基于数据同化的太湖叶绿素浓度遥感估算

【摘要】随着科技的不断进步,湖泊水质监测的手段也越来越丰富,这就意味着我们可以获得更多的数据源,但不同的数据具有不同的时间和空间尺度。与此同时,在国内外众多学者的不懈努力下,开发了大量的水质参数遥感估算反演模型,但不同的模型都具有其“局限性”,只能从某个层面反映“真值”。基于上述考虑,本研究以太湖为研究区,以叶绿素a浓度为研究对象,首先,利用数据同化方法,结合不同遥感估算模型的模型误差,实现太湖叶绿素a浓度的多模型协同反演；其次,利用数据同化方法,结合水体动力学模型,融合浮标、平台等观测数据及卫星影像数据,构建适合于太湖的叶绿素数据同化系统；最后,基于已构建的太湖叶绿素数据同化系统,分别以GOCI数据和浮标、平台数据为观测数据,进行了太湖叶绿素a浓度估算与预测实验。这将为多数据源、多尺度、多模型、多传感器的联合应用提供新的方法,从而克服现有的水体水质参数反演算法的不足,最终提高水质参数的反演精度。基于以上研究和分析,主要得出以下结论：(1)基于数据同化方法的多模型协同反演算法,通过对多个反演模型的反演结果进行有效加权,可以有效融合不同模型的优点,改善单模型反演精度较低区域的反演结果,从而整体提高反演精度,有利于水环境质量监测和评价。以2006～2009年太湖野外实测数据为例,最终遴选出6个反演效果较好的太湖叶绿素a浓度遥感估算模型,分别为：波段比值模型、三波段模型、四波段模型、Dall’Olmo模型、Gitelson模型和徐京萍模型,模型的平均绝对误差(MAPE)分别为29%、32%、35%、25%、27%、25%,均方根误差(RMSE)分别为13.19μg/L、14.21μg/L、28.35μg/L、14.78μg/L、13.98μg/L‘15.71μg/L、进而利用多模型协同反演算法,从6个反演模型中任意选取2至6个模型参与多模型协同反演。结果表明：当6个反演模型都参与多模型协同反演时,反演效果最好,MAPE为23.4%,RMSE为14.58μg/L；同时,随着参与多模型协同反演的模型个数的增加,反演效果也越好。(2)基于集合的卡尔曼滤波数据同化方法,可以提高太湖叶绿素a浓度的估算和预测精度。利用集合均方根滤波,结合太湖水体动力学模型,构建了太湖叶绿素数据同化系统。通过观测模拟实验(OSSE),分析和评价了太湖叶绿素数据同化系统的有效性和适用性。当浮标布设于梅梁湾时,同化实验结果较控制实验结果精度提高了65%；当浮标布设于湖心区时,同化实验结果较控制实验结果精度提高了57%；但当浮标布设于湖心区时,叶绿素a浓度分布更加连续和稳定；考虑到水质监测的需求,建议将浮标和平台布设于拖山附近。进而分别以GOCI数据和浮标、平台数据作为观测数据,利用数据同化系统进行了太湖叶绿素同化实验。当以GOCI数据为观测数据时,将同化结果、控制实验结果分别与多模型协同反演结果进行对比,全湖MAPE分别为45%和125%,决定系数分别为0.71和0.41；将同化结果、控制实验结果分别与地面实测叶绿素a浓度进行对比,MAPE分别为28%和161%,RMSE分别为9.57μg/L和55.66μg/L。当以浮标、平台数据为观测数据时,在同化阶段,对于平台站点,MAPE从218%降低到27%,RMSE从16.23μg/L降低到2.97μg/L；对于浮标站点,MAPE从1125%降低到98%,RMSE从17.29μg/L降低到3.98μg/L；在预测阶段,对于平台站点,MAPE从139%降低到3%；对于浮标站点,MAPE从2001%降低到468%。(3)太湖叶绿素数据同化系统对于不同参数的敏感性将直接影响到该系统能否准确的估算太湖叶绿素a浓度的分布。在敏感性分析实验中,分析和评价了样本数目、同化时长、背景场误差、观测误差和模型误差对于同化系统性能的影响。结果表明：从计算成本、系统运行时间和同化效果等方面分析,当集合样本数目达到30至40左右时同化系统取得了较好的结果；同化系统对于背景场误差的估计变化并不是很敏感,即初始场的估计是否准确对于同化系统影响不是很大；同化系统对于模型误差和观测误差的变化较为敏感,此外,由于水体动力学性质不一,不同的测试点位其敏感性的表现形式有所差异；利用数据同化方法可以有效的估算太湖叶绿素a浓度。
【作者】李渊；
【导师】李云梅；
【作者基本信息】南京师范大学，遥感技术与应用，2014，博士
【关键词】太湖；数据同化；集合均方根滤波；GOCI；多模型协同反演算法；敏感性分析；叶绿素a浓度；

【参考文献】
[1]陈莹莹.Tat-TSP2HD融合蛋白的免疫学特性及其对日本血吸虫感染保护的研究[D].南京医科大学,病原生物学,2013,硕士.
[2]江渝,冉立,刘和平.谐振接地系统的新型自动调谐装置[J].电力系统自动化,2006,14:76-81.
[3]张涛.HINOC网络MAC协处理器地址转发表功能的设计与实现[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2011,硕士.
[4]冯永财.提高企业竞争力的重要因素—竞争情报问题研究[D].西安科技大学,2005.
[5]孙清松.自我及其反身性建构[D].山东大学,马克思主义哲学,2013,硕士.
[6]李立坚.商路变化与西欧经济从中世纪向近代转型[D].湖南师范大学,世界史,2004,硕士.
[7]曹中喆.PI3K/Akt/mTOR及其下游通路在PRL垂体腺瘤中的表达及意义[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[8]杨蒙青.基于参数寻优的模糊聚类算法研究[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[9]杨福燕.c-met、p27、CD62P、S-100基因表达及DNA倍体测定与胃癌转移的关系[D].山西医科大学,病理学,2003,硕士.
[10]丁文勇,翁东明,金毅,张宏伟,程樟峰,郭瑞,于明坚.清凉峰自然保护区台湾水青冈群落优势种群密度制约效应分析[J].浙江大学学报(理学版),2014,05:583-592.
[11]秦克,胡树兵,朱文.氧化亚铜作为光催化剂的研究进展[J].材料保护,2014,S1:148-152.
[12]万李.某轻型火炮发射稳定性分析及优化[D].南京理工大学,火炮、自动武器与弹药工程,2013,硕士.
[13]余秋波.ICAM-1在早孕小鼠子宫内膜的表达规律和在胚泡着床过程中作用的研究[D].重庆医科大学,临床检验诊断学,2004,硕士.
[14]修冬阳.基于方向信息的SAR图像相干斑抑制[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[15]刘颖.中国老年人口迁移特征与影响的实证研究[D].首都经济贸易大学,人口学,2014,硕士.
[16]高岭.亳州市华佗五禽戏源流及发展对策研究[D].沈阳体育学院,民族传统体育学,2014,硕士.
[17]陈凌.港口客运站交通流线设计研究[D].清华大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[18]姜楠.我国资源税改革问题研究[D].东北财经大学,财政学,2012,硕士.
[19]侯俊胜,黄智辉,刘德顺.吉林大老爷府油田高台子低阻储层油水识别方法及应用[J].石油地球物理勘探,2000,01:121-130.
[20]张磊.从混沌的微博信息到有序的情报收集[D].西南大学,传播学,2013,硕士.
[21]邱祥龙.基于定性比较分析的政府新药政策研究[D].哈尔滨工业大学,行政管理,2013,硕士.
[22]王超.基于能源效率视角的甘肃产业结构调整研究[D].西北师范大学,产业经济学,2013,硕士.
[23]何玮.印制电路板制造数据归一化处理及自动审查技术研究[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[24]李锦荣.安徽“省直管县”体制改革试点研究[D].安徽大学,公共管理,2014,硕士.
[25]金惠姣.辅酶Q_(10)对大鼠实验性牙周炎牙龈组织中TNF-α及IL-10表达的影响[D].河北医科大学,口腔临床医学,2013,硕士.
[26]吴涛.利益诉求型农村群体性事件的发生机理与治理[D].苏州大学,公共管理（专业学位）,2012,硕士.
[27]史开瑕.我国上市公司OCI列报对会计信息质量的影响研究[D].浙江财经学院,会计学,2013,硕士.
[28]唐华明.重庆市体育教育专业体育舞蹈教学现状调查研究[D].西南大学,职业技术教育学,2012,硕士.
[29]王伟.磷酸盐化胚胎化石实验埋藏学研究[D].西北大学,古生物学与地层学,2014,硕士.
[30]李慧.A Comparative Analysis of Interpersonal Meaning between the English Corporate Profiles of Chinese Companies and American Companies Based on Corpus Study[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[31]曾水光.基于数据挖掘的河北省高考数据分析研究[D].河北师范大学,教育技术学,2013,硕士.
[32]陈静.新世纪美国经济民族主义对我国的影响及对策研究[D].内蒙古大学,马克思主义理论,2014,硕士.
[33]潘瑞.亚信联创的国际化战略研究[D].南京大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[34]刁力力,王丽坤,陆玉昌,石纯一.计算文本相似度阈值的方法[J].清华大学学报(自然科学版),2003,01:108-111.
[35]林伯斌.青海地区藏族人群HBV易感基因IL-18的多态性研究[D].青海大学,外科学,2013,硕士.
[36]王登登.尖晶石型金属氧化物的制备及其在氧电极中的应用[D].北京化工大学,2013.
[37]席跃翔.太行山中段植物群落的生态关系研究[D].山西大学,自然地理学,2004,硕士.
[38]李瑞玲.韩寒现象与当代文学批评[D].南京师范大学,文艺学,2012,硕士.
[39]贾秀娟.我国高新技术产业发展的财税政策研究[D].兰州商学院,财政学,2013,硕士.
[40]冉红凯.某气动舵机改进设计与研究[D].南京理工大学,兵器工程,2012,硕士.
[41]司显柱,赵海燕.建构主义教学模式视阈中的大学英语课程设计[J].外语电化教学,2013,03:70-74.
[42]刘咏.CB银行武汉分行绩效管理优化方案设计[D].华中科技大学,工商管理,2013,硕士.
[43]廖振远.海洋水产农牧化的先驱——著名海洋生物学家曾呈奎院士[J].中国科学院院刊.2004(04)
[44]李雨轩.招商引资信息管理系统的研究与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[45]李献俊.农村初中生英语学习观念研究[D].杭州电子科技大学,英语语言文学,2012,硕士.
[46]杨洋.大气压针—板式纳秒脉冲介质阻挡放电光谱研究[D].大连理工大学,等离子体物理,2013,硕士.
[47]柴学森.鲤不同选育群体形态学及生长性能的比较分析[D].上海海洋大学,水产养殖,2013,硕士.
[48]王晶晶.《布老虎青春文学》现象研究[D].山东师范大学,文艺学,2013,硕士.
[49]罗雄.不均匀负载电动机调压节能装置的研究[D].华北电力大学（北京）,电力系统及其自动化,2004,硕士.
[50]牛心玙.Ti-Ni-Cu-Pt窄滞后记忆合金的马氏体相变与显微组织[D].哈尔滨工业大学,材料物理与化学,2014,硕士.