Optics and Precision Engineering, Volume. 33, Issue 12, 1971(2025)
Inversion of nearshore lake water turbidity based on photon distribution characteristics from spaceborne lidar
Figures & Tables(15)
Fig. 3. Comparison of photon distributions before and after denoising
Fig. 6. Relationship between photon penetration depth characteristics and turbidity
Fig. 7. Relationship between photon density characteristics and turbidity
Fig. 8. Attenuation rate is approximately derived from the pseudo-waveform
Table 1. Location and environmental characteristics of observation stations
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测站名称 坐标 环境特征 Toledo 41° 41.6 N，
83° 28.3 W
紧邻西南部的底特律河口，周围主要为城市及港口区，有活跃的航运业和制造业，使用测站数据浊度范围为6~49 NTU，平均浊度为27.4 NTU Fermi power plant 41° 57.6 N，
83° 15.4 W
周围是高度工业化的区域，周围工业设施包括发电厂、钢铁厂、化工厂等，使用测站数据浊度范围为10~45 NTU，平均浊度为28.3 NTU Marblehead 41° 32.6 N，
82° 43.9 W
该区域主要依赖于渔业、旅游业和一些农业活动，春秋季节，渔业活动较为频繁，使用测站浊度数据范围为17~48 NTU，平均浊度为29.4 NTU Cleveland 41° 32.65 N，
83° 38.1 W
附近有活跃的海港和铁路交通，周围是重工业和服务业的结合体，使用测站浊度数据范围为21~50 NTU，平均浊度为31.8 NTU Fairport 41° 45.6 N，
81° 16.9 W
周围的经济活动主要依赖于渔业、旅游业和小规模的农业，使用测站浊度数据范围为20~55 NTU，平均浊度为33 NTU
Table 2. Filter criteria
Table 3. Photon distribution characteristics at each survey station
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测站 平均浊度/
NTU
强轨平均光子密度/（个/km） 弱轨平均光子密度/（个/km） 强轨平均穿透深度/m 弱轨平均穿透深度/m 强轨穿透深度平均中值/m Toledo 27.4 2 200 570 0.27 0.24 0.21 Fermi 28.33 2 290 560 0.25 0.24 0.20 Marblehead 29.4 2 380 580 0.24 0.23 0.18 Cleveland 31.8 2 450 590 0.19 0.18 0.16 Fairport 33 2 520 610 0.17 0.17 0.13
Table 4. Comparison of retrieval results using different algorithms
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Model R2 MSE MAE RMSE MedAE RF 0.93 7.15 2.04 2.67 1.69 MLP 0.91 8.68 2.27 2.94 1.90 SVM 0.92 8.58 2.21 2.92 1.86 XGBOOST 0.9 8.76 2.31 2.97 1.93
Table 5. Inversion results for different turbidity levels
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Model R2 MSE MAE RMSE MedAE RF（a） 0.87 5.18 1.71 2.27 1.19 RF（b） 0.80 9.13 2.35 3.02 1.98 SVM（a） 0.83 6.77 2.00 2.60 1.53 SVM（b） 0.76 10.78 2.57 3.28 2.12 XGBOOST（a） 0.82 6.85 2.08 2.61 1.85 XGBOOST（b） 0.64 16.36 3.28 4.05 2.85 MLP（a） 0.83 6.79 2.01 2.60 1.54 MLP（b） 0.76 10.79 2.56 3.28 2.12
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Heng CHEN, Rong HE, Xiaoling WU, Shuaishuai ZHANG, Chenchen ZHU. Inversion of nearshore lake water turbidity based on photon distribution characteristics from spaceborne lidar[J]. Optics and Precision Engineering, 2025, 33(12): 1971
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Received: Mar. 6, 2025
Accepted: --
Published Online: Aug. 15, 2025
The Author Email: Rong HE (hero@hpu.edu.cn)
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