顾及时空差异性的太湖水体中叶绿素a浓度的遥感估算实验研究

【摘要】太湖是中国长三角区域的最大淡水湖,日益严重的水质污染和富营养化问题影响了当地经济的发展和居民的健康,利用遥感手段进行太湖水体水质参数的估算和监测具有重要意义。叶绿素a是水体重要的水质参数之一,是表征水体富营养化程度的主要指标。本研究针对二类水体中叶绿素a浓度(Chla)估算模型的不足,以改进模型的应用精度为目标,提出了考虑数据时空差异性的Chla估算模型构建方法。基于2004-2012年共19期太湖野外调查数据,对已有的典型Chla估算模型进行了验证,分析了模型残差的时空差异性特征,提出了基于月份和湖区的水质类型划分规则,并构建了顾及时空差异性的太湖水体Chla估算模型,提高了Chla估算模型的应用精度。主要研究内容和成果如下：(1)典型二类水体Chla估算模型的太湖验证与残差分析基于不同数据集,验证了18个Chla高光谱估算模型在太湖水体的适用性,分析了模型残差的时空差异特征及其影响因素。结果表明：R-NIR算法在太湖中的应用精度优于荧光算法,重新率定模型参数或优化波段位置后所建模型的应用精度显著高于模型的直接应用,模型参数的率定验证的均方根误差(RMSE)可降低到20mg/m3以下。不同数据集的验证精度不同,模型残差随着不同样点时间和空间位置的变化而变化,表明水体的时空差异性影响着Chla估算模型的表现。(2)考虑季节性差异的Chla估算与模型改进使用相邻月的观测数据,研究了改进模型应用精度的数据变换方法,使用夏秋季数据,构建了新的水体Chla指数,考虑数据的季节性差异,构建了Chla估算模型。结果表明：使用Chla的对数变换与光谱核回归平滑处理可以改进反演模型残差的方差齐性和模型的应用精度,使用2004年7月平滑后数据建立的三波段模型,8月数据验证的RMSE从平滑前的33.56mg/m3降低到了平滑后的25.60mg/m3；基于夏季和秋季的调查数据,构建了新的叶绿素a指数(NCI=(R690/R550-R675/R700)/(R690/R550+R675/R700))所建立的模型在多期数据集上的验证精度优于已有的三波段和四波段算法。数据季节划分后部分改进了Chla估算模型的精度和残差分布。(3)水质的时空差异性分析和划分结合太湖水质的时空差异性及水质参数的时空分布规律,以样点的月份和所在湖区编号作为输入,使用CRT和C5.0决策树方法构建了顾及时空差异性的Chla分组规则。调查水域按Chla级别的不同分成三种类型,其划分规则为：①如果月份∈(3,5)|(月份∈(4,8,9,11)&区域∈(湖心区)),则为类型Ⅰ；②如果月份∈(6,7,10)|(月份∈(4,11)&区域∈(梅梁湾,竺山湾)),则为类型Ⅱ；③如果月份∈(8,9)&区域∈(梅梁湾,竺山湾),则为类型Ⅲ。数据划分后三种水体类型的遥感反射率和光学特性具有较明显的差异,分别代表了悬浮物主导、悬浮物和浮游藻类共同主导以及浮游藻类主导的水体。基于上述规则对数据进行划分,不同类型水体光学特性的相互区分度及其对Chla的指示作用优于基于Chla分级和光谱分类的结果。(4)顾及时空差异性的太湖Chla遥感估算模型的构建基于所建立的规则,将建模集和验证集的样点进行了划分,使用建模集构建了波段比值、三波段、四波段和NCI模型,通过比较模型精度和残差分布,确定了新模型中各类型所使用的模型变量和参数。新模型为Chla=exp(ax2+bx+c),x在类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中分别为R701/R677、(1/R686-1/R695)×R710、NCI,模型在验证集的应用精度(R2=0.75,RSE=11.54mg/m3)优于基于季节划分的模型(R2=0.56,RMSE=17.63mg/m3)及比值、三波段、四波段和NCI组合参数率定的验证结果(R2<0.61;RSE>16.79mg/m3)。基于HJ1/HSI数据的模型应用结果表明,新模型计算出的水体叶绿素a浓度时空分布与已有的调查研究具有可比性。本文构建的顾及时空差异性的Chla估算模型,改进了模型的稳健性和应用精度,在太湖水体的叶绿素a浓度的遥感估算中具有较好的适用性。
【作者】程春梅；
【导师】闾国年；韦玉春；
【作者基本信息】南京师范大学，地图学与地理信息系统，2014，博士
【关键词】水色遥感；光谱平滑；时空信息；太湖；叶绿素a浓度；

【参考文献】
[1]李新春,赵冬斌,易建强.一种末端任务给定的移动机械手动态路径规划方法[J].控制与决策,2007,02:184-188+194.
[2]史冬平.强直性脊柱炎患者性功能及抑郁状态的研究[D].山西医科大学,内科学,2013,硕士.
[3]邓文钱.哲学视域中的中国新型城镇化道路[D].中共中央党校,马克思主义哲学,2014,博士.
[4]邱冬阳,陈林,孟卫东.内部控制信息披露与IPO抑价——深圳中小板市场的实证研究[J].会计研究,2010,10:34-39+95.
[5]李芳.升温对人胃癌紫杉醇耐药细胞株化疗敏感性的影响[D].苏州大学,外科学,2014,硕士.
[6]李琳.纳西族服饰之图腾遗存审美[D].中国社会科学院研究生院,中国少数民族语言文学,2003,硕士.
[7]刘长生.检察机关侦查权的扩张与控制[D].吉林大学,法学理论,2013,硕士.
[8]徐锡美.从评价理论视角下看《红楼梦》中荣国府与刘姥姥话语分析[D].首都师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[9]贾鑫.用电致发光（EL）法分析检测晶硅太阳电池的工艺[D].内蒙古大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[10]王宇.基于DVS的多核周期任务节能调度策略研究[D].武汉理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[11]邹晓明.浅论画面的张力[D].中央美术学院,美术学,2013,硕士.
[12]舒迪前,刘宏才,吴保亮,王京,郑福建,黄程阳.智能自适应控制及其在轧辊退火炉上的应用[J].自动化学报,1991,02:207-214.
[13]魏立东.基于智能控制的回转压缩机械故障诊断与研究[D].大连理工大学,2006.
[14]王亚南.目的论指导下的英文药品说明书的翻译[D].吉林财经大学,英语语言学与应用语言学,2014,硕士.
[15]宰亚孟.晶核预控制的多晶硅薄膜晶化技术研究[D].河北工业大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[16]赵云柱,杨兆军.大型矩形花键的误差分析方法浅析[J].一重技术.2008(01)
[17]王胜华.高速公路电子不停车收费系统的分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[18]顾晨.ADCM电梯速度控制系统的研究[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[19]耿亮.高中诗歌教学中的文本解读研究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[20]李春迎.遥感FTIR光谱实时原位测定固体火箭推进剂羽流红外特性[D].陕西师范大学,分析化学,2004,硕士.
[21]温家辉.二进制程序的动态优化机制研究[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[22]张文杰.微博网络的传播模型和观点演化趋势研究[D].北京交通大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[23]林靓.加减木达汤治疗气滞血瘀型子宫内膜异位症排卵障碍性不孕的临床研究[D].福建中医药大学,中医妇科学（专业学位）,2013,硕士.
[24]韩晓东.河北省沧州市省级示范性高中体育教学现状调查与研究[D].河北师范大学,体育教学,2012,硕士.
[25]侯进生.基于碳排放效应因素分解的低碳城市化支撑体系建设研究[D].山东财经大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[26]王朝珠,贺云峰.结构不确定广义系统的鲁棒动态补偿器[J].控制与决策,1995,03:216-220.
[27]刘喆.五彩斑斓的音响世界[D].西安音乐学院,作曲配器,2013,硕士.
[28]许小树.台商投资大陆区位选择影响因素研究[D].华侨大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[29]李颖新,刘全金,阮晓钢.一种肿瘤基因表达数据的知识提取方法[J].电子学报,2004,09:1479-1482.
[30]王春华.自体微粒皮与异体脱细胞真皮基质复合移植的实验研究[D].安徽医科大学,外科学,2004,硕士.
[31]寿周翔.专业搜索引擎的研究与设计[D].浙江大学,2005.
[32]贾艳梅.高速动车车轴视觉测量技术研究[D].吉林大学,测试计量技术及仪器,2014,硕士.
[33]卢景文.拱形巷道临时支护设备的参数化及关键部件优化设计[D].辽宁工程技术大学,机械设计及理论,2012,硕士.
[34]张四枚.研制双层集装箱车辆开展双层集装箱运输[J].中国铁路.2005(05)
[35]修伟.英语专业学生产出性词汇特征研究[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[36]丁鹏辉.青岛市工程地质地理信息系统建设与研究[D].中国海洋大学,环境岩土工程,2003,硕士.
[37]胡兴军.内容分发网络(CDN)技术及市场应用[J].当代通信.2005(17)
[38]张嘉桐.基于傅里叶描述的形状分析算法研究[D].吉林大学,电路与系统,2013,硕士.
[39]曾盛.S品牌营销策略研究[D].云南大学,工商管理,2012,硕士.
[40]赵闯.慢跑鞋减震鞋垫的设计与研究[D].陕西科技大学,服装设计与工程,2013,硕士.
[41]靳洁.基于小波分析的地面三维激光扫描点云数据的滤波方法研究[D].长安大学,大地测量学与测量工程,2013,硕士.
[42]李振华.我国城乡群众体育发展的不平衡与农村体育发展对策研究[D].曲阜师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[43]邓时滨,徐伟高,张锦.共振条件下石墨烯上R6G拉曼散射增强因子的直接测量[A].中国物理学会光散射专业委员会.第十七届全国光散射学术会议摘要文集[C].中国物理学会光散射专业委员会:,2013:1.
[44]李琳.对外汉语教材词汇研究[D].苏州大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[45]王素君.爬山虎属植物组织培养试验研究[D].河北农业大学,植物营养学,2004,硕士.
[46]张丽丽.《中小企业进化论》日译汉翻译实践报告[D].河北大学,日语笔译,2014,硕士.
[47]孙海燕,侯朝桢.具有数据包丢失及多包传输的网络控制系统稳定性[J].控制与决策,2005,05:511-515.
[48]彭喜君.北京交通大学建筑与艺术学院教学楼室内自然光环境优化策略研究[D].北京交通大学,2014.
[49]渠乐.SY-1型硅橡胶与塑料义齿基板之间的粘接性能的实验研究[D].第四军医大学,口腔临床医学,2004,硕士.
[50]蔡娜娜.8-异前列腺素F2α和p22phox C242T基因多态性与2型糖尿病肾病患者的相关性研究[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.