基于图像信息的内陆水环境大气校正方法研究

发布时间：2017-05-19 20:28

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【摘要】：我国内陆湖泊水体富营养化问题比较严重,蓝藻水华暴发的现象时有发生,对人类的生产和生活造成了严重的影响,引起了人们对蓝藻水华问题的广泛关注。使用卫星遥感手段动态监测湖泊中蓝藻的形成与分布已成为当前研究的热点。在内陆湖中水体的信号较弱,受大气影响严重,卫星遥感中仅有低于15%的能量来自于水体本身,同时,藻类快速的生长繁殖以及水体自身的流动等原因,使得这些仅有的水体信号又在不断地发生着变化,这些都增加了卫星遥感定量提取湖泊蓝藻的难度。怎样能够对卫星图像进行有效地大气校正,从而提高湖泊中藻类信息提取的精度是卫星遥感面临的一个非常关键的问题。在内陆水体中叶绿素a浓度等水质参数的定量化水平与水面反射率反演的准确度密切相关。本课题以大气辐射传输理论为基础,系统地分析了影响内陆水环境卫星遥感大气校正的主要误差来源。为了弥补现有的大气校正方法对大气数据的依赖性强以及校正精度低等问题,提出了基于卫星图像信息的稳定像元大气校正方法,并检验和评价了稳定像元大气校正方法的应用效果。在此基础上,应用本研究所提出的方法对太湖地区近五年的风云三号MERSI数据的叶绿素a浓度进行了反演,并根据反演结果分析了太湖蓝藻随时间的变化特征以及与气象要素的关系。主要的研究内容及创新点如下:1)内陆水环境大气校正的误差传递特点及气溶胶的扰动对大气校正各误差因子的响应分析。构建了内陆水体卫星遥感大气校正的误差传递方程,并通过数学模拟定量分析了水面反射率的反演误差随各误差因子、大气状况以及水面条件的变化特征,分析结果表明大气校正最主要的误差来自于大气向上反射率误差,其对水面反射率的误差放大倍数高达13,其次是大气透过率的误差,其基本上等值传递到水面反射率误差中,而大气向下反射率的误差对校正后水面反射率误差的影响不大。通过仿真手段定量分析了大气气溶胶(包括气溶胶类型与气溶胶光学厚度)的扰动对大气校正各误差因子(尤其是对大气向上反射率误差)的影响,同时分析了其它大气成分对大气透过率的影响,分析结果表明气溶胶的不确定性致使内陆水环境卫星遥感大气校正中引入较大的误差,为了提高大气校正的精度,所构建的大气校正算法必须能够减小或者消除校正结果对于气溶胶扰动的敏感性。2)稳定像元大气校正方法的构建。根据大气校正中各误差因子在水面反射率上的响应特性,从误差放大的角度,构建了专门针对湖泊等内陆水环境的稳定像元大气校正方法,并从理论上对稳定像元大气校正中卫星遥感的误差传递过程进行了分析与评价,评价结果说明该方法能够消除大气向上反射率的误差、卫星测量的系统误差及与待反演的参数无关的目标像元中的其它参数信息和与目标像元特性一致的波浪引起的水面反射率误差,更多地保留了卫星图像中各像元之间的叶绿素a浓度的相对差异。3)根据外场同步测量结果建立叶绿素a浓度光谱响应模型。根据中国科学院上海技术物理研究所2008年5月至2009年5月连续一年的太湖外场同步测量的光谱以及叶绿素a浓度数据,基于叶绿素a的敏感波段分别建立了单波段模型、双波段比值模型、归一化指数模型以及三波段模型,模型结果表明基于反射峰和吸收谷的波段比值模型和三波段模型与叶绿素a浓度具有更高的相关性。同时,基于MODIS和FY-3 MERSI数据250米空间分辨率的光谱波段构建了基于近红外的单波段模型和基于近红外与红光波段比值模型,模型的结果表明两者与叶绿素a浓度均具有较高的相关性,当对卫星图像采用相同的大气校正方法时,后者的相关性高于前者。4)稳定像元大气校正方法的检验。分别从与实测数据的误差(包括相对误差与绝对误差)的分析、与实测数据在数值空间分布上的一致性以及对大气参数误差的敏感性三个方面,检验稳定像元大气校正方法的应用效果。检验结果表明稳定像元大气校正方法对水体中叶绿素a浓度的反演比基于6S辐射传输模型的大气校正方法具有更高的精度、与实测数据在整个水域从数值上到空间上的分布更为一致且对气溶胶误差的敏感性更低。另外,稳定像元大气校正方法提高了叶绿素a浓度光谱模型应用的稳定性。5)太湖蓝藻水华时间演变规律以及与气象因子的关系分析。基于本项研究所提出的稳定像元大气校正方法,利用2010至2014年的风云三号MERSI数据对太湖连续五年的叶绿素a浓度进行了反演,分析了多年间太湖蓝藻水华的发生随时间变化的规律及其与气象因素相关性,结果表明蓝藻的发生、发展与当年的整体气候条件有关,风速以及气温对蓝藻水华的发生具有很强的驱动作用,高温、静风的气象环境有利于藻类的繁殖与扩散。本课题所做的研究工作能够为卫星遥感进行湖泊蓝藻的实时动态监测分析提供有力的支持。
【关键词】：大气校正 内陆水体 叶绿素a浓度 FY-3 MERSI 蓝藻水华
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X87
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 研究背景与意义13-15
• 1.2 卫星遥感大气校正方法的研究现状15-20
• 1.3 内陆水环境大气校正方法的难点及本课题拟解决的主要问题20-21
• 1.4 本课题的研究目的、内容及技术路线21-23
• 1.5 论文结构安排23-25
• 2 水体遥感误差分析及大气校正方法的建立25-55
• 2.1 内陆水体大气校正方法基础25-27
• 2.2 水面反射率误差传递模型27-29
• 2.3 水面反射率反演误差传递特性数值分析29-40
• 2.4 气溶胶扰动的内陆水体大气校正误差分析40-45
• 2.4.1 气溶胶类型的扰动引起的误差41-43
• 2.4.2 气溶胶光学厚度扰动引起的误差43-45
• 2.5 其它大气成分对大气透过率的影响分析45-48
• 2.6 稳定像元大气校正方法的建立48-53
• 2.6.1 稳定像元的定义及选取49-51
• 2.6.2 稳定像元大气校正方法及模型评价51-53
• 2.7 小结53-55
• 3 太湖叶绿素a浓度光谱响应模型分析55-65
• 3.1 实测资料55-57
• 3.2 叶绿素a浓度光谱响应模型建立方法57-59
• 3.3 建模结果及结果分析59-61
• 3.4 叶绿素a浓度遥感反演模型的建立及结果分析61-64
• 3.5 小结64-65
• 4 稳定像元大气校正方法的应用效果检验65-105
• 4.1 检验指标及检验方法65-68
• 4.1.1 相对误差与绝对误差66-67
• 4.1.2 数值动态范围与空间分布上的一致性67-68
• 4.2 数据源介绍及研究区68-77
• 4.2.1 研究区的选择68-69
• 4.2.2 数据源的介绍69-77
• 4.2.3 数据检验的可靠性77
• 4.3 外场采样数据对卫星反演数据检验的合理性分析77-82
• 4.4 检验评价结果及结果分析82-90
• 4.4.1 相对误差与绝对误差82-86
• 4.4.2 数值动态范围与空间分布的一致性86-90
• 4.5 大气参数误差的敏感性90-101
• 4.5.1 气溶胶类型扰动的敏感性分析91-93
• 4.5.2 气溶胶光学厚度扰动的敏感性分析93-101
• 4.6 小结101-105
• 5 稳定像元在太湖蓝藻动态变化监测分析中的应用105-121
• 5.1 研究区概况及数据源105-106
• 5.1.1 研究区概况105-106
• 5.1.2 数据源106
• 5.2 太湖蓝藻水华解译特征分析106-119
• 5.2.1 遥感反演结果及时间变化特征106-113
• 5.2.2 研究区的气象变化特征113-117
• 5.2.3 气象因子对太湖蓝藻水华的驱动特征分析117-119
• 5.3 小结119-121
• 6 总结与展望121-125
• 6.1 总结121-122
• 6.2 论文中的创新点122
• 6.3 论文中存在的不足及未来的研究方向122-125
• 参考文献125-135
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果135

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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1 潘明红;曹妃甸近岸海域水色遥感大气校正与悬沙浓度反演[D];长安大学;2012年

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本文编号：379801