内陆湖泊颗粒有机碳（POC）浓度遥感定量反演模型研究

发布时间：2017-10-13 11:36

  本文关键词：内陆湖泊颗粒有机碳（POC）浓度遥感定量反演模型研究

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【摘要】：碳作为主要的生源要素,是决定水域生物资源可持续利用最关键的生态学要素之一,碳在海洋与湖泊中的行为及由碳引导的生物泵过程又在一定程度上决定了全球及区域性气候变化的趋势。颗粒有机碳虽然占总碳很小部分,但由于其沉降作用决定了POC在固碳及向下运输相关元素方面扮演着重要角色,具有生物泵的功能。遥感作为一种技术手段,能够快速、宏观的监测颗粒有机碳浓度时空变化。目前大洋水体颗粒有机碳(POC)反演模型较为成熟,但内陆水体颗粒有机碳遥感反演研究相对较少,所以研究内陆水体颗粒有机碳遥感反演算法对利用遥感手段宏观监测内陆水体POC时空变化情况有十分重要的意义。本文主要利用太湖、洞庭湖野外实测数据(88个实测数据),构建了内陆湖泊颗粒有机碳的遥感反演模型,包括经验模型及半分析模型,并利用2013年MODIS卫星影像数据对太湖地区POC浓度时空变化情况进行了分析,主要研究内容和结论可以概括4个方面。(1)简单经验反演模型的构建。首先利用内陆湖泊实测数据对大洋水体POC遥感反演方法进行了验证,发现大洋水体POC遥感反演算法在内陆水体并不适用,因此构建了适用于我国内陆湖泊的POC经验估算模型。构建的三种经验模型中,基于825nm和550nm的比值模型具有最好的反演效果,模型MAPE为33%,RMSE为0.73mg/L。(2)分类后反演模型的构建。研究发现内陆湖泊水体颗粒有机碳的主要来源为非色素颗粒有机物和色素颗粒物,二者比例差异导致了估算精度的差异。为了进一步提高POC反演算法的精度,首先根据光学特征对水体进行分类,利用构建的NDT指数(NDT=0.4*Rrs(705)+0.68Rrs(655)-Rrs(675))与色素颗粒物吸收系数与总悬浮物吸收系数的比值(aph/atsm)之间较好的相关性,最终将水体分为色素颗粒物主导(NDT0.45)和非色素颗粒物主导水体(NDT0.45),并针对不同类型的水体分别构建了POC反演模型,有效的提高了反演精度。其中非色素颗粒物主导水体的POC浓度可以用833nm和529nm的遥感反射率组合估算,模型RMSE为0.71mg/L,MAPE为25%；色素颗粒物主导水体的POC浓度可以用825nm及550nm波段比值进行估算,模型RMSE为0.63mg/L, MAPE为28%。分类反演精度比简单经验模型得到显著提高。(3)半分析模型的构建。由于经验模型较大的依赖实验数据集,为了使得模型更具通用性,在分析水体光学特征的基础上进一步发展了POC遥感反演的半分析模型。在结合大量的吸收系数的数据集情况下,发现非色素颗粒物吸收与POC有着极好的关联,并从总吸收中成功分离出非色素颗粒物的吸收,最终构建了基于510nmm、670nmm和750nmm的三波段半分析模型,模型MAPE为22%,RMSE为0.63mg/L。相对于经验模型而言,半分析模型的反演精度有很大提高,并具备更优异的普适性和稳定性。(4)模型应用的实例展示。根据MODIS卫星数据的波段特点,选取已构建的经验模型对模型的参数进行率定,使其适用于MODIS卫星影像数据。并利用MODIS数据研究分析了2013年太湖地区POC季节性变化及月变化。结果表明2013年POC的季节性变化和月变化都十分明显：从季节变化来看,春季至夏季POC浓度逐渐递减,反之,夏季至冬季POC浓度逐渐递增；从月变化来看,三个湖湾(竺山湾、贡湖湾、梅梁湾)及东太湖区域POC浓度月变化相对较小,常年相对较为稳定；湖心区、西北及西南湖区POC月变化显著,由1月至7月的持续递减再到7月至12月的持续递增,呈显著的V字型。
【关键词】：内陆湖泊 遥感反演 经验模型 半分析模型 颗粒有机碳(POC)
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P332;TP79
【目录】：

• 摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 选题背景及研究意义13-14
• 1.2 国内外研究进展14-17
• 1.2.1 POC反演研究现状14-16
• 1.2.2 水体光学分类16-17
• 1.3 研究目标与研究内容17-18
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 1.3.3 拟解决的关键问题18
• 1.4 论文技术路线18-19
• 1.5 论文结构19-21
• 第2章 研究区与数据21-30
• 2.1 研究区概况21-22
• 2.2 地面实验数据获取22-28
• 2.2.1 地面实验时间及点位22
• 2.2.2 表观光学量的测量22-23
• 2.2.3 固有光学量的测量23-25
• 2.2.4 水质参数的测量25-28
• 2.3 遥感影像数据的获取及预处理28-30
• 第3章 内陆湖泊POC浓度反演经验模型构建30-41
• 3.1 大洋一类水体POC浓度反演模型适用性检验30-31
• 3.2 内陆湖泊POC来源分析31-32
• 3.3 内陆湖泊POC浓度估算经验模型构建32-35
• 3.3.1 单波段POC浓度反演模型33
• 3.3.2 双波段POC浓度反演模型33-35
• 3.4 基于水体光学分类的POC两步估算(two-step)方法35-40
• 3.4.1 水体光学分类研究35-37
• 3.4.2 分类估算模型构建及精度验证37-40
• 3.5 小结40-41
• 第4章 内陆湖泊POC半分析反演算法初步研究41-53
• 4.1 POC浓度与吸收系数相关性分析41-42
• 4.2 基于非色素颗粒物吸收的POC反演及非色素颗粒物吸收估算模型研究.42-47
• 4.2.1 基于非色素颗粒物吸收的POC反演模型42-43
• 4.2.2 非色素颗粒物吸收系数的估算43-47
• 4.3 基于生物光学模型的POC半分析模型构建及精度验证47-51
• 4.4 小结51-53
• 第5章 POC反演模型应用实例—以太湖为例53-62
• 5.1 基于MODIS数据的太湖POC反演模型的构建及精度验证53-55
• 5.1.1 模型参数率定53-54
• 5.1.2 MODIS影像大气校正及适用性验证54-55
• 5.2 2013年太湖地区POC浓度季节性变化及月变化分析55-61
• 5.2.1 2013年太湖POC浓度季节性变化情况55-57
• 5.2.2 2013年太湖POC浓度月变化情况57-61
• 5.3 小结61-62
• 第6章 结论与展望62-65
• 6.1 文章主要结论与创新62-63
• 6.1.1 主要结论62-63
• 6.1.2 创新点63
• 6.2 不足之处63-64
• 6.3 未来展望64-65
• 参考文献65-69
• 硕士期间研究成果69-70
• 致谢70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 施坤;李云梅;刘忠华;徐yN凡;徐昕;吴传庆;朱利;;基于不同光谱主导因子的内陆湖泊水体叶绿素浓度三波段反演模型研究[J];环境科学;2010年12期

2 丛丕福;曲丽梅;韩庚辰;杨新梅;;海洋颗粒有机碳的遥感探测与应用分析[J];海洋环境科学;2012年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张红;基于遥感反射率分类的悬浮物浓度反演模型构建[D];南京师范大学;2011年

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本文编号：1024665