内陆湖泊水质遥感反演方法研究

纯水吸收 系数曲线
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分析模型参数解算
悬浮泥沙及黄色物质相关参数解求
低叶绿素浓度样本光谱
整体反射率比近似纯水稍高 675nm及700nm附近未出现明显的叶 绿素吸收峰及荧光反射峰特征
Chl-a浓度 1.97μg/L，2.04μg/L
S、C均为波长的函数 S初始值设置为 0.019 C初始值设置为 0.1% 求解所联立的非线性方程组 得到各波段S与C
MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探
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MODIS数据预处理
数据时间 2007年1月9日、1月29日、3月20日、10月26日，11月6日 几何信息 Geographic Lat/Lon等经纬度投影，参考基点为WGS-84 结合1B级数据中所带经纬度信息 数据范围 经剪裁后覆盖武汉东湖地区 经纬度范围为：左上角东经 北纬 右下角东经 北纬 大气顶光谱反射率计算 辐射定标 日地距离订正 卫星天顶角订正 采用波段 MODIS数据412nm至946nm范围内的第1-4波段，及第8-16波 段 并将各波段数据重采样为500米分辨率
u vt e
式中e为残差矢量，系数v根据最小二乘确定。并且，PLS把矩阵分解和回 归并为一步，即X矩阵和Y矩阵的分解是同时进行的，并且将Y信息引入X 矩阵分解过程中，在每计算一个新主成分之前，将X得分和Y得分进行交换， 使得X主成分直接与Y关联
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PRESS判据原理
在建立模型时，若采用过少主因子，其模型预测准确度就会降低，称 为欠拟合。若使用过多主因子，就会增加信息冗余，使模型预测能力下降， 称为过拟合。因此，合理确定参加建立模型的主成分数是一个重要的步骤。 当样本较少时，为充分利用样本，目前最常用的判别主因子适合个数的方 法为PRESS判据法 。 每次都将m个样本中m-1个用作建模样本，剩下的一个样本作检验样 本，如此循环下去m次，留下一个样本做估计，最后可得m个估计值及预报 残差值，再将这m个残差值平方求和，即为PRESS： ei yi y i e i T 1 T 1 xi ( X X ) xi 1 hii
悬浮泥沙与波段组合相关分析
归一化波段比 归一化波段差 归一化波段和差比
三种组合与SST原始浓度的 相关系数绝对值在0.9以上的有174个
SST
三种组合与SST原始浓度对数值的 相关系数绝对值在0.9以上的有3849个
SST对数
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SST浓度对数与波段组合相关分析
归一化波段比 归一化波段差 归一化波段和差比
低浓度样本 误差较大 总平均相对误差 10% ＜相对误差≤30% 的样点占 82.36% 25.29% 总平均相对误差 相对误差≤30%
的样点占 70.59% 26.56%
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内容提要
地面实测数据采集、处理与分析 内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择 基于经验方法的水质反演模型构建与应用 基于分析方法的水质反演模型构建与应用
最大正相关比值组合
最大正相关差值组合
最大正相关值和差比
相关系数为0.9510 最大负相关比值组合
相关系数为0.9201 最大负相关差值组合
相关系数为0.914 最大负相关和差比组合
相关系数为-0.9496
相关系数为-0.9525
相关系数为-0.9554 武汉大学遥感信息工程学院
内容提要
地面实测数据采集、处理与分析 内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择
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内容提要
地面实测数据采集、处理与分析 内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择 基于经验方法的水质反演模型构建与应用
基于分析方法的水质反演模型构建与应用
MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探
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分析模型的推导
入水透过率 出水透过率
入射总光辐照度
对水深H积分得整层水 体出水反射光
Chl-a对数
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Chl-a浓度与波段组合相关分析
归一化波段比 归一化波段差 归一化波段和差比
Chl红波段吸收峰与 550nm处反射峰的比值 Chl 715nm处反射峰 与550nm处反射峰的比值 以Chl蓝波段吸收峰与 550nm反射峰之比的相关 系数绝对值0.9516为最高
各主采样点位天空光气-水界面反射率
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地面实测光谱数据处理
残余太阳耀斑去除
由于太阳直射光在水表发生的镜面反射在各波段的反射率基 本一致，因此各波段残余太阳耀斑的大小与入射到水面的太 阳直射光成比例相关：
水体出水反射率求解
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内容提要
地面实测数据采集、处理与分析
内陆湖泊水质遥感反演 方法研究
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研究内容与方法
本文在分析总结国内外水质参数反演已有理 论和方法的基础上，以主要水质遥感监测指标叶 绿素a及悬浮物为主要研究对象，基于二类水体各 组分的光谱特征分析，较系统的研究了利用地面 实测数据反演湖泊主要水质组分的方法和技术， 构造了针对内陆湖泊的水质反演经验模型及分析 模型，并进一步采用MODIS数据与地面同步数据， 对所建地面模型进行反演验证，以探索中低分辨 率下内陆湖泊水质参数遥感定量反演的可行性， 从而为今后治理、利用和保护内陆湖泊水质提供 参考和依据。
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分析模型参数解算
叶绿素散射系数曲线
叶绿素吸收系数曲线
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分析模型水质参数反演结果
CChl-a估计
各浓度范围 样本精度相当
选择438nm,500nm-600nm, 676nm,685nm至750nm共169个波段 参与分析模型水质参数值估计 CSST估计
Chl715nm处反射 峰及其峰值移动范围内 各波段的差值 最大值相关系数为 0.9660
Chl蓝波段吸收峰与 715nm反射峰范围波段的和 差比 Chl 685nm荧光峰与 680nm至715nm处反射峰的 和差比
最大正负和差比相关系 数分别为0.9540、-0.9257 武汉大学遥感信息工程学院
内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择
基于经验方法的水质反演模型构建与应用 基于分析方法的水质反演模型构建与应用
MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探
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水质组分光谱特征分析
Chl-a及胡萝卜素散射 含藻类水体最显 著的光谱特征 水体是否含有藻 类叶绿素的依据 之一 其位置是Ch-a浓 度的指示 随Ch-a浓度增大 而向长波移动
式中：T，U是X矩阵和Y矩阵的得分矩阵，含有两两正交的隐变量，分别 为X矩阵和Y矩阵中变量的线性组合；P，Q是X矩阵和Y矩阵的载荷矩阵； E，F为用PLS模型拟合X和Y所引进的误差，k为建立模型所引进的变量的 维数。PLS方法要求X分解的隐变量t与Y分解得到的隐变量u为最大重叠或 相关性最大，然后再建立t和u的回归方程：
出水方向上的散射作用
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分析模型的改进
悬浮泥沙以散射为主的 水质遥感定量模型
悬浮泥沙以反射为ห้องสมุดไป่ตู้的 水质遥感定量模型
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分析模型参数解算
纯水相关参数解求
纯水散射 系数曲线
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分析模型参数解算
纯水相关参数解求
近似清洁水体样本光谱 整体反射率很低 光谱在800nm后反射率下降为零 叶绿素a浓度为1.83μg/L 悬浮泥沙浓度为1.0mg/m3
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地面实测光谱数据处理
水面白帽 Lwc
水体反射 总能量
天空光 镜面反射 Lsky 太阳直射光 镜面反射 Lg
离水辐射 Lw
用于水质参数定量反演最 佳波段及组合选择的研究 参与分析模型中水体组分 固有光学特性参数解算 其准确性直接关系水质遥 感的反演精度
水体反射率低，而镜面反 射很强，很容易接近甚至超 过正常水体反射率的量级 这部分光谱不带有任何水 体信息，干扰水质信息提取
基于经验方法的水质反演模型构建与应用
基于分析方法的水质反演模型构建与应用
MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探
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偏最小二乘法原理
设原始的自变量矩阵X包含p个变量，因变量矩阵Y包含q个变量，样本 数为m，PLS的第一步，作矩阵分解，其模型为：
X m p Tm k P k p E Ymq U mk Qk q F
主因子数为8时 PRESS最小
残差集中在±6μg/L
R2 = 0.9897 F = 375.8 总平均相对误差 11.11%
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PLS1经验模型悬浮泥沙浓度反演
主因子数为8 时预测平均残 差最小 精度最好
主因子数为8时 PRESS最小
残差集中在±5mg/m3
R2 = 0.9973 F = 367.4 总平均相对误差 10.18%
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地面实测光谱数据处理
太阳直射耀斑去除
data9
同一测点上连续测量10条曲线仅用时1秒，其间可认为入射水 面的天空光均匀恒定，离水辐射无明显变化。因此，曲线间 的光谱波动差异，可认为主要是由水表对太阳直射光的随机 反射即太阳耀斑所引起的。因而，对同一测点测得一组光谱 曲线中数值最低的那条曲线：
归一化反射率与Chl-a原 始浓度相关性更高
归一化波段与SST
归一化反射率SST浓 度对数值相关性更高
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叶绿素a与波段组合相关分析
归一化波段比 归一化波段差 归一化波段和差比
三种组合与Chl-a原始浓度的 相关系数绝对值在0.9以上的有217个
Chl-a
三种组合与Chl-a浓度对数值的 相关系数绝对值均小于0.9
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总体技术路线
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内容提要
地面实测数据采集、处理与分析
内陆湖泊水质参数遥感反演波段分析与选择 基于经验方法的水质反演模型构建与应用 基于分析方法的水质反演模型构建与应用
MODIS内陆湖泊水质遥感监测初探
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地面实测数据采集
时间 07年1-9、1-29、3-20、 10-26、11-6 采集内容 光谱数据、水质参数浓度、 GPS位臵信息、风速、水 温、气温、湿度 仪器 EPP2000光谱仪 Hydrolab DS5水质监测仪 光谱采集 国际水色SIMBIOS计划推 荐观测几何 武汉东湖各子湖及主要采样点分布示意图 表面法水体光谱测量要求
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分析模型参数解算
陆地泥沙消光截面C曲线
S均值为 0.0209 与其他研究一致 将所得S值代入
黄色物质吸收系数曲线
即可求得黄色物 质吸收系数 武汉大学遥感信息工程学院
分析模型参数解算
叶绿素a相关参数解求
叶绿素特征突出的样本光谱
叶绿素反射峰与吸收峰对比明显 悬浮泥沙的双峰特性也有所体现 CChl-a : 30.49 μg/L 16.54 μg/L CSST : 27.97 mg/m3 14.69 mg/m3
Chl-a
藻青蛋白等的吸收峰
短波强吸收
主反射峰
悬浮泥沙浓度与 光谱反射峰值存 在良好相关性
随水体含沙量增 加向长波方向移 动，称为 “红移”
肩状反射
SST
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单波段相关分析
未归一化波段与Chl-a 归一化波段与Chl-a
未归一化反射率与水 质参数相关性不明显
未归一化波段与SST
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MODIS数据大气校正结果
采用一种适用于二类浑浊水体的大气校正算法
样点01092 样点10263
21个样点大气校正前后反射率 总平均相对误差为 25.03% 误差 12.39％ 样点 03204
误差17.65% 样点11062
误差18.39％ 误差13.36%
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地面实测光谱数据处理
天空光气-水界面反射率求解
目标水域受悬浮泥沙散射、水面漂浮及残余太阳耀斑等因素 影响，其离水辐射在1130nm以后基本为0。因此，选取各测 点最低水体光谱曲线及其对应的天空光光谱曲线的1130nm至 1300nm波段范围以确定天空光气-水界面反射率：
e PRESS ( i ) 2 i 1 1 hii
式中的hii表示第i个样本到样本中心的广义化距离。 PRESS值越小， 表示模型的预报能力越强。
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m
参与构建PLS1经验模型的波段组合
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PLS1经验模型叶绿素a浓度反演
主因子数为8 时预测平均残 差最小 精度最好