摘要: 湖泊、河流和水库等内陆水体，与人类社会生存和可持续发展息息相关。然而，随着人类经济活动升级和城市化进程加快，水污染问题日趋突出，水资源矛盾愈发紧张。作为水环境和污染状况评价的主要依据，内陆水体的水质监测越来越受重视，也对水质监测的... 展开 湖泊、河流和水库等内陆水体，与人类社会生存和可持续发展息息相关。然而，随着人类经济活动升级和城市化进程加快，水污染问题日趋突出，水资源矛盾愈发紧张。作为水环境和污染状况评价的主要依据，内陆水体的水质监测越来越受重视，也对水质监测的范围和频率提出了更高的要求。传统定点水质采样化验监测的方法耗时耗力，且无法提供面状水质信息。随着空间科学的进步，遥感科学与技术被认为是一项能够弥补传统水质监测局限性的新型技术，具有实时动态、范围广、周期性监测等优点，符合当前新形势下内陆水体监测的需求。 针对高光谱遥感应用于内陆水体水质参数遥感定量反演和监测研究中的关键问题，本文以长三角示范区典型河湖为研究对象，首先构建针对内陆水体的大气校正方法，重点对基于图像本身信息的大气参数的反演进行了研究。然后，依据实测水质参数和水体反射率数据进行了光谱特征敏感性分析，波段选择后建立主要非光学活性水质参数定量遥感反演模型，运用AHSI(visible-shortwaveinfraredAdvancedHyperSpectralImager)和OHS(OrbitHyperSpectral)高光谱遥感数据进行典型水质参数定量反演。随后对内陆水质遥感综合评价进行了研究和卫星时空分布监测应用。最后基于传感器仪器参数仿真分析，探索了仪器性能指标对水质遥感反演模型和综合评价模型的影响。本文的主要工作和创新点如下: (1)提出了一种适用于AHSI高光谱影像的暗像元多波段气溶胶光学厚度反演算法。针对GF-5(GaoFen-5)卫星AHSI高光谱影像数据波段数多，可选择性高的特点，对2100nm附近的多个红外波段进行了数据分析，在暗像元的选择方法和线性关系的建立两个方面进行了算法调整，本文选择了AHSI高光谱影像在2100nm附近的5个红外波段，分别通过单波段、双波段和三波段的波段组合进行了红外波段反射率与可将光波段反射率的线性回归。回归效果最好的波段组合为B279、B280、B282，蓝、红波段的决定系数分别为0.752、0.712，而效果最好的单波段为2108.34nm(B282)，蓝、红波段的决定系数分别为0.692、0.658。结果表明:采用多波段组合的方式线性回归比采用单波段线性回归的效果更好，尤其是蓝光波段。采用多波段的暗像元地表反射率计算的方式能够提高气溶胶光学厚度反演的精度，进而改善高光谱图像的大气校正效果。 (2)提出了一种基于重要变量投影和分段主成分分析VIP-SPCA(VariableImportanceintheProjection-SegmentedPrincipalComponentAnalysis)的水质参数敏感波段选择方法。利用VIP(VariableImportanceintheProjection)方法评判输入的反射率数据对水质参数浓度数据的解释能力，在此波段筛选的基础上进一步将反射率光谱分割成若干波段序列，然后进行主成分分析进行高光谱数据的降维，本质是通过优化高光谱波长选择来提高非光学活性水质参数反演模型的性能。该方法有效地降低高光谱数据的维数同时充分保留了水质参数信息，采用SPCA(SegmentedPrincipalComponentAnalysis)的BP(backpropagation)神经网络模型反演的CODMn(ChemicalOxygenDemand)、DO(DissolvedOxygen)、TP(Totalphosphorus)和NH3-N(ammonianitrogen)的均方根误差分别降低了0.342mg/L，0.346mg/L，0.003mg/L，0.144mg/L。构建的BP(VIP-SPCA)神经网络模型反演的CODMn、DO、TP和NH3-N的MAPE(MeanAbsolutePercentageError)分别为14.23％，23.88％，24.11％，25.78％。 (3)提出了一种基于光谱变异系数和噪声占比指数CNRI(CoefficientofvariationandNoiseRatioIndex)的遥感综合水质评价方法，从光谱差异性角度提取特征波段并权重化反射率输入参数，直接建立水体反射率和综合水质等级之间的关系模型。模型验证结果表明，基于CNRI指数的水质遥感评价对于不同类别水体的平均分类精度达到了73.7％，比基于因子分析的水质遥感综合评价精度提高了17.3％，因此通过水体反射率的差异性直接构建反射率和水质类别的关系模型是有效的，而且该方法对污染水体和清洁水体具有良好的区分度。 (4)针对内陆水体，通过光谱仿真模拟实验分析水质参数对不同仪器性能参数的敏感程度，分别测试了不同光谱分辨率、信噪比和辐射分辨率下，水质参数反演模型的准确度和稳定性以及水质遥感综合评价模型的精度。结果表明，在水质监测遥感传感器性能参数设置时，信噪比的优先级要高于光谱分辨率和辐射分辨率。综合仪器指标敏感性分析，可知信噪比达到56dB，辐射分辨率不低于9bit，光谱分辨率适宜，能够较好地应用于内陆水体水质遥感监测。 收起