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基于无人机高光谱的长江口北港表层悬浮泥沙浓度潮周期监测研究

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基于无人机高光谱的长江口北港表层悬浮泥沙浓度潮周期监测研究

作者：徐航上海海洋大学

学位级别：硕士

悬浮泥沙浓度(SSC)不仅直接影响河口水体的透明度、浊度等光学性质,同时对河口的冲淤变化、沿海地区的水土保持也产生影响。研究河口区域SSC的空间分布与变化对于维护沿海区域和海洋生态系统的健康、了解河口地形地貌变化具有重要意义... 详细信息

悬浮泥沙浓度(SSC)不仅直接影响河口水体的透明度、浊度等光学性质,同时对河口的冲淤变化、沿海地区的水土保持也产生影响。研究河口区域SSC的空间分布与变化对于维护沿海区域和海洋生态系统的健康、了解河口地形地貌变化具有重要意义。传统的现场收集SSC样本的方法耗时、费力且空间连续性不足,随着遥感技术的发展,利用水体的遥感反射率定量反演表层悬浮泥沙浓度(SSSC)成为悬浮泥沙监测的一种重要方法。目前的反演研究多数基于卫星多光谱数据,存在空间分辨率低、光谱信息不全面、无法进行灵活监测等问题。近年来,无人机遥感被应用于水质监测,但是目前基于无人机技术的SSSC监测研究还较少,尤其是对于水动力环境复杂的河口区域,无人机高光谱反演模式不够完善,缺乏潮周期内的SSSC变化研究。针对以上问题,本研究选取长江口北港为实验区域,提出利用无人机搭载高光谱传感器对潮周期内的SSSC变化进行监测。通过分析含沙水体的光谱曲线特征,确定了SSSC敏感波段区间,在此基础之上,开展了SSSC高光谱反演模型研究,并将建立的模型应用于无人机影像SSSC反演,分析了长江口北港不同潮情SSSC的变化规律。主要研究工作及结论如下:(1)针对悬浮泥沙浓度对长江口水体光学性质的影响,阐述了光在水体中的辐射传输原理,采集了长江口南汇嘴附近典型粒径的表层沉积物,开展了长江口水体SSSC梯度变化光谱特性定量研究。结果表明,随着SSSC的增加,水体的光谱反射率曲线具有相似的形态,但也存在一定的差异。当SSSC52.69mg/L时,光谱曲线第一反射峰位于570～710nm,并在近红外波段780～820nm处出现第二反射峰。光谱曲线第一峰值区间存在明显的“红移”现象,且波长的“红移”变化与SSSC的线性拟合R达到0.91,说明两者呈较强的线性相关性。在400～900nm光谱范围内,740～860nm区间内的波段对SSSC的变化具有较强的响应能力且比较稳定。因此,选取740～860nm作为SSSC变化的敏感波段区间,为下一步的SSSC高光谱反演模型研究提供理论基础。(2)针对高光谱波段数量多,相邻波段之间的线性相关性强,导致的数据冗余问题,本研究引入基于主成分分析的高光谱波段降维方法。利用少量互不相关的主成分变量代替大量的原始高光谱波段数据,在减少模型输入参量的同时尽可能多的保留原光谱信息,以达到简化高光谱数据的目的。分析了长江口北港丰水期、枯水期2个不同数据集的高光谱波段降维结果,发现对于不同数据集,前3个主成分已经能够映射原光谱数据90%以上的信息,前10个主成分已经能够映射原光谱数据99%以上的信息,表明利用3～10个主成分变量就可以代替原光谱数据的45个波段。(3)选取3～10个主成分变量,利用丰水期、枯水期2个不同时期的数据集分别建立了PCA-BP神经网络模型,并与传统的线性回归模型进行比较。结果表明,不同时期建立的PCA-BP神经网络模型的预测精度均优于线性回归模型。对于丰水期,在选取6个主成分变量时,PCA-BP反演模型的拟合R达到0.87,RMSE为18.45mg/L,MRE为9.41%。枯水期在选取5个主成分变量时,建立的PCA-BP模型拟合R达到0.93,RMSE为4.21mg/L,MRE为8.75%。(4)选取悬浮泥沙浓度受潮汐影响明显的长江口北港河段,开展基于无人机高光谱传感器的SSSC潮周期变化监测研究。利用基于主成分分析方法建立的PCA-BP神经网络模型进行SSSC反演,完成了丰水期、枯水期,涨潮、涨憩、落憩不同潮情SSSC变化监测。实验结果表明,丰水期SSSC的平均值涨憩高于涨潮高于落憩,随着离岸距离的增加,涨潮状态下的SSSC变化剧烈,涨憩和落憩时段的SSSC波动较小;枯水期SSSC平均值涨潮高于落憩,且随着潮位的上涨,SSSC也随之增加,不同时段的SSSC随着离岸距离的增加均先下降后趋于平稳。将不同时期的反演结果进行对比分析,发现丰水期的SSSC整体高于枯水期。经验证,反演结果与实测结果具有一致性,表明本研究提出的基于无人机的河口区域SSSC潮周期监测方法是可靠的。

关键词：无人机高光谱长江口表层悬浮泥沙浓度潮周期

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河口近岸水体中颗粒态重金属的潮周期变化

环境科学 2006年第1期27卷 132-136页

作者：毕春娟陈振楼许世远贺宝根李丽娜陈晓枫华东师范大学资源与环境科学学院地理信息科学教育部重点实验室上海200062 上海师范大学地理系上海200234 复旦大学分析测试中心上海200433

对长江口崇明东滩近岸水体中颗粒态重金属的潮周期变化特征及其影响机制进行了研究．结果表明，受粒度影响，底层水体中颗粒态Cu、Pb、Fe、Mn、Zn、Cr、AI的总量分别高出表层沉积物的184％、99％、56％、62％、147％、50％和45％，其中C... 详细信息

对长江口崇明东滩近岸水体中颗粒态重金属的潮周期变化特征及其影响机制进行了研究．结果表明，受粒度影响，底层水体中颗粒态Cu、Pb、Fe、Mn、Zn、Cr、AI的总量分别高出表层沉积物的184％、99％、56％、62％、147％、50％和45％，其中Cu、Pb、Fe、Mn、Zn、Al可还原态部分在底层水体悬浮颗粒物中的含量也明显高出表层沉积物的2～3倍，但与重金属总量相比，上述元素的可还原态部分所占比例与表层沉积物相差不大．在5次潮汐循环过程中，颗粒态重金属均在涨潮初期、高平潮前后及落潮末期出现较高含量．这种变化主要与水动力条件有关，当水体流速增大时，从底部沉积物再悬浮起来的颗粒态重金属对水体中的永久性悬浮颗粒起了很大的稀释效应．水体中的盐度、130及pH等环境因子对潮周期内颗粒态重金属的变化影响不大．

关键词：重金属悬浮颗粒潮周期河口近岸水体

长江口12.5m深水航道潮周期内回淤量分布

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水运工程 2017年第7期 1-6页

作者：顾峰峰万远扬沈淇王巍孔令双上海河口海岸科学研究中心交通部河口海岸重点实验室上海201201

潮周期内航道回淤量是一个随潮动力的变化而动态变化的量。确定深水航道的回淤量的潮周期内分布特征,将有助于合理安排航道的疏浚,减少不必要的疏浚船方。采用适用于长江口深水航道的回淤量计算模型,基于实测航道近底层的水文观测资料,... 详细信息

潮周期内航道回淤量是一个随潮动力的变化而动态变化的量。确定深水航道的回淤量的潮周期内分布特征,将有助于合理安排航道的疏浚,减少不必要的疏浚船方。采用适用于长江口深水航道的回淤量计算模型,基于实测航道近底层的水文观测资料,获得了潮周期内的航道回淤量分布特征及其形成机制,得到航道回淤量主要发生在中小潮期间,而大潮期间动力较强冲刷明显、近底层泥沙浓度高,但形成的回淤量较小的结论。这一结论通过枯季近底层实测的水、沙及地形冲淤变化过程资料得到了验证。

关键词：长江口潮周期航道回淤 12.5m深水航道

生源气体排放的潮周期动态研究:关键科学问题与不确定性

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海洋湖沼通报 2011年第4期 134-143页

作者：王进欣王今殊钦佩张维康徐州师范大学江苏徐州221116 南京大学盐生植物实验室江苏南京210093

生态系统生源气体排放是全球C、N、S和Cl循环研究的重要内容,是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点。在介绍海岸带盐沼生态系统生源气体种类及其环境效应的的基础上,重点对潮汐循环对植物枯落物分解和土壤生源要素... 详细信息

生态系统生源气体排放是全球C、N、S和Cl循环研究的重要内容,是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点。在介绍海岸带盐沼生态系统生源气体种类及其环境效应的的基础上,重点对潮汐循环对植物枯落物分解和土壤生源要素生态化学计量学特征的影响、潮汐循环影响下电子受体和盐分输入特征及其对生源气体排放的影响、潮汐循环影响下生源气体生产者生态生理特征和生产者贡献比率变化特征、潮汐循环影响下海岸带盐沼高等植物根际生理生态过程以及海岸带盐沼潮周期内生源气体通量特征及其相互关系等关键科学问题和这些问题研究中的不确定性进行了探讨。为揭示C、N、S和Cl元素之间的相互作用及平衡制约关系和为减缓温室效应提供新思路和理论依据具有重要的现实意义。

关键词：潮周期生源气体关键科学问题不确定性

三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤特征及其动力机制

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海洋地质前沿 2024年第3期40卷 48-54页

作者：赵元楷李茂田曾剑威陈静刘晓强姚慧锟刘演樊春谭子杰张雯彦彭旦华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241 中国地质调查局南京地质调查中心南京210016 华东师范大学崇明生态研究院上海202162

潮滩不同尺度的变化规律一直是地表过程研究的核心之一。利用声学多普勒流速仪(ADV)、温盐深(CTD)、光学后向散射浊度计(OBS)对三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤及动力变化进行了高精度的观测。结果发现,潮周期内,潮滩冲淤呈现涨潮初期冲刷... 详细信息

潮滩不同尺度的变化规律一直是地表过程研究的核心之一。利用声学多普勒流速仪(ADV)、温盐深(CTD)、光学后向散射浊度计(OBS)对三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤及动力变化进行了高精度的观测。结果发现,潮周期内,潮滩冲淤呈现涨潮初期冲刷-落潮末期淤积-中间时段稳定的特征,涨潮初期水深潮末期水深潮周期内,呈现中潮到小潮平均淤积3.4 mm,小潮到大潮平均冲刷8.2 mm的特征。通过流速、紊动能、水深、悬沙浓度等因子与冲淤的相关性分析发现,潮周期内,流速和紊动能的增减决定涨潮初期冲刷和落潮末期淤积的变化;大小潮周期内,涨潮冲刷大于落潮淤积的特性决定了大潮到小潮阶段的冲刷,涨潮冲刷小于落潮淤积决定了小潮到大潮阶段的淤积。涨落潮周期和大小潮潮周期的冲淤机制为潮滩动力地貌和动力沉积学研究提供了一定的参考。

关键词：三沙湾潮滩潮周期冲淤动力机制

基于浮标站观测的磨刀门洪枯季径潮动力作用规律及相关性分析

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水运工程 2024年第5期 15-22页

作者：方神光崔丽琴广东水利电力职业技术学院广东广州510635 珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东广州510611

为揭示磨刀门主要动力因子对潮流运动的作用规律,采用主潮通量算法计算洪枯季半月不同时间尺度下的潮流动力特征值,采用多元线性回归法对特征值的相关性进行拟合分析。结果表明,磨刀门水道内平均落潮流速洪季比枯季总体大约14%,但涨潮... 详细信息

为揭示磨刀门主要动力因子对潮流运动的作用规律,采用主潮通量算法计算洪枯季半月不同时间尺度下的潮流动力特征值,采用多元线性回归法对特征值的相关性进行拟合分析。结果表明,磨刀门水道内平均落潮流速洪季比枯季总体大约14%,但涨潮平均流速仅为枯季一半;水道内洪季余流流速很大,枯季可忽略不计;口门外东汊和西汊涨潮流态洪季存在相互顶托,枯季均为西南向,洪枯季余流流速西汊均大于东汊,近底层水深范围存在逆时针半环流结构,且枯季尤为明显。潮汐动力和海面风对水道内余流影响较小,径流动力洪季影响显著、枯季影响很小。由于洪季径流动力强劲,东汊和西汊净潮通量变化规律一致;枯季磨刀门水道净通量主要输运至东汊水域,随沿岸流朝西南方向输运进入西汊,然后随离岸流朝南侧外海方向输出,符合口门外逆时针半环流结构的输运特征。

关键词：磨刀门径潮动力潮周期半环流结构洪枯季

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伶仃洋夏季叶绿素a时间变化特征及分析

热带海洋学报 2022年第2期41卷 16-25页

作者：曾滇婷李君益谢玲玲叶小敏周达广东海洋大学海洋与气象学院近海海洋变化与灾害预警实验室广东湛江524088 陆架及深远海气候资源与环境广东省高校重点实验室广东湛江524088 国家卫星海洋应用中心北京100081 国家海洋技术中心天津300112 自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室北京100081

文章使用2019年7月5日—20日在珠江河口伶仃洋定点连续观测的海表面叶绿素a质量浓度、海表面气温、气压、风速、风向、海表温度、盐度、流速、流向、遥感降雨量数据和中等分辨率成像光谱仪可见光波段影像,利用小波分析和集成经验模态分... 详细信息

文章使用2019年7月5日—20日在珠江河口伶仃洋定点连续观测的海表面叶绿素a质量浓度、海表面气温、气压、风速、风向、海表温度、盐度、流速、流向、遥感降雨量数据和中等分辨率成像光谱仪可见光波段影像,利用小波分析和集成经验模态分解方法分析了观测期间内伶仃洋海表面叶绿素a的时间变化特征及其影响因子。分析结果表明,观测期间海水表层叶绿素a质量浓度的变化范围为0.44~1.75μg·L^(-1),平均值为0.80μg·L^(-1),其变化周期主要为6h、12h和24h。其与相对应周期的潮流存在明显的相位关系,并且在降雨后两者的相位关系发生了转换。7月5日—12日,叶绿素a与潮流基本呈反相位关系,涨急时叶绿素a质量浓度低,落急时叶绿素a质量浓度较高,浓度相差约为0.3μg·L^(-1)。珠江流域在7月8日—13日发生了一次强降雨过程,降雨前后海水表层叶绿素a质量浓度在6h、12h和24h周期波段的振幅由0.02~0.09μg·L^(-1)增加到0.15μg·L^(-1)左右。同时,降雨对珠江河口的叶绿素a质量浓度造成了一个持续80h的增加过程,浓度增加了0.3μg·L^(-1)。发生降雨后,7月13日—20日期间潮流滞后于叶绿素a约6h,水位最高时叶绿素a质量浓度最低,水位最低时叶绿素a质量浓度最高。由以上结果可以看出,降雨不仅引起了河口区叶绿素a质量浓度的增加,还造成了叶绿素a和潮流间相位关系的转换。

关键词：珠江河口伶仃洋叶绿素a质量浓度潮周期降雨量

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伶仃洋叶绿素a时空变化及动力因子分析

伶仃洋叶绿素a时空变化及动力因子分析

作者：曾滇婷广东海洋大学

学位级别：硕士

河口作为河流与海洋的过渡带,其生态环境和水质状况引起人们的广泛关注。伶仃洋是华南最大的河口湾,揭示叶绿素a水文气象多要素的共同驱动作用,对近海水质监测和生境治理具有重要意义。因此,本文利用2019年1月-7月在伶仃洋三个连续站位... 详细信息

河口作为河流与海洋的过渡带,其生态环境和水质状况引起人们的广泛关注。伶仃洋是华南最大的河口湾,揭示叶绿素a水文气象多要素的共同驱动作用,对近海水质监测和生境治理具有重要意义。因此,本文利用2019年1月-7月在伶仃洋三个连续站位观测得到的海表叶绿素a浓度、海表面气温、气压、风速、风向、海表温度、盐度、流速、流向、溶解氧数据以及同期的卫星遥感资料,利用功率谱、小波分析和集成经验模态分解等方法分析了伶仃洋海表叶绿素a的时间变化和空间差异,探讨动力环境因子对叶绿素a浓度的影响。结果表明:(1)伶仃洋表层叶绿素a浓度存在明显季节变化。遥感观测显示枯季(1月-3月)叶绿素a浓度西北部湾顶高,东南部湾口低,平均浓度为3.07μg·L;洪季(4月-7月)分布则反向,湾口叶绿素a浓度比湾内高,且平均浓度增大为5.42μg·L,。三个站位现场观测的海水表层叶绿素a浓度比卫星数据普遍低1.04～2.41μg·L,但季节变化特征相同。观测站位叶绿素a最高值出现在东槽L2站位的2月份,月平均浓度达2.98μg·L。叶绿素a的季节变化与温盐相关,受季风和径流控制。(2)现场观测时间序列分析显示,伶仃洋叶绿素浓度变化存在0.25 d、0.5 d、1 d、15 d和30 d的周期变化,与相应周期的潮流(特别是沿通道方向潮流)存在明显的相位关系。在0.5 d周期的半日潮波段,叶绿素a通常滞后于潮流。在1 d的全日潮波段,L1站和L2站枯季多同相位,洪季则多反相位;L3站则基本同相位。在15 d的半月周期波段,叶绿素a多滞后或反位相于流速变化。径流、风速和风向等会引起叶绿素a与潮流相位关系的转换。此外,叶绿素a在2～10 d的周期波段也存在高能量分布,与风速的变化有关,通常滞后于风速0～7 d。(3)观测期间伶仃洋共发生13次叶绿素a异常高值事件。每次持续时间为2～10d,期间浓度增加0.86～4.78μg·L,增长率为65.58%～627.82%。叶绿素a异常高值事件的发生通常伴随着气温上升、气压下降、水温上升和溶解氧浓度增加。要素分析显示,叶绿素a异常增加事件主要受强降雨、强流和强风的影响,其中有7次是由珠江径流带来高温低盐水引起的,5次是由降雨导致的,1次是由南海盐水入侵造成。枯季风速对叶绿素a变化的影响较大,洪季温盐和流速的影响较大。

关键词：珠江口叶绿素a 季节变化潮周期极端事件

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洪季伶仃洋水域径潮动力作用机制及演变探讨

海岸工程 2023年第4期42卷 301-316页

作者：方神光喻丰华广东水利电力职业技术学院广东广州510635 珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东广州510611

为揭示洪季伶仃洋水域径潮动力作用规律,基于历年定点观测数据,采用主潮通量算法和线性回归法定量剥离了主动力因子对流速的贡献。结果显示,该水域潮周期平均流速与潮差、径流量及其他动力因子相关性很好。潮周期平均流速始终与潮汐动... 详细信息

为揭示洪季伶仃洋水域径潮动力作用规律,基于历年定点观测数据,采用主潮通量算法和线性回归法定量剥离了主动力因子对流速的贡献。结果显示,该水域潮周期平均流速与潮差、径流量及其他动力因子相关性很好。潮周期平均流速始终与潮汐动力正相关,但其贡献近年有明显减弱。径流作用以往以随潮运动为主,削弱了潮流流速;近年其贡献变为涨潮期为负、落潮期为正。其他动力因子主要是垂向盐度斜压梯度力及季风等,在主槽水域其贡献涨潮期为正、落潮期为负,变化不大;但西滩水域“潮汐捕集”和储能机制对潮流流速影响作用被削弱。因此,伶仃洋河口湾较以往呈更多河道型水流动力特征,与近年伶仃洋水域围垦及水深增大等朝窄深形态发展密切相关。

关键词：伶仃洋潮周期平均流速潮汐径流