東北地理所在水體總懸浮顆粒物光譜預(yù)測研究中取得進(jìn)展
良好的水質(zhì)是人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵，總懸浮顆粒物(TSM)是一個(gè)關(guān)鍵的水質(zhì)參數(shù)，可以影響水的透明度、真光層深度和初級(jí)生產(chǎn)者，與水生態(tài)環(huán)境問題息息相關(guān)。傳統(tǒng)的水體TSM研究主要通過大量的野外調(diào)查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。與傳統(tǒng)的TSM分析相比，光譜和遙感技術(shù)在水體TSM估算研究中具有很大的優(yōu)勢。
任何基于衛(wèi)星影像的遙感估算都需要光譜特征分析，光譜研究是遙感制圖的基礎(chǔ)。針對(duì)TSM的遙感估算研究已有很多，大多都是以單波段或波段運(yùn)算構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀９庾V微分技術(shù)也被廣泛的應(yīng)用于水質(zhì)參數(shù)的預(yù)測，但都是一階微分或二階微分的整數(shù)階微分。盡管整數(shù)階微分被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但也會(huì)導(dǎo)致一些光譜信息丟失和噪聲放大。本研究以從全國103個(gè)湖泊水庫采集的392個(gè)水體樣本光譜數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，在光譜微分技術(shù)可以有效預(yù)測TSM的基礎(chǔ)上，嘗試使用以0.25階為增量的分?jǐn)?shù)階微分技術(shù)構(gòu)建TSM預(yù)測模型，可以彌補(bǔ)整數(shù)階微分的缺點(diǎn)，在任意階擴(kuò)展，從而捕捉到更多的光譜變化信息。研究表明，分?jǐn)?shù)階微分增強(qiáng)了對(duì)TSM響應(yīng)的500-600 nm和800 nm處的光譜特征;分?jǐn)?shù)階微分也提高了TSM與光譜信息的相關(guān)性;并且分?jǐn)?shù)階微分提高了模型的預(yù)測能力，0.5階至1.25階的預(yù)測精度較高(圖1)。本研究可為其他水質(zhì)參數(shù)預(yù)測和基于高光譜影像的水質(zhì)參數(shù)制圖提供參考。
該研究成果發(fā)表在國際期刊Journal of Environmental Management上，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所王翔博士為第一作者，宋開山研究員為通訊作者。
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2019YFC0409105)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41730104. 42001311)共同資助。
論文信息如下：
Xiang Wang, Kaishan Song*, Ge Liu, Zhidan Wen, Yingxin Shang, Jia Du. Development of total suspended matter prediction in waters using fractional-order derivative spectra. Journal of Environmental Management, 2022. 302. 113958. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113958
圖1基于隨機(jī)森林模型的1.25階微分預(yù)測結(jié)果（a為訓(xùn)練模型結(jié)果，b為驗(yàn)證模型結(jié)果）
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