中国科学院遥感与数字地球研究所-高光谱遥感应用技术研究室

【作者】              申茜                                                                                                                                           

【导师】              童庆禧；张兵；方圣辉 

【 学位年度 】    2009

【论文级别】      博士    

【关键词】          内陆水体、水质参数反演、二向性、光学特性、高光谱遥感

【Key words】   inland  water,  water  quality  parameters  retrieval,  bi-directional reflectance, optical properites, hyperspectral remote sensing

【中文摘要】 

      遥感监测内陆水质具有监测范围广、速度快、成本低、便于长期动态监测等优势。但是由于内陆水体光学特性复杂，且不同内陆水体的光学特性往往不同，建立适用性强、精度高的内陆水体水质参数反演模型一直是个难点。而且，很多水质参数反演模型中忽略了水体光场二向性的影响，也降低了水质参数反演的精度。因此，研究不同类型的内陆水体的光学特性时空分布规律和水体光场二向性分布规律，建立基于水体光学特性分布规律和二向性分布规律的水质参数反演模型，能够提高水质参数反演的精度，具有十分重要的科学和现实意义。
 

    本文选择具有代表性的两个典型内陆水体作为研究区，分别是能够代表富营养化类型水体的太湖和能够代表中贫营养化类型的三峡库区。在太湖开展了6次综合实验，获取了多时相的太湖水体固有光学量和表观光学量数据，还有航空高光谱WHI图像和航天高光谱CHRIS图像。在三峡库区开展了1次综合实验，获取了三峡库区水体固有光学量和表观光学量数据，还有航天高光谱CHRIS图像。基于这些数据，本文对比分析了太湖和三峡库区水体的光学特性时空分布规律差异及其原因，建立了太湖和三峡库区水体的固有光学量数据库和表观光学量数据库。利用水体辐射传输软件Hydrolight模拟水体光场二向性数据，分析并利用实测数据验证了二向性分布规律，进而建立了水体光场二向性因子查找表。面向叶绿素浓度、悬浮物浓度和黄色物质吸收系数三种典型水质参数，发展了基于固有光学量数据库和二向性因子查找表的水质参数反演分析模型。最后利用航空高光谱WHI图像和航天高光谱CHRIS图像对反演模型进行了检验，获得了较好的水质参数反演结果。
 

    本文的研究成果可以应用于其他相似类型的内陆水体，这将促进遥感在不同区域的湖泊、河流水质监测中的广泛应用。  

【Abstract】

Monitoring inland  water  quality by  remote  sensing  technology  has  the advantages  of  wide  coverage,  rapidness,  low cost,  and  dynamic  monitoring over  a long  period  of time.  However,  inland  waters  always  have complicated opticalcharacteristics, and different inland waters have different optical characteristics. Then it is difficult to  build  a  high-accuracy  and adaptable model  to  retrieve  inland  water quality parameters. Also, most models to retrieve water quality parameters neglect the bi-directional reflectance distribution of water optical field to lose accuracy. So it has great scientific  and realistic significance to  build  retrieval  model  based  on optical characteristics  and  bi-directional  reflectance  distribution  function  of  water  optical field.
The  paper  chose  two  typical  inland  waters  as  study  area,  including eutrophic water Taihu  Lake  and mesotrophic-dystrophic  water  Three  Gorges reservoir.  We performed  6  times  experiments  in  Taihu  Lake,  collecting  multi  temporal  inherent optical properties and apparent optical properties, WHI (Wide Hyperspectral Imager) airborne  remote  sensing  images  and  CHRIS  (Compact  High  Resolution  Imaging Spectrometer)  spaceborne  remote  sensing  images.  We  also  performed  an  experiment in  Three  Gorges  reservoir,  collecting inherent  optical  properties,  apparent  optical properties,  and  a  scene  of  CHRIS  image.  Based  on  these  data,  the  paper  made a comparative analysis of the reason of different optical properties distribution between Taihu  Lake  and  Three  Gorges  reservoir.  Then,  we  built  inherent  optical  properties database  and  apparent  optical  properties  database  in  Taihu  Lake  and  Three  Gorges reservoir,  as  Hydrolight  inputs.  We  simulated  bi-directional  reflectance  of  different waters  and  analyzed  the  law  of  bi-directional  reflectance  distribution  function  of water  optical  field  which  was  also  verified  by  our  measured  data.  Furthermore,  we built a look-up table of bi-directional factors of water optical field. Oriented to three kinds  of  water  quality  parameters  concentrations  of  chlorophyll-a,  suspended  matter and  CDOM (Colored  dissolved  organic  matter),  we  developed  retrieval  analytic
model based on inherent optical properties database and bi-directional factor look-up table. At last, we used WHI and CHRIS images to retrieve water quality parameters to
validate the models we had done, and we got good results.
The research findings in this paper are also can be applied to other similar types of  inland  waters.  This  will  accelerate  application  of  remote  sensing  in  monitoring
water quality in different lakes and rivers.
 
Keywords: inland  water,  water  quality  parameters  retrieval,  bi-directional reflectance, optical properites, hyperspectral remote sensing