渤海湾近岸海域悬浮泥沙浓度遥感反演模型研究

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海岸带是联系海洋与陆地的重要场所,是两者物质与能量互相作用、互相交换的过渡地带,拥有丰富的自然资源,且人类活动剧烈,与人们的生产生活息息相关。悬浮泥沙浓度是评价海洋水体水质与环境的重要参数之一,它不仅决定了水体透明度、浑浊度等光学特性,还对海洋环境、海岸建设等具有重要意义。渤海湾作为渤海三大海湾之一,不仅在自然资源上占有重要地位,从社会经济的角度来说对我国也非常重要,近些年来,有越来越多的工程在这里开展、建设。所以,对渤海湾进行悬浮泥沙监测,具有重要意义。遥感技术是当前大尺度海洋生态环境监测的重要手段,相比于传统的海上船只有限点的测量,它可以实现对海洋水体实时、连续、大范围监测。用遥感反演渤海湾悬浮泥沙浓度是一种较好的手段,对海洋环境、建设又具有现实的指导意义。遥感反演悬浮泥沙浓度的关键在于建立遥感信息与悬浮泥沙浓度之间的定量化模型,然而悬浮泥沙的复杂光学特性使遥感反演具有较强的区域性和时态性,对于近岸海域这种水体组分复杂的二类水体,并不存在一种通用反演模型,需要根据研究区含沙水体光谱特性,并结合其它相关因素,才能建立起精度高且具有一定推广性的反演模型。本文在野外实测悬浮泥沙浓度、粒径和光谱数据的基础上,通过分析研究区水体光谱特征,构建了遥感反射率与悬浮泥沙浓度之间的统计回归、主成分分析和神经网络三种模型,以及将粒径作为一种影响因子考虑的二元模型。另外,利用多波段准分析算法(QAA)建立遥感反射率和悬浮泥沙浓度之间的半分析模型。在此基础上,对不同模型的优缺点进行了对比、分析。最后,利用LANDSAT5-TM数据,应用反演模型,得到研究区悬浮泥沙浓度分布图,分析研究区悬浮泥沙含量及空间分布特点,并结合前人相关研究,简要分析了研究区悬浮泥沙形成的驱动因素。本文主要研究内容包括:⑴渤海湾含沙水体光谱特性研究⑵渤海湾悬浮泥沙浓度一元经验模型研究(统计回归、主成分分析、神经网络模型)⑶考虑粒径影响的渤海湾悬浮泥沙浓度二元经验模型研究(统计回归、主成分分析、神经网络模型)⑷基于多波段准分析算法(QAA)的固有光学量估算⑸渤海湾悬浮泥沙浓度半分析模型的建立⑹反演模型比较与应用⑺反演结果及其动因分析研究结果表明:⑴研究区水体呈现典型的二类水体光谱特性,光谱曲线呈现双峰特征,第一峰在550-600nm之间,第二峰在800nm附近。⑵建立悬浮泥沙浓度与遥感反射率的一元经验模型中主成分分析算法精度最好,绝对误差为3.46mgL-1,相对误差为26.54%,均方根误差为4.44mgL-1;神经网络模型精度较差。⑶除统计回归模型以外,考虑粒径的二元反演模型精度好于同算法的一元模型,且二元神经网络模型反演精度最高,绝对误差为2.98mgL-1,相对误差为24.23%,均方根误差为4.16mgL-1;统计回归模型反演效果较差。⑷基于QAA算法建立的半分析模型,模型精度高,是所有模型中反演效果最好的,绝对误差为2.49mgL-1,相对误差为16.07%,均方根误差为4.30mgL-1。⑸在本文所建的所有模型中,半分析模型与二元神经网络模型反演效果好,主成分模型次之,统计回归模型反演效果一般,而一元神经网络模型的反演效果并不理想。⑹渤海湾悬浮泥沙浓度处于中等泥沙浓度区域,主要集中分布在20-60mgL-1范围,并呈现出南部海域泥沙浓度高于北部海域、近岸水体高于深海水体的特点。⑺渤海湾泥沙分布特点主要受入海径流携带泥沙和人类活动的共同影响。
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