湖泊富營養化的偏振高光譜遙感監測機理研究

《湖泊富營養化的偏振高光譜遙感監測機理研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由王先華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：湖泊富營養化的偏振高光譜遙感監測機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王先華
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

湖泊水體組成上的複雜性及其淺水湖底反射的干擾，使得目前基於輻射光譜的遙感方法面臨著信息量不足、難以建立有效水質反演模型的困難。充分利用湖泊水體輻射的偏振光譜與輻射光譜，顯然比僅靠輻射光譜更具克服複雜條件的能力。然而，對於湖泊水體相對較弱的偏振信息與湖底反射存在圓偏振信息的狀況，目前的偏振探測方式存在很大局限，一是難以高精度獲取偏振高光譜，二是不能獲取圓偏振光譜，這也是導致湖泊水質偏振遙感探測研究進展緩慢的重要原因。.本項目在研究過程中，將從水體污染物發光機理出發，深入研究湖泊水體組分和水底反射的光譜學機理，充分掌握水體污染物輻射光譜和偏振光譜特性及其相互影響的規律。同時藉助我們在國家863計畫支持下完成的輻射與偏振高光譜同時獲取技術，高精度地同時獲取線偏振高光譜、圓偏振高光譜和輻射高光譜信息。在此基礎上，擺脫目前僅依賴輻射光譜信息的局限，建立基於輻射光譜與偏振光譜的湖泊水質遙感反演模型。

結題摘要

湖泊水體成分複雜性及其成分間的相互作用，極大影響了湖泊富營養化遙感模型的夠建，從而使得至今還難以形成有效的湖泊富營養化遙感監測技術。本項目從偏振高光譜遙感監測機理入手，通過對湖泊偏振高光譜輻射特性研究，探索偏振高光譜在湖泊遙感上的作用，力求為湖泊富營養化遙感技術的突破提供理論支持。 項目執行過程中，針對研究目標的需求，完成了系列基礎工作和關鍵難點攻關。在基礎工作方面，對偏振光譜儀進行了改造和定標研究，保證了儀器測量能力和測量精度，以適應項目實驗的需求；結合模擬計算和湖泊水體輻射特點的分析，設計了實驗室水體配製、測量和湖泊實地測量的方法，保證了實驗數據的可靠性；開展了水面偏振測量的耀斑剝離方法研究，避免了水體測量上的反射光干擾；對水體測量的光譜進行了最佳化處理方法研究，這些方法在降低環境影響的同時，突出了水體輻射的強度光譜和偏振光譜特徵，提高了特徵光譜選擇的質量。在關鍵難點攻關方面，通過對實驗配製水樣、巢湖實際水體實驗與分析，發現了一些偏振波段組合，在建立偏振光譜與濃度關係上具有較強的抗環境干擾能力，這一發現在推動湖泊富營養化遙感具有重要作用；針對水體場地為單點測量而遙感為面探測的技術上差異，項目引入了地統計學中克里格方法，通過考慮樣本點的形狀、大小和空間方位上與未知樣點相互關係，在單點測量向區域面拓展方面進行了探索，為進行水面測量與遙感觀測關係的建立進行了有效嘗試。項目在機理性研究方面取得了較為重要的結果，發現了一些偏振波段在湖泊複雜水體中對環境較強的抗干擾能力，主要體現在：第一，對於泥沙，560nm和520nm的偏振度比值，在實驗室配製的單一水體和巢湖複雜水體條件下，都具有良好的函式關係，而反射率比值只在實驗水體具有良好的函式關係，在巢湖水體則雜亂無章；第二，對於葉綠素，530nm和440nm的偏振度比值，在實驗水體和巢湖水體條件下，都具有良好的函式關係，而反射率比值只在實驗水體中具有良好函式關係，在巢湖條件下，則雜亂無章；第三，對於葉綠素，705nm和675nm的偏振度比值與反射率比值，在實驗室水體和巢湖水體條件下，都具有良好的函式關係。這些結果與近期國外文獻如以色列Amit的模擬結果，即關於偏振光在水體中傳輸時具有較強抗干擾能力的結論相一致。