基于高分一号卫星的京津冀典型水库水色指数和透明度监测研究

作     者：曹畅 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：申维;李俊生

授予年度：2021年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 07[理学] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：高分一号卫星 水色指数 大气校正 透明度 时空变化分析 

摘      要：随着京津冀经济社会的快速发展,其湖库水体受到越来越大的污染风险。对水质的快速监测和对水质变化趋势的把握具有十分重要的现实意义。传统的水面采样水质监测方法费时费力,且只是个别采样点的结果,卫星遥感技术具有快速、高效、可追溯等特点,可以对水环境进行大范围长时序的动态监测。但是由于不同湖库水体光学特性差异很大,建立适用于大范围湖库的水质遥感监测模型是一个难题。不过,卫星遥感可以普适性的计算一种与水质相关的光学参量:将水体颜色从蓝到红分为21个级别的水色指数(Forel Ule Index,FUI)。500米分辨率的MODIS数据已经被成功应用于监测全球大型湖库的水色指数时空变化,并且基于水色指数分析全国大型湖库透明度时空变化,但是限于较低空间分辨率而无法应用于中小型湖库。因此,本文就是要发展基于2013年发射的16米的国产高分一号卫星宽覆盖多光谱遥感(GF-1 WFV)的水色指数和透明度监测方法,并应用于分析京津冀典型湖库的水色指数和透明度的时空变化。本文的主要贡献和结论如下:(1)基于水面实测遥感反射率光谱等效为GF1-WFV各波段的遥感反射率,构建了基于GF1-WFV的色度角归一化校正方法,并进一步计算为水色指数。(2)对比了多种基于GF1-WFV的大气校正方法,发现基于Sentinel2-MSI反射率图像的相对反射率校正方法具有较高的精度,,基于大气校正后反射率计算FUI与通过实测遥感反射率光谱计算的FUI间相关系数为0.76,平均相对误差为8.1%。(3)基于56个星地同步实验采样点的归一化校正的色度角和实测透明度数据,构建了透明度反演经验模型,建模拟合度R为0.69;利用保留的30个实测透明度对模型进行检验,反演的透明度与实测透明度之间的相关系数为0.74。(4)利用本文构建的基于GF1-WFV的FUI和透明度反演模型,开发了自动化批处理程序,生产了京津冀典型湖库2013-2019年的FUI和透明度产品,分析了水质时空变化状况,并分析了其主要影响因素。