｕ８０ １＠１３ｃｍ ｍ ｌ
第１ Ｏ期
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０
光谱学与光谱分析
２ ８ ７５
ｍ ０ 图 ２ 在表观光学量观 测的 同时 ， ∞ 。 使 用尼 克森采 水器 取表层
分 析 模 型 、 分 析 模 型 与 经 验 模 型 。虽 然 水 色 遥 感 取 得 了 长 半
的可行性 。
１ 研究 区域 与数 据
根据水色光学测 量和数 据处理 的有关 规范 ，在 ２０ ０ ３年 ｌ Ｏ月 ２ ７日，利用 ＡＳ Ｄ野外地物光谱仪 Ｆｅ Ｓ ｅ ｒ 对 图 １ ｉｄｐｅ ｏ ｌ Ｐ 所示的站点分别进行 了水体光谱的测量 。 站点的光谱曲线见
点处模型值与实测值 精确相等的前 提下 ， 将水质 浓度参数 与
光 学 参 数 之 间 的 映 射 关 系 分解 为若 干 分 段 函数 ，每 一 区段 特
Ｈｚｏ ｕｈｕ
征量之间的关系由实测数 据（ 简称为节点） 和采用 的插值 函数 决定 。 此外 ，本文以 Ｎｅ ｏ ｗｔｎ插值算法为例 ， 结合 ２ ０ ０ ３年 １ Ｏ 月２ ７日的太湖水质参 数实测数 据和 Ｔ 影像数 据 ， 合反 Ｍ 综
Ｎ
足的发 展 ， 但是业务化反演算法的精度 仍然不 高，主要 原 因
可归结为 ：（） １水体成分 的复杂性导致 反演机理难 以把握 ；
（） ２ 水体信号太弱导致 水体 信息提 取 困难 ¨ ｊ ３ 定量模 型 ５ ；（ ） 。
的 不 统 一 性 及模 型偏 差 的 验证 难 ＿ 。 ８ ’