珠江口河网水体非光学活性水质参数高光谱反演

以粤港澳大湾区中山市及其邻近水域河网水体为试验区, 同步采集现场光谱及水质数据, 研究受测水体的高光谱反射率特征, 并分析非光学活性参数中化学需氧量(COD_Cr)、总磷(TP)浓度与高光谱反射率的相关性。结果显示, 各河流水体光谱反射率主要受悬浮颗粒物和叶绿素a的影响; 在500~680nm波段范围内, 水体光谱反射率大小与COD_Cr、TP浓度呈负相关关系; 与单波段相比, 特定波段的反射率比值与COD_Cr、TP浓度值的相关性较高, 与COD_Cr、TP浓度值相关性最高的反射率比值波段组合分别为R₆₇₅/R₇₉₄、R₆₉₀/R₈₁₅。选择上述波段组合建立的水质反演模型具有良好的估算精度, 模型估算平均相对误差分别为27.2%、32.1%, 表明高光谱技术在珠江口河网水体非光学活性参数COD_Cr、TP浓度反演上具有较大的应用潜景。     

削弱水分影响的潮滩表层沉积物遥感分类方法研究

潮滩沉积物中的水分掩盖了沉积物本身的光谱信息,不利于沉积物遥感分类。利用江苏大丰潮滩沉积物在不同含水量下的398条实测光谱曲线数据,基于线性光谱分解方法定量化分析了沉积物光谱对含水量变化的响应,建立削弱水分影响的潮滩表层沉积物组分(砂、粉砂、黏土)含量反演模型,应用于Hyperion高光谱遥感影像,获得沉积物组分的空间分布,并结合Shepard三角分类法实现了潮滩表层沉积物的自动分类。研究结果表明:(1)当沉积物含水量增加时,沉积物光谱中水分权重以含水量的2倍速率增加,含水量大于25%,则水分对光谱的影响占主导作用;(2)2 143 nm波段反射率对沉积物的含水量变化敏感,利用2 143 nm波段反射率进行潮滩沉积物的含水量反演,模型拟合度r2可达0.81;(3)983,1 134 nm波段反射率对沉积物组分含量反演敏感,将含水量与沉积物组分敏感波段一起建立多元线性回归方程,可有效削弱水分的影响,适用于高含水量潮滩区的沉积物组分含量反演;(4)将组分反演结果结合Shepard分类,可实现潮滩沉积物分类,得到潮滩沉积物类型的空间分布特征,分类精度为75.93%,Kappa系数为0.6。     

基于高光谱的射阳河口悬浮泥沙浓度定量反演研究

通过提取高光谱遥感信息,对射阳河口悬浮泥沙浓度与实测光谱及Hyperion影像光谱反射率进行了相关性分析,结果表明：射阳河口含沙水体对实测光谱反射率的敏感波段为898～904nm,对光谱分辨率为10nm的Hyperion影像敏感波段正好位于896nm处,以此构建的指数模型,其相关指数达到0．89。模型的检验显示,相对根均方差值为38．78％,表明单波段896nm对预测射阳河口的悬沙质量浓度具有良好的精度。由于试验取样时间与Hyperion影像的成像时间相匹配,此时水流场较稳定,河口水体中的泥沙运移与扩散规律与影像解译结果相似,即：近岸悬沙质量浓度高,远海浓度低;河口南侧由于属于淤长性海岸,悬沙质量浓度比北侧高。研究结果为利用高光谱分析技术构建海洋悬沙含量的定量反演模型提供了可靠依据,也为海洋水体其他物质成分的定量反演奠定了基础。     

海岸带潮滩土壤含水量遥感测量

出露潮滩上土壤含水量的遥感测量是潮间带地形地貌测量方法的一种新尝试,也是对潮滩生态环境深层次认知的一条途径。借鉴陆地土壤含水量遥感监测的经验,通过分析实测潮滩土壤含水量与其光谱值的关系,建立出露潮滩上土壤含水量遥感监测模型,并利用该模型对研究区影像的土壤含水量进行反演尝试。研究结果为:(1)潮滩土壤含水量与光谱反射率的关系,波段的相关系数以ETM+4的相关性最大;(2)从多元线性模型、单波段模型、比值模型、仿植被指数模型的应用比较看,对于潮滩土壤含水量的遥感反演模型选用单波段模型的误差最小。结果表明,通过遥感测量和监测模型的反演,可以迅速得到海岸潮间带露滩上土壤含水量分布。     

基于MODIS影像的射阳河口海域可溶性无机氮磷营养盐浓度遥感监测研究

分析了射阳河口海域实测光谱反射率与DIN、DIP浓度间的相关性,发现DIN、DIP浓度与水体浊度间呈强烈的正相关,说明在该海域DIN和DIP主要来源于沉积物再悬浮过程中的释放。在此基础上以实测光谱模拟MODIS前四个波段的反射率,建立了基于MODIS影像的DIN、DIP浓度定量反演模型,模型的相对预测精度达到60%以上,将模型应用于影像反演所得的结果与实际情况相当吻合,证明了模型的实际应用价值和业务化潜力。     

基于Landsat8数据的舟山群岛海域悬浮泥沙浓度遥感研究

文章利用舟山近岸海域实测水体光谱及泥沙浓度数据，分析光谱反射率与悬浮泥沙浓度的相关性，并结合Landsat8遥感数据进行该海域的悬浮泥沙浓度遥感反演。研究表明：随着水体悬浮泥沙浓度的增加，各波段的反射率相应增加，且不同波段的增幅有明显不同，水体光谱曲线存在“双峰”现象；Landsat8遥感数据的波段4与波段3的比值与悬浮泥沙浓度的相关性较好；舟山群岛海域总体处于高泥沙浓度的状态，岛屿近岸悬浮泥沙浓度明显高于开阔水域，岛屿周围的悬浮泥沙浓度呈现“西高东低”的格局；一元二次方程模型（二次模型）对舟山海域水体的悬浮泥沙浓度反演精度较其他模型（线性模型，对数模型，指数模型，幂指数模型）高；Landsat8遥感数据可用于舟山海域悬浮泥沙浓度的监测。本研究成果能为近岸海域港口建设、航道安全、环境监测等研究提供数据支持。     

基于北京一号影像的射阳河口无机氮磷营养盐监测研究

通过在射阳河口现场采集光谱和水样,将实测光谱重采样为北京一号的波段反射率并与可溶性无机氮（DIN）和可溶性无机磷（DIP）浓度作相关性分析,结果表明,北京一号的近红外和红波段与DIN和DIP浓度呈强烈的正相关,这反映了沉积物的再悬浮作用是该海域营养盐的重要来源,波段组合因子中与DIN、DIP浓度相关性高的主要是由近红外波段与绿波段以及红波段与绿波段的比值或差值构成的因子,其相关性高于单波段因子。最终选择因子F10（3,1）的三次多项式模型作为该海域DIN、DIP浓度定量反演模型。模型相对浓度较高的样本组（DIN≥200g/L,DIP≥20g/L）的预测精度分别为73.69%和73.45%,而该海域DIN、DIP浓度的均值远远超过了上述阈值,影像反演结果也与实际情况高度吻合,反映了模型在该海域的实际应用价值。     

基于SDGSAT-1影像的总悬浮物浓度反演方法研究

总悬浮物浓度是海洋的重要水质参数之一,其对水体透明度、水下光场及初级生产力有显著影响,同时对河流入海口与海岸带冲淤变化过程有重要作用。本文基于我国自主研制的SDGSAT-1卫星遥感影像,使用准分析算法（Quasi-Analytical Algorithm,QAA）获取水体固有光学量,并结合2022年4月黄河口区域总悬浮物浓度实测数据,建立水体固有光学量与总悬浮物浓度实测数据的单波段、波段加减、波段比值,以及多波段组合等模型并开展遥感反演,最后将反演结果同实测数据及基于Sentinel-2B影像的总悬浮物浓度反演结果进行对比。研究结果表明：基于SDGSAT-1影像的总悬浮物浓度反演结果在黄河口高浓度区域的决定系数为0.622,均方根误差为7.94 mg/L;基于Sentinel-2B影像的总悬浮物浓度反演结果在黄河口高浓度区域的决定系数为0.589,均方根误差为8.27 mg/L。故在我国近岸海域总悬浮物浓度反演方面,SDGSAT-1影像反演精度与Sentinel-2B影像反演精度相媲美。     

基于GOCI数据渤海海冰厚度算法研究

提出一种基于GOCI数据提取渤海海冰厚度方法并将其应用于2014年-2015年冬季渤海海冰厚度动态变化监测。首先基于高时间分辨率的GOCI数据建立GOCI短波宽带反射率与各波段反射率模型,然后建立海冰厚度与GOCI短波宽带反射率模型,并将此模型应用于渤海海冰厚度监测,最后通过基于MODIS数据、热动力学模型（Lebedev和Zubov模型）反演获得的海冰厚度以及实测海冰厚度数据对实验结果进行验证。实验结果表明：基于GOCI数据建立海冰厚度模型所反演的海冰厚度与基于MODIS数据反演的海冰厚度以及Lebedev和Zubov模型具有较高相关性（R2>0.86）,而且反演结果接近实测数据（RMS为6.82 cm）。     

悬浮泥沙浓度遥感反演模型研究

对实验室固定粒径的悬浮泥沙水体的反射率光谱特征进行了分析,选取反射率的敏感波段,建立了遥感反射率和悬浮泥沙浓度的遥感反演模型;同时,又利用野外现场实测的光谱反射率和悬浮泥沙中值粒径,建立受粒径影响的悬浮泥沙浓度反演模型。结果表明,主成分模型的反演效果最好,其次是幂指数模型,而线性模型的反演效果较差。     

黄河三角洲浅层地下水化学特征与演化

2009年4月~2010年3月连续2年对黄河三角洲19口地下水监测井进行观测并对地下水离子化学成分分析,探讨了该区域浅层地下水化学成分、水化学类型及演化规律,为揭示区域地下水环境特征和演化具有现实意义。结果表明,黄河三角洲地区地下水p H值变化较小,地下水埋深较浅且年内变化幅度为1.0~3.0 m,但矿化度和各离子差异明显,地下水以Na+、Cl–占绝对优势;矿化度较低的测井的离子浓度变幅较小,反之,矿化度高的测井离子浓度变幅较大;地下水化学类型分为氯化物型、重碳酸盐氯化物型、重碳酸盐氯化物硫酸盐型和硫酸盐重碳酸盐型四大类型,主要包括Na+-Cl–、Na+-Cl–.3HCO?、Na+-Cl–.3HCO?、Na+-Cl–.3HCO?.24SO?、Na+-3HCO?.Cl–.24SO?和Na+-24SO?.3HCO?六种子类型,氯化物型主要分布于广饶县咸水入侵区和滨海区域,重碳酸盐氯化物型主要分布于黄河三角洲保护区内,重碳酸盐氯化物硫酸盐型分布在广饶县咸水入侵区,硫酸盐重碳酸盐型主要分布在靠近黄河流路附近;根据黄河三角洲流路变迁和Gibbs模型,黄河三角洲地区水样化学组成均落在Gibbs提出的Boomerang Envelope模型右上翼,表明研究区水样化学组成主要受蒸发和沉淀作用,海水控制起次要作用,土地利用变化、灌溉、施肥等人为活动的影响亦不能忽视。     

Validation and application of soil moisture active passive sea surface salinity observation over the Changjiang River Estuary

Using sea surface salinity(SSS)observation from the soil moisture active passive(SMAP)mission,we analyzed the spatial distribution and seasonal variation of SSS around Changjiang River(Yangtze River)Estuary for the period of September 2015 to August 2018.First,we found that the SSS from SMAP is more accurate than soil moisture and ocean salinity(SMOS)mission observation when comparing with the in situ observations.Then,the SSS signature of the Changjiang River freshwater was analyzed using SMAP data and the river discharge data from the Datong hydrological station.The results show that the SSS around the Changjiang River Estuary is significantly lower than that of the open ocean,and shows significant seasonal variation.The minimum value of SSS appears in July and maximum SSS in December.The root mean square difference of daily SSS between SMAP observation and in situ observation is around 3 in both summer and winter,which is much lower than the annual range of SSS variation.In summer,the diffusion direction of the Changjiang River freshwater depicted by SSS from SMAP is consistent with the path of freshwater from in situ observation,suggesting that SMAP observation may be used in coastal seas in monitoring the diffusion and advection of freshwater discharge.     

水分条件对滨海芦苇湿地土壤微生物多样性的影响

滨海湿地因受河流和海水的交互作用,其土壤氧化还原电位及营养元素等条件复杂且处于不断变化之中,为了阐明此种环境下不同水分条件对滨海芦苇湿地土壤微生物多样性的影响,尤其是对铁还原菌群落结构的影响,作者以黄河三角洲滨海湿地为对象,研究了淹水和非淹水芦苇湿地表层(0~30 cm)土壤理化特性、微生物多样性(采用T-RFLP技术)和培养条件下湿地土壤微生物的Fe(III)还原能力的变化。结果表明,淹水芦苇湿地土壤有机碳、全氮、盐度、Fe(II)含量和pH值显著(P0.05)高于非淹水芦苇湿地土壤,而淹水芦苇湿地土壤铵态氮含量显著(P0.05)低于非淹水芦苇湿地。淹水芦苇湿地土壤主要优势细菌和古菌分别为铬还原菌属(Alishewanella)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina);而纤维单胞菌属、食酸菌属(Acidovorax)、地杆菌属(Geobacter)、硫杆菌属(Thiobacillus)和甲烷八叠球菌属分别为非淹水芦苇湿地土壤主要优势细菌和古菌。淹水芦苇湿地土壤主要优势铁还原菌为副球菌属(Paracoccus)、地杆菌属、铬还原菌属和硫单胞菌属(Thiomonas),而非淹水芦苇湿地土壤为地杆菌属和固氮螺菌属(Azospira)。说明淹水能增加芦苇湿地土壤细菌、古菌和铁还原菌的多样性。培养条件下,淹水芦苇湿地土壤铁还原菌的还原Fe(III)能力在培养后期(25d后)低于非淹水芦苇湿地,说明淹水条件在一定程度上抑制了芦苇湿地土壤铁还原菌的铁还原能力。     

黄海典型漂浮大型藻类光谱特征分析

利用实测高光谱和多光谱相机数据对在黄海海域采集的浒苔和马尾藻样本进行光谱特征分析。结果显示:漂浮大型藻类的高光谱反射率均值(Rmean_H)与多光谱反射率均值(Rmean_M)、高光谱藻类指数(VB-FAHH)与多光谱藻类指数(VB-FAHM)之间的相对误差小于15.6%,说明这两种数据具有较好的一致性;基于光谱特征波长的反射率建立比值光谱指数,其中浒苔和马尾藻的差异最为明显的是R640/R554指数;基于多光谱相机计算反射谷深度指数(T-depth),采用阈值法来区分浒苔和马尾藻,T-depth阈值的区分精度分别为69.6%±30.0%和69.6%±24.3%,稍优于虚拟基线漂浮藻类指数(VB-FAH)阈值的区分精度。     

Experimental study on the effect of soil saturation on the electric permeability coefficient during electroosmosis process

Abstract

The electrokinetic treatments on high natural moisture content, large compressibility, and low strength dredged marine soil are regarded as an innovative method, but it has not been widely applied due to the difference between theory predictions and realities. To minimize the difference which is resulted from the electric permeability coefficient variations due to pore water drainage and the degree of saturation drops during the electrokinetic treatment of soils, several one-dimensional indoor experiments were conducted with single kaolin clay and natural soft clay. The test results indicate that the electric permeability values conform to the predicted value of Helmholtz–Smoluchowski (H-S) theory under saturated conditions. The permeability for unsaturated soils can be described with relative electric permeability, that is, k_e,rel=a(Sr)^b. The ranges of fitting parameters are 0.8–1.2 for a and 3–9 for b. The fitting parameters are dependent on the soil type, electric potential gradient, and pore size distribution and so on. The smaller the soil pore size is the more sensitive the permeability coefficient is to the degree of saturation.     

低盐在短时间内对绿潮浒苔(Ulva prolifera)氮磷吸收的动态影响

我国黄海出现的绿潮发源于黄海南部苏北辐射沙洲紫菜养殖区,苏北沙洲区濒临的沿岸河网众多,来自沿岸径流的淡水携带大量氮磷等营养盐间歇性入海,导致海水的富营养化并伴随着盐度的周期性波动。本研究通过模拟实验研究低盐度(15和5)对浒苔吸收氮盐(NO_3~–-N和NH_4~+-N)和磷盐(PO_4~(3–)-P)的影响,主要发现:与盐度30相比,在低盐度(15和5)时,浒苔对NO_3~–-N的1h最大吸收速率(V_(max))和亲和力(V_(max)/Ks)分别提高280%和350%左右,半饱和常数(Ks)下降15%左右,并能够维持对NO_3~–-N的高效吸收(24h);盐度15和5时,浒苔对NH_4~+-N的1h最大吸收速率(V_(max))分别提高40%和200%,亲和力(V_(max)/Ks)分别提高20%和180%, Ks分别提高15%和30%,但是盐度降低对NH_4~+-N的长效吸收产生负面影响,甚至在盐度5条件下出现吸收高浓度NH_4~+-N后再释放的现象;与盐度30相似,盐度15条件下浒苔能够快速吸收PO_4~(3–)-P,而盐度5则导致藻细胞内的PO_4~(3–)-P在早期阶段快速流失,并在后期不能有效吸收PO_4~(3–)-P。本实验的结果表明,降低盐度有利于浒苔对氮源的快速吸收,在盐度15下浒苔能够实现对硝酸盐和磷盐的高效吸收。     

Optical water type discrimination and tuning remote sensing band-ratio algorithms: Application to retrieval of chlorophyll and Kd(490) in the Irish and Celtic Seas

This paper assesses the feasibility of applying remote sensing algorithms based on blue/green reflectance ratios to Case 2 waters. Two algorithms from the SeaDAS (NASA) image processing package, OC4v4 for surface chlorophyll concentration, Chl, and K(490) for the attenuation coefficient for downward irradiance at 490 nm, K_d(490), were investigated using an extensive set of observations from the Irish and Celtic Seas. In situ data from a profiling radiometer were used as inputs for the algorithms to avoid uncertainties in atmospheric correction procedures, and direct measurements of Chl and K_d490 and were used for validation purposes. The standard versions of the algorithms performed poorly: OC4v4 generally overestimated Chl (with a very low coefficient of determination), and K(490) progressively underestimated K_d490 for values greater than 0.3 m⁻¹. A two-step procedure for level 2 product generation was therefore devised in which the numerical coefficients of OC4v4 and K(490) were tuned for the two optical water types known to occur most frequently in this region (McKee, D., Cunningham, A., 2006. Identification and characterisation of two optical water types in the Irish Sea from in situ inherent optical properties and seawater constituents. Estuarine, Coastal and Shelf Science 68, 305–316) by statistical regression on a data set of 102 stations from the Irish and Celtic Seas. The water types were distinguished by the magnitude of their normalised water leaving radiance signals at 665 nm, nL_w(665), and appropriate versions of the tuned algorithms applied to each water type. When this procedure was tested on an independent data set of 19 stations from the Bristol Channel, Chl values were recovered with an RMS error of 0.36 mg m⁻³ and K_d(490) values with an RMS error of 0.095 m⁻¹. The identification of water types from water-leaving radiance signals, and the application of band-ratio algorithms tuned for specific water types, may therefore provide a simple means of improving the quality of remote sensing products in optically complex shelf seas.     

黄海苏北浅滩海域春夏季浮游植物时空分布及其控制生态因子

The Subei Shoal is a special coastal area with complex physical oceanographic properties in the Yellow Sea. In the present study, the distribution of phytoplankton and its correlation with environmental factors were studied during spring and summer of 2012 in the Subei Shoal of the Yellow Sea. Phytoplankton species composition and abundance data were accomplished by Uterm?hl method. Diatoms represented the greatest cellular abundance during the study period. In spring, the phytoplankton cell abundance ranged from 1.59×10~3 to 269.78×10~3 cell/L with an average of 41.80×10~3 cell/L, and Skeletonema sp. and Paralia sulcata was the most dominant species. In summer, the average phytoplankton cell abundance was 72.59×10~3 cell/L with the range of 1.78×10~3 to 574.96×10~3 cell/L, and the main dominant species was Pseudo-nitzschia pungens, Skeletonema sp., Dactyliosolen fragilissima and Chaetoceros curvisetus. The results of a redundancy analysis(RDA) showed that turbidity,temperature, salinity, pH, dissolved oxygen(DO), the ratio of dissolved inorganic nitrogen to silicate and SiO_4-Si(DIN/SiO_4-Si) were the most important environmental factors controlling phytoplankton assemblages in spring or summer in the Subei Shoal of the Yellow Sea.     

盐度对滨海湿地盐地碱蓬生理指标和反射光谱的响应分析

为探讨盐度对碱蓬生理指标和反射光谱的响应,以滨海湿地盐地碱蓬(Suaedasalsa)为研究对象,采用自然光照盆栽试验方法研究8种盐度(0(对照,CK)、5、10、15、20、25、30和35)对碱蓬幼苗的生理指标(株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、可溶性总糖和蛋白质质量比)和反射光谱的响应。研究结果表明:盐度对碱蓬植株生理指标存在显著响应,低中盐度(0～25)对植株生长有促进作用,而高盐度(30～35)对植株生长起到抑制作用;25盐度下,碱蓬株高、鲜质量、干质量、叶片叶绿素含量、可溶性总糖质量比均高于其他盐度和对照组;不同盐度处理下的碱蓬植株蛋白质质量比均高于对照组;盐度对碱蓬反射光谱存在明显响应,碱蓬在绿光和近红外波段的反射率随着盐度的增加而逐渐减小;通过相关分析判断出碱蓬株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、可溶性总糖和蛋白质质量比的诊断波段,分别是547、555、548、556、546和2 300 nm。碱蓬高光谱特征指数MTCI、MNDVI1、DCNI、TCARI/OSAVI和R546在不同盐度下存在明显差异,可作为盐分胁迫的高光谱响应诊断指标。分析盐度对碱蓬生理指标和反射光谱的响应,可为深入研究碱蓬对退化滨海湿地生态修复具有重要参考意义。