本文關鍵詞：基于圖像信息的內(nèi)陸水環(huán)境大氣校正方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國內(nèi)陸湖泊水體富營養(yǎng)化問題比較嚴重,藍藻水華暴發(fā)的現(xiàn)象時有發(fā)生,對人類的生產(chǎn)和生活造成了嚴重的影響,引起了人們對藍藻水華問題的廣泛關注。使用衛(wèi)星遙感手段動態(tài)監(jiān)測湖泊中藍藻的形成與分布已成為當前研究的熱點。在內(nèi)陸湖中水體的信號較弱,受大氣影響嚴重,衛(wèi)星遙感中僅有低于15%的能量來自于水體本身,同時,藻類快速的生長繁殖以及水體自身的流動等原因,使得這些僅有的水體信號又在不斷地發(fā)生著變化,這些都增加了衛(wèi)星遙感定量提取湖泊藍藻的難度。怎樣能夠?qū)πl(wèi)星圖像進行有效地大氣校正,從而提高湖泊中藻類信息提取的精度是衛(wèi)星遙感面臨的一個非常關鍵的問題。在內(nèi)陸水體中葉綠素a濃度等水質(zhì)參數(shù)的定量化水平與水面反射率反演的準確度密切相關。本課題以大氣輻射傳輸理論為基礎,系統(tǒng)地分析了影響內(nèi)陸水環(huán)境衛(wèi)星遙感大氣校正的主要誤差來源。為了彌補現(xiàn)有的大氣校正方法對大氣數(shù)據(jù)的依賴性強以及校正精度低等問題,提出了基于衛(wèi)星圖像信息的穩(wěn)定像元大氣校正方法,并檢驗和評價了穩(wěn)定像元大氣校正方法的應用效果。在此基礎上,應用本研究所提出的方法對太湖地區(qū)近五年的風云三號MERSI數(shù)據(jù)的葉綠素a濃度進行了反演,并根據(jù)反演結(jié)果分析了太湖藍藻隨時間的變化特征以及與氣象要素的關系。主要的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點如下:1)內(nèi)陸水環(huán)境大氣校正的誤差傳遞特點及氣溶膠的擾動對大氣校正各誤差因子的響應分析。構(gòu)建了內(nèi)陸水體衛(wèi)星遙感大氣校正的誤差傳遞方程,并通過數(shù)學模擬定量分析了水面反射率的反演誤差隨各誤差因子、大氣狀況以及水面條件的變化特征,分析結(jié)果表明大氣校正最主要的誤差來自于大氣向上反射率誤差,其對水面反射率的誤差放大倍數(shù)高達13,其次是大氣透過率的誤差,其基本上等值傳遞到水面反射率誤差中,而大氣向下反射率的誤差對校正后水面反射率誤差的影響不大。通過仿真手段定量分析了大氣氣溶膠(包括氣溶膠類型與氣溶膠光學厚度)的擾動對大氣校正各誤差因子(尤其是對大氣向上反射率誤差)的影響,同時分析了其它大氣成分對大氣透過率的影響,分析結(jié)果表明氣溶膠的不確定性致使內(nèi)陸水環(huán)境衛(wèi)星遙感大氣校正中引入較大的誤差,為了提高大氣校正的精度,所構(gòu)建的大氣校正算法必須能夠減小或者消除校正結(jié)果對于氣溶膠擾動的敏感性。2)穩(wěn)定像元大氣校正方法的構(gòu)建。根據(jù)大氣校正中各誤差因子在水面反射率上的響應特性,從誤差放大的角度,構(gòu)建了專門針對湖泊等內(nèi)陸水環(huán)境的穩(wěn)定像元大氣校正方法,并從理論上對穩(wěn)定像元大氣校正中衛(wèi)星遙感的誤差傳遞過程進行了分析與評價,評價結(jié)果說明該方法能夠消除大氣向上反射率的誤差、衛(wèi)星測量的系統(tǒng)誤差及與待反演的參數(shù)無關的目標像元中的其它參數(shù)信息和與目標像元特性一致的波浪引起的水面反射率誤差,更多地保留了衛(wèi)星圖像中各像元之間的葉綠素a濃度的相對差異。3)根據(jù)外場同步測量結(jié)果建立葉綠素a濃度光譜響應模型。根據(jù)中國科學院上海技術物理研究所2008年5月至2009年5月連續(xù)一年的太湖外場同步測量的光譜以及葉綠素a濃度數(shù)據(jù),基于葉綠素a的敏感波段分別建立了單波段模型、雙波段比值模型、歸一化指數(shù)模型以及三波段模型,模型結(jié)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與葉綠素a濃度具有更高的相關性。同時,基于MODIS和FY-3 MERSI數(shù)據(jù)250米空間分辨率的光譜波段構(gòu)建了基于近紅外的單波段模型和基于近紅外與紅光波段比值模型,模型的結(jié)果表明兩者與葉綠素a濃度均具有較高的相關性,當對衛(wèi)星圖像采用相同的大氣校正方法時,后者的相關性高于前者。4)穩(wěn)定像元大氣校正方法的檢驗。分別從與實測數(shù)據(jù)的誤差(包括相對誤差與絕對誤差)的分析、與實測數(shù)據(jù)在數(shù)值空間分布上的一致性以及對大氣參數(shù)誤差的敏感性三個方面,檢驗穩(wěn)定像元大氣校正方法的應用效果。檢驗結(jié)果表明穩(wěn)定像元大氣校正方法對水體中葉綠素a濃度的反演比基于6S輻射傳輸模型的大氣校正方法具有更高的精度、與實測數(shù)據(jù)在整個水域從數(shù)值上到空間上的分布更為一致且對氣溶膠誤差的敏感性更低。另外,穩(wěn)定像元大氣校正方法提高了葉綠素a濃度光譜模型應用的穩(wěn)定性。5)太湖藍藻水華時間演變規(guī)律以及與氣象因子的關系分析。基于本項研究所提出的穩(wěn)定像元大氣校正方法,利用2010至2014年的風云三號MERSI數(shù)據(jù)對太湖連續(xù)五年的葉綠素a濃度進行了反演,分析了多年間太湖藍藻水華的發(fā)生隨時間變化的規(guī)律及其與氣象因素相關性,結(jié)果表明藍藻的發(fā)生、發(fā)展與當年的整體氣候條件有關,風速以及氣溫對藍藻水華的發(fā)生具有很強的驅(qū)動作用,高溫、靜風的氣象環(huán)境有利于藻類的繁殖與擴散。本課題所做的研究工作能夠為衛(wèi)星遙感進行湖泊藍藻的實時動態(tài)監(jiān)測分析提供有力的支持。
【關鍵詞】：大氣校正 內(nèi)陸水體 葉綠素a濃度 FY-3 MERSI 藍藻水華
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X87
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 緒論13-25
• 1.1 研究背景與意義13-15
• 1.2 衛(wèi)星遙感大氣校正方法的研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3 內(nèi)陸水環(huán)境大氣校正方法的難點及本課題擬解決的主要問題20-21
• 1.4 本課題的研究目的、內(nèi)容及技術路線21-23
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)安排23-25
• 2 水體遙感誤差分析及大氣校正方法的建立25-55
• 2.1 內(nèi)陸水體大氣校正方法基礎25-27
• 2.2 水面反射率誤差傳遞模型27-29
• 2.3 水面反射率反演誤差傳遞特性數(shù)值分析29-40
• 2.4 氣溶膠擾動的內(nèi)陸水體大氣校正誤差分析40-45
• 2.4.1 氣溶膠類型的擾動引起的誤差41-43
• 2.4.2 氣溶膠光學厚度擾動引起的誤差43-45
• 2.5 其它大氣成分對大氣透過率的影響分析45-48
• 2.6 穩(wěn)定像元大氣校正方法的建立48-53
• 2.6.1 穩(wěn)定像元的定義及選取49-51
• 2.6.2 穩(wěn)定像元大氣校正方法及模型評價51-53
• 2.7 小結(jié)53-55
• 3 太湖葉綠素a濃度光譜響應模型分析55-65
• 3.1 實測資料55-57
• 3.2 葉綠素a濃度光譜響應模型建立方法57-59
• 3.3 建模結(jié)果及結(jié)果分析59-61
• 3.4 葉綠素a濃度遙感反演模型的建立及結(jié)果分析61-64
• 3.5 小結(jié)64-65
• 4 穩(wěn)定像元大氣校正方法的應用效果檢驗65-105
• 4.1 檢驗指標及檢驗方法65-68
• 4.1.1 相對誤差與絕對誤差66-67
• 4.1.2 數(shù)值動態(tài)范圍與空間分布上的一致性67-68
• 4.2 數(shù)據(jù)源介紹及研究區(qū)68-77
• 4.2.1 研究區(qū)的選擇68-69
• 4.2.2 數(shù)據(jù)源的介紹69-77
• 4.2.3 數(shù)據(jù)檢驗的可靠性77
• 4.3 外場采樣數(shù)據(jù)對衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)檢驗的合理性分析77-82
• 4.4 檢驗評價結(jié)果及結(jié)果分析82-90
• 4.4.1 相對誤差與絕對誤差82-86
• 4.4.2 數(shù)值動態(tài)范圍與空間分布的一致性86-90
• 4.5 大氣參數(shù)誤差的敏感性90-101
• 4.5.1 氣溶膠類型擾動的敏感性分析91-93
• 4.5.2 氣溶膠光學厚度擾動的敏感性分析93-101
• 4.6 小結(jié)101-105
• 5 穩(wěn)定像元在太湖藍藻動態(tài)變化監(jiān)測分析中的應用105-121
• 5.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源105-106
• 5.1.1 研究區(qū)概況105-106
• 5.1.2 數(shù)據(jù)源106
• 5.2 太湖藍藻水華解譯特征分析106-119
• 5.2.1 遙感反演結(jié)果及時間變化特征106-113
• 5.2.2 研究區(qū)的氣象變化特征113-117
• 5.2.3 氣象因子對太湖藍藻水華的驅(qū)動特征分析117-119
• 5.3 小結(jié)119-121
• 6 總結(jié)與展望121-125
• 6.1 總結(jié)121-122
• 6.2 論文中的創(chuàng)新點122
• 6.3 論文中存在的不足及未來的研究方向122-125
• 參考文獻125-135
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果135

【參考文獻】

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本文編號：379801