基于主成分降维的总悬浮物浓度遥感估算模型适用性分析

总悬浮物浓度(C_TSM)是水质评价的重要参数.为了提高内陆Ⅱ类水体总悬浮物浓度估算的精度,利用主成分分析方法对2009年4月太湖水体实测高光谱数据进行降维处理,进而以不同数量的主成分作为变量,分别构建总悬浮颗粒物浓度的多元线性回归估算模型并比较这些模型的效果,从而确定最优的主分量个数;结合近年运行的高光谱传感器,对模型的适用性进行评价.结果表明:①前三个主成分(PC₁、PC₂、PC₃)从不同侧面涵盖了悬浮物浓度信息,它们与ln(C_TSM)的相关系数分别为0.728、0.401和0.403;②当主成分个数为6时,模型达到最优;模型的精度高于4个传统经验模型;③在400~850 nm之间,波段数大于45的高光谱传感器数据都能利用主成分分析的方法构建精度较高的总悬浮物浓度估算模型;此外,MERIS、HJ1-HSI、Hyperion和CHRIS这些常用的高光谱传感器的波段设置,都适合于主成分建模.     

太湖水体中悬浮物的静沉降特征

本文分别采用斯托克斯沉降速率公式和重复深度吸管法计算了2005年4月、5月间在太湖进行的四次静沉降模拟实验中的沉降速度．结果表明：1)太湖水体中悬浮物的沉降属于絮凝沉降．2)水体中悬浮物浓度与沉降时间均呈现出明显的指数衰减规律(R~2＞0．80),悬浮物中无机物含量较高时这种规律更为明显(R~2≥0．99)．3)悬浮物浓较低时,太湖悬浮物的沉降速率与水体中的悬浮物浓度无明显的相关关系;而悬浮物浓度较高时,沉降速率随悬浮物浓度升高而增大．经拟合沉降速度(ω)与悬浮物浓度(C)之间符合Logistic曲线ω=0．021/(1 exp(-0．026(C-166．3))),R~2=0．98,n=54．4),斯托克斯公式可用来粗略估算太湖悬浮物的沉降速率,而重复深度吸管法则适合于较精确地计算太湖悬浮物的沉降速率．但在计算时须注意根据悬浮物的特性,选取其特征沉降速率．本文计算得到的太湖悬浮物的沉降速率范围为0．002 cm/s-0．005 cm/s．     

现场抽滤法在悬浮物浊度分析中的应用探讨

以悬浮物浊度标定为研究对象,通过对不同分析方法得到的浓度结果与浊度仪之间相关性的分析,探索悬浮物浓度测量的较佳方案。根据实测数据的对比分析,发现现场抽滤法相较于自然焚烧法、室内抽滤法和沉淀烘干法,具有省时间、低费用、高效率和可靠性高的特点。主要原因为室内各类分析方法相较于现场抽滤会出现较多不确定的影响因素,包括运输存储过程中容器瓶壁的吸附作用、水样微生物的滋长以及方法本身的系统误差,如焚烧法操作过程,有机物在高温环境下挥发,致使分析处理的研究对象与观测仪器所测不同,导致产生比较大的误差。现场抽滤法不但适合在水流比较平稳的内河使用,而且在流态复杂,泥沙浓度变化较大的河口地区的泥沙浓度测量中也具有的较强实用性。     

基于高频次GOCI数据的太湖悬浮物浓度短期动态和驱动力分析

总悬浮物是水体中重要的光学敏感物质之一,很大程度上决定了水柱中光的吸收、散射和衰减,同时吸附营养盐、重金属和有毒有害物,对水体物质生物地球化学过程、沉积物埋藏动力和湖泊环境演化具有重要的意义.基于星地同步实验和静止水色成像仪GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)构建了太湖悬浮物浓度估算模型,并分析了典型风浪过程中太湖悬浮物浓度短期动态变化过程.研究表明:对太湖水体悬浮物浓度较为敏感的波段为GOCI的第7波段(745nm)和第8波段(865 nm),悬浮物浓度与对应波段遥感反射率线性相关决定系数分别为0.72和0.55;基于GOCI第7波段的悬浮物浓度单波段遥感估算模型能较为准确地估算太湖的悬浮物浓度,模型相对均方根误差和平均绝对百分误差分别为28.3%和24.4%.通过研究典型风浪过程前后太湖悬浮物浓度变化发现其短期动态变化显著,风速、风向是悬浮物浓度短期动态变化的重要驱动因素,悬浮物浓度与风速呈正比,并随着风向扩散;高频连续GOCI影像结果显示悬浮物浓度短期动态变化对风浪扰动的响应有一定的滞后性,滞后时间为数小时到1天,悬浮物沉降与沉积物再悬浮的临界风速约为3.4 m/s.     

太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱组分鉴别及其与氮形态的关系

采用三维荧光光谱-平行因子法(EEMs-PARAFAC)分析太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱特征,研究其组分类型、分布规律以及来源,进一步探讨悬浮物中水溶性有机氮和无机氮含量与WSOM荧光组分之间的关系.结果表明,悬浮物中WSOM荧光组分主要由2个类腐殖质(C1、C2)和1个类色氨酸类蛋白质(C3)组成.总荧光强度在57.56~200.01 R.U./g之间,平均为115.42 R.U./g,其中C1、C2、C3的相对比例分别为35.55%、34.05%和30.40%;空间上由西向东逐渐增强,东五里湖高于西五里湖,沿岸区高于湖心区.荧光指数和生物源指数变化范围分别在1.48~2.34和0.65~0.87之间,反映了悬浮物中WSOM主要来源于微生物、藻类的自生生物源.多元回归统计分析结果表明,悬浮物WSOM与氮元素的迁移转化密切相关,且有机氮与WSOM荧光组分的相关系数大于无机氮.     

应用MODIS遥感数据监测巢湖水质

以巢湖为研究对象,对MODIS的各个波段辐射率与水质参数叶绿素a浓度、悬浮物浓度和透明度进行拟合,分析了MODIS各个波段辐射率的拟合在监测大型内陆湖泊水质中的可行性.结果表明:MODIS波段辐射率的组合能与巢湖水质参数进行较好的匹配,MODIS波段1—4和10—11对于监测巢湖中叶绿素a浓度、悬浮物浓度和透明度有重要意义.     

基于反射光谱和模拟MERIS数据的太湖悬浮物遥感定量模型

利用地物光谱仪研究了太湖水体的反射光谱特征,通过对比分析,发现580nm反射率值和810nm的反射峰高是太湖悬浮物的敏感波段,并通过光谱微分的方法,发现840nm附近的一阶微分与悬浮物浓度相关性最好,基于上述结论,分别建立了太湖悬浮物的反射光谱和一阶微分遥感定量模型,并利用反射光谱数据,模拟MERIS数据的波段设置,结果表明MERIS第5、12、13波段可以很好的估测太湖的悬浮物浓度.     

内蒙古达里诺尔湖流域地表水和地下水环境同位素特征及补给关系

为了探明达里诺尔湖流域地表水与地下水的氢(H)、氧(O)同位素的变化特征及相互补给关系,于2013年对达里诺尔湖及其周围的河水、井水、泉水中H、O同位素进行了取样分析,并结合总溶解性固体悬浮物(TDS)和区域水文地质对达里诺尔湖流域的补给关系进行讨论分析.结果表明:1)河水、泉水、井水中H、O同位素的值基本落在全球雨水线上,湖水H、O同位素落在全球雨水线的右下方,说明河水、井水、泉水没有发生蒸发分馏,而湖水则发生较大程度的蒸发分馏;对达里诺尔湖流域地表水与地下水的H、O同位素进行回归模拟,得出该区域的蒸发趋势线方程:δD=4.8753δ18O-20.139(n=32,R2=0.9968).蒸发线表明,这些水样具有相同水源的特征.2)从实地考察发现,泉水补给河水,泉水和河水补给湖水,同时井水、泉水和河水有相似的δD、δ18O和TDS值,且不随季节变化而变化,推断达里诺尔湖附近地下水补给湖水;区域水文地质条件亦证明达里诺尔湖周边地下水补给湖水.     

湖泊生态恢复的关键因子分析

中国是一个多湖泊的国家。由于经济快速发展及湖泊资源不合理的开发利用,中国湖泊的污染问题和生态系统退化相当普遍。特别是由于氮、磷等营养元素的富集造成的水体富营养化,导致蓝藻水华频繁发生,甚至出现了饮用水危机事件。由于缺乏基础理论的指导,中国湖泊富营养化治理曾经走过弯路。在没有实现控源截污的条件下,片面强调生态恢复来净化湖泊水环境,一度成为富营养化湖泊治理的主流思想。实际上,湖泊生态恢复是有条件的,而对这些条件的诊断和分析是开展湖泊生态恢复的前提和基础。通过对太湖水生植物分布及其影响因子分析,确定沉水植物恢复的核心条件是水下光照条件。水下光照条件受富营养水平、悬浮物浓度与水深等因子的影响。只有当一个水域的真光层深度接近水深的情况(比值>0.8),恢复水生植物才有可能。改善水下光照条件,包括降低水深,提高透明度,消除风浪等措施,实际上,都是增加真光层深度与水深的比值。在上述生态恢复条件不具备的情况下,湖泊治理与恢复的工作更多地应该聚焦在控源截污方面。这对中国湖泊污染治理与生态恢复具有普遍的意义。     

台风“利奇马”对东中国海表层悬浮物浓度变化的影响

台风过程可使海洋悬浮物浓度的分布在短时间内发生极大变化,并影响海洋生态环境以及海洋资源的分布。受台风期间海洋观测数据的限制,台风过程对海洋悬浮物浓度的影响尚不明确。本文利用GOCI （Geostationary Ocean Color Imager,GOCI）卫星遥感数据,以2019年8月台风“利奇马”为例,对其过境前后东中国海表层悬浮物浓度的时空变化进行了定量研究。结果表明,台风“利奇马”对闽浙沿岸的影响程度最大,使悬浮物质量浓度中高值（≥5 mg/L）覆盖面积和浓度平均值分别增大92%和62%,影响持续时间为4 d;对长江口附近海域的影响程度次之,使悬浮物浓度中高值覆盖面积和浓度平均值分别增大19%和17%,影响持续时间为3 d;对苏北浅滩的影响程度最小,悬浮物质量浓度中高值覆盖面积变化不大,但浓度平均值增大了30%,影响持续时间为4 d。研究结果表明卫星遥感数据可以量化台风过程对东中国海表层悬浮物浓度的影响,弥补极端天气条件下无法进行现场观测的不足。