水质参数遥感反演光谱特征构建与敏感性分析

作     者：王歆晖 巩彩兰 胡勇 李澜 何志杰 WANG Xin-hui;GONG Cai-lan;HU Yong;LI Lan;HE Zhi-jie

作者机构：中国科学院红外探测与成像技术重点实验室中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2021年第41卷第6期

页      面：1880-1885页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2017YFC0602100,2017YFC0602103) 上海市水务局科研项目(沪水科2018-07) 上海市气象科学研究所横向课题《空间特征在强背景下弱信号提取中的应用方法》 中国科学院上海技术物理研究所创新项目(CX-204)资助 

主　　题：内陆水质 高光谱遥感 传感器参数 敏感性分析 

摘      要：水质遥感监测是遥感的重要应用方向之一,作为传统水体采样化验的辅助手段,具有快速、大面积、无接触的技术优点。然而,目前内陆河湖水环境监测常用的遥感传感器大多是针对陆地观测或海洋水色观测而设计的,其性能指标的设计和设置并未考虑到内陆水体特性,限制了水质遥感定量监测的应用。针对这一问题,提出了一种基于变异系数和噪声占比指数的水质参数反演光谱特征构建方法,并通过光谱仿真模拟实验,研究光谱分辨率、信噪比以及辐射分辨率对典型水质参数反演模型的影响。选择上海市三项典型水质参数溶解氧(DO)、总磷(TP)和氨氮(NH_(3-)N)为研究对象,分别构建了水质参数反演光谱特征及相应遥感反演模型,然后开展光谱仿真模拟实验,定义了敏感度S和水质敏感微分指数CI,进行敏感性分析。最终从模型反演准确度和稳定性两个方面来评价仪器参数对水质参数遥感反演模型的影响。结果表明:光谱特征构建方法能有效确定水质参数反演特征波段。光谱分辨率对比值型的水质参数反演模型的影响较小,而信噪比和辐射分辨率对模型影响较大,随着信噪比和辐射分辨率的增加,水质参数模型精度和稳定性都有一定提升。综合仪器指标敏感性分析,可知当信噪比优于56 dB,辐射分辨率不低于9 bit,光谱分辨率适宜,能够较好地应用于内陆河湖水质遥感监测。该研究不仅可以为面向内陆河湖水质监测的传感器的研制提供参考和借鉴,还能为水资源监管部门进行水质遥感监测提供技术支持,有利于加快水环境智能化监测体系的构建。