基于HJ1-CCD数据的漫湾库区水体悬浮物浓度遥感估算研究

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总悬浮颗粒物(Total Suspended Matter,TSM)浓度是对研究区域水质进行评价的关键参数之一,对有大坝拦截的坝区河道型水体进行总悬浮物浓度监测对于评估水利设施对河道水环境的影响具有较大的现实价值。漫湾坝区作为澜沧江(湄公河在中国境内的河段部分)中游重要的河段之一,因其处于横断山脉之间,气候上存在明显的干湿季差异,河流输入存在明显不同,决定了库区水体总悬浮物浓度时间和空间上的分布差异,而且漫湾坝区属于河道型水库,水流湍急,野外观测较为困难,卫星遥感技术可以在一定时间内获取大范围地物信息,解决了野外观测不便和数据获取困难等问题。HJ-CCD卫星数据具有重返周期短、空间分率高等优点,应用于漫湾这种中小尺度坝区水体悬浮物浓度监测具有重要的应用价值。本文以漫湾坝区2009年~2014年6年的HJ-CCD数据为例,探究HJ1-CCD这类非水色卫星数据在河道型水库水质监测方面的应用潜力,以漫湾坝区总悬浮物浓度模型构建及时空变化规律分析为研究目标,进行了一些研究工作。本文研究成果如下:1)建立漫湾坝区总悬浮物浓度反演模型。基于漫湾坝区野外实验获得的实测光谱数据,建立漫湾坝区总悬浮物反演模型,并将建立的模型应用于HJ-CCD卫星数据上。建模过程中,为了使建模过程更符合统计学意义,使用4拆交叉验证的方法进行漫湾坝区的总悬浮物浓度模型的构建。通过对等效之后HJ-CCD各通道光谱之间排列组合,并以这些光谱通道的组合数为自变量因子,以总悬浮颗粒物浓度实测值为因变量,建立多项式、指数、乘幂和线性等形式的拟合模型,并对相应模型进行精度的验证与分析。通过对比分析,选择用于预测漫湾坝区水体区的反演模型为:01.151.86139757323SMbb T+×+×=,其中b3为HJ-CCD数据的第3波段。结果表明,其拟合度为0.92,均方根误差(RMSE)为4.43mg/L,平均相对误差为20.1%。2)漫湾坝区HJ1-CCD多光谱数据的大气校正。开展HJ1-CCD漫湾坝区悬浮物浓度时间序列研究,大气校正是关键。为了实现漫湾坝区HJ-CCD的大气校正,对传统暗像元的大气校正算法进行了基于实测光谱谱间关系的部分改进,并与ENVI中集成的FLAASH和QUick Atmospheric Correction(QUAC)等较为成熟的基于图像的大气校正效果进行了对比分析。结果表明,基于光谱关系改进的区域性的暗像元法大气校正效果较好,其第1波段的平均相对误差约为19.9%,第2波段和第3波段的平均相对误差分别为16.1%和17.9%。大气校正效果优于FLAASH和QUAC两种方法。3)漫湾坝区总悬浮物浓度长时间序列变化规律分析。基于收集的165景覆盖漫湾坝区的有效无云的HJ-CCD卫星数据,利用建立单波段模型估算研究区域2009年~2014年总悬浮物浓度分布,分析6年间漫湾坝区总悬浮物浓度年、季和月度变化的变化情况,以及空间变化情况。为了解研究区总悬浮物浓度分布原因,研究了其与降水、风速等自然因素之间的关系,发现漫湾坝区悬浮物浓度时间分布与与当地月累计降水数据的相关性为0.78,存在较为显著的相关性。为了了解悬浮物浓度与坝体之间的关系,研究了悬浮物浓度与距坝体之间的关系。结果发现,其悬浮物浓度分布与坝体距离的相关性不大。
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