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浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

红外与激光工程 2023年第1期52卷 58-64页

作者：张鑫宗思光李斌余扬海军工程大学电子工程学院湖北武汉430034 武汉大学湖北武汉430070

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系... 详细信息

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明:随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明:随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。

关键词：蒙特卡洛激光雷达后向散射浑浊水体

面向浑浊水体叶绿素a浓度遥感反演的光谱基线校正

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光谱学与光谱分析 2012年第9期32卷 2546-2550页

作者：韦玉春王国祥程春梅张静孙晓鹏南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室江苏南京210046

根据浑浊水体中悬浮物的光学性质,提出使用线性基线校正方法来削弱水体光谱中的悬浮泥沙贡献。线性基线定义为450和750nm的反射率值连线,基线校正为光谱反射率减去基线。2010年3月和2011年4月太湖梅梁湾水体的实测数据验证结果表明,光... 详细信息

根据浑浊水体中悬浮物的光学性质,提出使用线性基线校正方法来削弱水体光谱中的悬浮泥沙贡献。线性基线定义为450和750nm的反射率值连线,基线校正为光谱反射率减去基线。2010年3月和2011年4月太湖梅梁湾水体的实测数据验证结果表明,光谱线性基线校正可以较好的提高叶绿素a浓度的反演精度,改进反演模型的诊断性。3月数据建立的波段比值反演模型中,校正前模型RMSE为4.11mg·m-3,基线校正后模型RMSE为3.58mg·m-3,同时,基线校正后模型残差的方差齐性和正态分布均有明显的改善。4月模型有类似结果,数据校正后的模型具有更小的误差。在没有水华发生的浑浊水体中,线性基线校正可以作为提高水体叶绿素a浓度反演精度的光谱数据处理方法。

关键词：基线校正叶绿素a 浑浊水体悬浮物太湖遥感反演

星载激光雷达气溶胶数据辅助的近岸浑浊水体大气校正研究

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武汉大学学报（信息科学版） 2011年第8期36卷 960-963,I0002,I0003页

作者：田礼乔陈晓玲邱凤张伟武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉市珞喻路129号430079 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室南昌市紫阳大道99号330022 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室南昌市南京东路235号330031

提出了一种星载激光雷达CALIOP气溶胶数据辅助的MODIS/Aqua水色数据大气校正方法,并在长江口及其邻近浑浊水体区域进行了实验。通过与实测光谱数据的对比分析说明,本文方法能在一定程度上避免如近红外波段离水辐亮度为零的假设的不合理... 详细信息

提出了一种星载激光雷达CALIOP气溶胶数据辅助的MODIS/Aqua水色数据大气校正方法,并在长江口及其邻近浑浊水体区域进行了实验。通过与实测光谱数据的对比分析说明,本文方法能在一定程度上避免如近红外波段离水辐亮度为零的假设的不合理性,摆脱对实测数据的依赖,有效地反演离水辐亮度,修复SeaDAS软件中短波红外-近红外联合大气校正算法中短波红外波段引起的产品的条带问题。

关键词：水色遥感大气校正浑浊水体 MODIS CALIOP

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基于物理的浑浊水体的光照模拟

计算机辅助设计与图形学学报 2011年第1期23卷 40-45页

作者：刘世光王泽彭群生天津大学计算机科学与技术学院天津300072 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室北京100191 浙江大学CAD＆CG国家重点实验室杭州310027

水体的真实感光照模拟是计算机图形学中的重要研究内容.现有的研究偏重于清澈水体的光照模拟,无法直接用于浑浊水体,为此提出一种基于物理的浑浊水体的真实感光照模拟方法.首先基于物质对水体光学特性的影响对浑浊水体进行建模,并分别... 详细信息

水体的真实感光照模拟是计算机图形学中的重要研究内容.现有的研究偏重于清澈水体的光照模拟,无法直接用于浑浊水体,为此提出一种基于物理的浑浊水体的真实感光照模拟方法.首先基于物质对水体光学特性的影响对浑浊水体进行建模,并分别建立每一类物质的吸收和散射模型;然后根据光线在浑浊水体中的传播及其与不同物质颗粒的交互作用计算光能的衰减变化,并将其转换为RGB颜色系统进行真实感绘制.借助GPU强大的并行处理能力,该方法可以实现对不同浑浊水体的光照效果的实时绘制.

关键词：浑浊水体真实感光照物理模型交互作用 GPU

长江口邻近海域浑浊水体中夏季颗粒氮的特征与影响因素

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厦门大学学报（自然科学版） 2020年第S1期59卷 81-87页

作者：朱禹澄崔冰瑞祝嗣腾王松朵侯玉杰李铁韩秀荣中国海洋大学化学化工学院山东青岛266100 复旦大学环境科学与工程系

2016年7月在长江口邻近海域5个观测站进行调查,观测了颗粒氮(PN)浓度及其变化.结果显示PN浓度相对稳定,平均值为4.01μmol/L,其中透明度最高的C3站PN浓度高于其他站.研究发现PN浓度与溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)呈线性相关,与总悬浮颗粒... 详细信息

2016年7月在长江口邻近海域5个观测站进行调查,观测了颗粒氮(PN)浓度及其变化.结果显示PN浓度相对稳定,平均值为4.01μmol/L,其中透明度最高的C3站PN浓度高于其他站.研究发现PN浓度与溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)呈线性相关,与总悬浮颗粒物(TSP)无显著相关关系,表明调查海域PN大多为生源颗粒物;同时发现PN浓度与磷酸盐(DIP)、溶解无机氮(DIN)、硅酸盐(DSi)相关关系不显著,表明在浑浊水体中,生源PN不受营养盐限制,水体浑浊度制约生物生长,进而影响PN浓度.进一步探讨发现颗粒磷(PP)与TSP间可能存在吸附-解吸作用,造成PP浓度偏高,导致PN/PP比值相对恒定且低于Redfield比值.

关键词：颗粒氮生源氮浑浊水体长江口邻近海域

基于GOCI的浑浊水体大气校正修复方法——以太湖为例

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华中师范大学学报（自然科学版） 2020年第5期54卷 892-897页

作者：陈会明郭瑞邓实权韩世刚杨治国武汉大学遥感信息工程学院武汉430079 河南测绘职业学院遥感工程系郑州451464 湖南省地质调查院长沙410000 北京麦飞科技有限公司武汉430079 武汉珞珈德毅科技股份有限公司武汉430079

浑浊水体的大气校正一直是水色遥感研究的热点与难点.该文以GOCI数据为基础,以太湖为研究区域,提出了最佳像素范围半径内的大气校正修复方法,修复了在浑浊水体无法获取有效的大气校正结果的问题,利用修复的大气校正结果,建立了归一化叶... 详细信息

浑浊水体的大气校正一直是水色遥感研究的热点与难点.该文以GOCI数据为基础,以太湖为研究区域,提出了最佳像素范围半径内的大气校正修复方法,修复了在浑浊水体无法获取有效的大气校正结果的问题,利用修复的大气校正结果,建立了归一化叶绿素a指数(NDCI),并反演得到了未修复和修复后的NDCI.结果表明,在未修复和修复后的相交区域,NDCI具有较高的一致性,平均相对误差小于1.2%,说明该大气校正修复方法能有效修复大气校正失败区域.

关键词： GOCI 大气校正浑浊水体修复

太湖浑浊水体光谱的非负矩阵分解和叶绿素a浓度的遥感估计

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太湖浑浊水体光谱的非负矩阵分解和叶绿素a浓度的遥感估计

作者：丛茂勤南京师范大学

学位级别：硕士

水体光谱与水色参数关系密切,利用这种关系可以估计水色参数的浓度。叶绿素a浓度(Chla)反映了湖泊水体的富营养化程度,是重要的水质参数,基于遥感数据反演水体中Chla是水质监测的重要手段。浑浊水体光学特性复杂多变,水体光谱中不可避... 详细信息

水体光谱与水色参数关系密切,利用这种关系可以估计水色参数的浓度。叶绿素a浓度(Chla)反映了湖泊水体的富营养化程度,是重要的水质参数,基于遥感数据反演水体中Chla是水质监测的重要手段。浑浊水体光学特性复杂多变,水体光谱中不可避免的存在着噪声,影响着反演模型的建立以及监测应用。因此研究光谱数据降噪提纯的方法进而提高Chla遥感估计的稳健性和精度显得尤为重要。论文以太湖为研究区,基于2010～2018年11期154个野外实测样点光谱数据和室内水质参数数据,研究非负矩阵分解方法的降噪效果。以未处理光谱建立的三波段半分析模型为基线模型,对比了不同降噪提纯光谱所建立的模型精度,通过单批次采样数据确定了区域内最佳非负矩阵分解方法,分析了其对Chla反演精度的影响。构建了太湖水体Chla的估算模型,并对模型进行了应用验证。主要研究内容和结论如下:(1)不同的非负矩阵分解方法与Chla的遥感估计使用15种典型非负矩阵分解方法处理太湖单批次调查数据,用获得的逼近光谱建立新模型并与基线模型对比。结果表明,多数非负矩阵分解方法具有光谱降噪提纯效果,其中区域内适用的最佳非负矩阵分解方法是稀疏非负矩阵分解(Snmf)。所有调查批次中,改善较好的批次多为夏秋季,平均风速在1.73～1.82m/s之间,平均温度在19.28～36.26℃之间。(2)非负矩阵分解的光谱降噪作用根据实测光谱数据的统计特性,使用高斯白噪声进行噪声模拟,对比了主成分变换(PCA)和Snmf的光谱降噪效果。结果表明,二者均可以使水体光谱更加平滑,Snmf的去噪效果优于PCA。(3)叶绿素a浓度遥感反演模型的建立与验证将Snmf与正交匹配追踪算法(OMP)、一阶微分结合处理光谱数据,并与原始光谱、Snmf、一阶微分、核回归平滑、小波变换等单独的光谱处理进行对比。分别按照两种方式建模和验证:方式一随机抽取60%样点数据用于建模,40%样点数据用于验证;方式二将2016年以前数据用于建模,2016年及其后数据用于验证。结果表明,与三波段模型相比,使用Snmf处理后光谱建立的模型精度和验证精度均有提高。其中,改进效果最好的是Snmf+OMP。在方式一中,其模型精度为 R=0.77,RMSE=11.74 mg/m,验证精度为 R=0.79,RMSE=11.07 mg/m。在方式二中,其模型精度为R=0.8,RMSE=9.27 mg/m,验证精度为R=0.76,RMSE=13.22 mg/m。论文使用不同的非负矩阵分解方法处理太湖水体光谱,利用获得的逼近光谱建立Chla遥感反演模型并验证,同时结合其他方法进行建模,降低了 Chla浓度的估计误差,提高遥感反演模型的稳健性,增强了所建模型的监测应用能力。论文使用的方法可为二类水体的Chla遥感估计和监测提供基础支持,为其他生化参数的遥感反演建模提供参考。

关键词：浑浊水体光谱噪声非负矩阵分解叶绿素a浓度水色遥感太湖

内陆浑浊水体固有光学量（IOPs）反演算法

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内陆浑浊水体固有光学量（IOPs）反演算法

作者：潘洪洲南京师范大学

学位级别：硕士

本文面向浑浊富营养化二类水体,以太湖为研究区,在QAA基础上构建了水体吸收系数和后向散射系数双波段(QAA-DB)反演算法以及去纯水以外的吸收系数aexp(λ)分解算法。(1)QAA-DB算法在对水体反射光谱特征研究的基础上,首先利用677nm吸收谷... 详细信息

本文面向浑浊富营养化二类水体,以太湖为研究区,在QAA基础上构建了水体吸收系数和后向散射系数双波段(QAA-DB)反演算法以及去纯水以外的吸收系数aexp(λ)分解算法。(1)QAA-DB算法在对水体反射光谱特征研究的基础上,首先利用677nm吸收谷和701nnm反射峰之间反射率的光谱斜率(Slope)为分类指标,以Slope=0.32为临界值,将混浊水体分为两类具有不同光学特征的水体,针对两类水体,分别构建IOPs反演模型,针对不同类别水体设置不同的模型参数,对于颗粒物后向散射系数进行分段模拟。1)400-685nm波段采用幂函数形式模拟,基于QAA算法,同时选取550nm和675nm两个参考波长进行颗粒物后向散射系数幂函数外推,并基于数据同化思想,利用多模型协同反演策略,对外推结果进行加权优化,确定最优颗粒物后向散射系数;2)对于大于685nm波段的颗粒物后向散射系数,以定值进行模拟;最后,通过生物光学模型,计算得到吸收系数。验证数据表明,QAA-DB算法对于复杂二类水体吸收系数反演误差MAPE为19.71%,RMSE为1.3933,反演精度令人满意。(2)针对内陆水体吸收系数的分解,本文提出了两种改进算法,即基于经验比值的吸收系数分解算法和基于高斯函数参数化的吸收系数分解算法,将aexp(λ)进行分解,得到浮游植物吸收系数αρh(λ)、非色素颗粒物及CDOM吸收光谱之和adm (λ)、1)基于经验比值的吸收系数分解算法,首先经验确定各组分吸收系数在450和480nm的比值及αdm(λ)衰减常数S,通过联立方程并结合αdm(λ)光谱负指数外推参数化模型,求解整个波段上的adm (λ),进而求得aρh(λ),验证数据结果表明,最终adm (λ)分解误差MAPE为24.72%,RMSE为0.81;2)基于高斯函数参数化的吸收系数分解算法,利用12个高斯函数对apn(λ)进行参数化,利用负指数模型参数化adm (λ),并经验确定adm(440),在此基础上,通过最小二乘优化算法进行未知参数的求解,实现对吸收系数的分解,最终adm(λ)分解误差***为27.73%,RMSE为1.02。对于复杂二类水体,本文改进的两种分解算法都成功地对aexp(λ)进行了分解,精度令人满意。

关键词：浑浊水体固有光学量吸收系数分解双参考波长分类多模型协同反演高斯函数

面向叶绿素a浓度遥感反演的浑浊水体中纯谱的判别——以太湖为例

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面向叶绿素a浓度遥感反演的浑浊水体中纯谱的判别——以太湖为例

作者：温素馨南京师范大学

学位级别：硕士

水体光谱与水色参数密切相关,基于水体光谱可以反演估计水色参数的浓度。叶绿素a(Chla)浓度是富营养化湖泊水体水质监测的一个重要参数,通过遥感数据反演水体Chla浓度是水质监测的重要手段。浑浊水体光学特性复杂多变,受调查区域和时间... 详细信息

水体光谱与水色参数密切相关,基于水体光谱可以反演估计水色参数的浓度。叶绿素a(Chla)浓度是富营养化湖泊水体水质监测的一个重要参数,通过遥感数据反演水体Chla浓度是水质监测的重要手段。浑浊水体光学特性复杂多变,受调查区域和时间的限制,建立反演模型的光谱与后来水体监测获取的光谱之间往往存在较大差异,进而影响了反演模型的监测应用。本质上,水面之上测量的水体光谱是水体中各组分光谱的综合,属于混合光谱。基于此观点,有学者将图像光谱解混法应用到了水体光谱解混,然后进行Chla浓度的反演估计,这些研究通过算法估计或人为指定的方式确定水体光谱的端元。本文引入“纯谱”的概念,试图通过特定的判别方式寻找水体中的“纯谱”,为光谱解混中端元光谱的选择提供参考。如果没有特别说明,论文中的“纯谱”特指浑浊水体中浮游藻类控制水体(非湖泊水华)的光谱,用于Chla浓度遥感反演。具体而言,纯谱指Chla浓度远高于无机悬浮物(ISS)浓度的水体的光谱,其中,浮游藻类占绝对主导地位,ISS和有色可溶性有机物(CDOM)的光学特性对光谱的贡献可以忽略。论文是在国家自然科学基金项目“面向二类水体叶绿素a浓度遥感反演的光谱纯化研究”下开展的研究。太湖是典型的浑浊水体,论文基于2010-2017年14期太湖水体的野外实测数据和室内实验数据进行纯谱的判别。以2017年之前的数据作为建模集,2017年的数据作为测试集。根据纯谱的定义,将建模集和测试集的光谱分为三类(纯谱、混合谱Ⅰ和混合谱Ⅱ)。通过分析纯谱的光谱特性,提取了 21个特征,使用特征选择方法确定了最佳的特征。在此基础上,采用多种判别方法对建模集光谱进行纯谱判别,对比分析判别结果的差异和稳定性,确定了最佳的判别方法,并用测试集进行了验证。主要研究内容和结论如下:(1)纯谱的特征在水体中,由于藻类主导,与Chla相关的纯谱在光谱曲线的440nm、550nm、625nm、675nm及700nm附近的峰谷特征明显,呈现出双峰或三峰,纯谱的整体遥感反射率值较低,均不高于3%。通过计算机规则和已有研究成果进行特征选择,表明已有研究成果确定的特征更具有参考价值。提取了 21个光谱特征,选择后确定使用的特征为:550-700nm连线的斜率(Slope(550-700))、675nm附近反射谷的数值(R(675))、675nm附近的反射谷谷底至700nm附近的反射峰峰顶连线的距离(Dpv(675-700))、625nm附近反射谷的数值(R(625))。(2)浑浊水体中纯谱的判别以4个特征作为输入,采用分类学习器(包括分类与回归决策树(CART)、反向传播神经网络(BP)、支持向量机(SVM)、袋装决策树(BT)、加权K近邻(WKNN)等)和模糊模式识别方法(FPR)进行纯谱判别。结果表明,CART的纯谱查准率为100%,查全率为88%,会产生漏判;BP的纯谱查准率为100%,查全率为75%,会产生漏判,且对训练样本的依赖性高,多次重复试验才能得到较好的训练模型;SVM的判别精度最差,纯谱查准率为80%,查全率为50%,会产生漏判和错判;FPR的纯谱查准率和查全率均为100%,但对特征阈值的设定依赖性高,且对输入特征的顺序敏感;BT和WKNN的纯谱查准率和查全率也均为100%。舍弃精度最差的SVM判别,通过投票综合其他方法的标识作为最终的判别结果,得到的结果与定义的纯谱保持一致。(3)纯谱判别方法的稳定性通过光谱加噪模拟噪声的影响,分析判别方法的稳定性。统计表明,在4个特征波段上的野外重复测量反射率的均值μ为2.72×10-2,标准差σ为4.13×10-4,建模集中的纯谱叠加2倍标准差的高斯白噪声,将加噪后的数据作为输入进行计算。结果表明,FPR和BT抗噪性最强,其余方法的抗噪声从高到低依次为:CART、WKNN、BP。采用随机森林算法对4个特征进行重要性评价,表明R(625)的重要性较低,以其余3个特征作为输入,重新建立模型,结果表明输入特征的减少没有对CART、BT和WKNN产生影响,但BP和FPR的结果产生了变化。综合来看,FPR、BT和WKNN表现出更好的性能,可以认为是较佳的纯谱判别方法。以2017年的数据作为测试集对FPR、BT和WKNN模型进行验证。FPR模型的纯谱查准率和查全率均为100%,验证精度与模型精度一致。BT和WKNN模型具有相同的纯谱查准率和查全率,为100%和67%,会产生纯谱漏判,观察二者对另外两类光谱的判别精度,查全率均为100%,查准率也保持在96%以上,故仍认为BT和WKNN模型具有较高的验证精度。论文的结果表明,可以应用模式识别方法进行太湖水体的纯谱判别,判别结果具有较好的精度和稳定性。论文的方法和结果可为水体光谱解混过程中端元光谱的选取提供参考,进而服务于光谱去噪、纯化和浑浊水体的叶绿素

关键词：浑浊水体纯谱判别模式识别水色遥感太湖