17卷6期
2008年12月自 然 灾 害 学 报
JOURNALOFNATURALDISASTERSVo.l17,No.6Dec.,2008文章编号:1004-4574(2008)06-0142-05
基于半分析算法的太湖水质参数多光谱遥感反演 周冠华,李 京,杨一鹏,马荣华,宫阿都1,22341,2
(1.北京师范大学资源学院,北京100875;2.民政部/教育部减灾与应急管理研究院,北京100875;3.中国环
境监测总站,北京100029;4.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008) 摘要:半分析算法基于固有光学特性数据,具有明确的物理意义,能同时反演多种水质参数,是水质遥
感反演的趋势。基于太湖实测的吸收系数与后向散射系数数据与Landsat/TM数据,利用Gordon半
分析模型,对叶绿素a、悬浮物与黄色物质进行了同步反演,并探讨了半分析算法适用于内陆水体多
光谱遥感数据的潜力。多水质参数同步反演方法为水环境综合分析提供了有利的技术手段。
关键词:水质遥感;半分析模型;TM;反演;太湖 中图分类号:X87 文献标识码:A
Multispectralremotesensinginversionofqualityparametersof waterinTaihuLakebasedonsem-ianalyticalmodel
ZHOUGuan-hua,LIJing,YANGY-ipeng,MARong-hua,GONGA-du1,22341,2
(1.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs/MinistryofEducationofChina,Beijing100875,China;3.EnvironmentalMonitoringCenterofChina,Beijing100029,China;4.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China) Abstract:Sem-ianalytical(SA)algorithmisbasedoninherentopticalproperties,possessesdefintephysicalconno-tation,andatsametimeitcaninversevariouswaterparametersandisthedevelopingtrendofremotesensingforwe-terquality.Inadditiontothis,SAmodelhasthecapacitytoderivevariousbio-opticalparametersfromasinglesetofremotesensingreflectancedata.Inthisstudy,theGordonsem-ianalyticalbio-opticalmodelwasappliedtodeter-minetheconcentrationofchlorophyl-la,totalsuspendedmatterandcoloreddissolvedmatter(CDOM)ininlandwaterbodybyusingo
fLandsat/TMdata.ThepotentialofapplicationofSAalgorithmtomuli-tspectralremotesens-ingofinlandwaterbodywasdiscussed.Theanalysesimpliesthattheperformancedependsonthequalityofthein-putinherentopticalpropertiesandtheknowledgeofthemodelparameters. KeyWords:waterqualityremotesensing;sem-ianalyticalmode;lTM;inversion;TaihuLake 目前,水质参数遥感反演主要以经验算法与半分析算法为主,其中经验算法是基于遥感波段数据与地面实测水质参数的相关性进行统计分析,选择最优波段或波段组合来反演水质参数。因其应用简便和在一类
[1-2]大洋水体中具有较高的反演精度而成为业务上的主要算法。然而经验统计模型缺乏物理基础,在二类
水体中水质参数与遥感数据之间的事实相关性不能保证,反演精度通常不高。半分析算法是以水体光学辐射传输机理为理论基础与水体生物光学模型相结合提出的,具有明确的物理意义与一定的普适性,并且可以
[3]同时反演多个水质成分,成为内陆水质遥感反演算法的发展趋势。但半分析算法对固有光学量和连接固
收稿日期:2008-03-10; 修订日期:2008-07-13
基金项目:国际科技合作计划项目(2007DFA20640);国家高技术研究发展计划项目(2007AA120306,2007AA120205,2006AA120102);国 家自然科学基金资助项目(40671138)
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6期周冠华等:基于半分析算法的太湖水质参数多光谱遥感反演
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有光学量与表观光学量的模型参数依赖性强,长期以来受实测固有光学特性数据的制约,实用性受到限制。近年来,随着相关水体光学仪器设备的引进,固有光学量实地获取的便捷性增强,半分析方法得到了越来越多的应用。本文尝试利用太湖实测的吸收系数与后向散射与Landsat/TM数据,基于Gordon半分析模型
[4]
对太湖水体的叶绿素a、总悬浮物与黄色物质三大水质参数进行了同步反演,并探讨半分析算法适用于内陆水体多光谱遥感数据的潜力。
1 数据与方法 1.1 数据
本文以典型大型内陆水体-太湖为研究区,采用2004年10月20-29日太湖实测的固有光学特性数据
[5]
。由于天气原因,2004年8-11月太湖地区Landsat/TM数据质量欠佳,假设水体组分单位吸收系数与
单位后向散射随季节性变化大,而年际间相同季节变化小。据此,本研究采用2003年10月28日的TM影像作为配套的遥感数据进行反演。采用2003年10月27-28日TM过境的(准)同步25个采样点的实测数据对模型的反演精度进行检验。其中,2003年10月27日沿太湖污染比较严重的西北边缘)梅梁湾地区,等间距布设15个采样点(图1(a))。2003年10月28日从太湖中心到北部梅梁湾边缘,等间距布设10个采样点(图1(b))。采样区测量的叶绿素a、总悬浮物和黄色物质浓度范围如表1所示。由该表可以看出水体组分浓度跨度很大,而水色遥感图像的相对灰度极值差异则小得多,
这给反演算法带来了严峻的考验。 图1 太湖采样点分布图
Fig.1 Spatialdistributionofsamplingpointlocations(2004-10-20~29) 表1 研究区水色三要素浓度的变化范围
Table1 Rangeofthreeelementsconcentrationsofwatercolourinstudiedarea 色素浓度叶绿素a/(mg#m-3)总悬浮物/(g#m-3)黄色物质440nm/m-1 最小值2.2019.640.58 最大值230.5986.001.73 平均值42.1649.590.94 1.2 反演模型
半分析模型的算法流程可描述如下吸收系数、后向散射系数之和: a=aw+
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:首先将水体总吸收系数、后向散射系数线性分解为N个组分的 E N i=1
acj,bb=bbw+ *