引言

內(nèi)陸湖泊由于有機(jī)污染物質(zhì)的注入水體易趨于營(yíng)養(yǎng)化。富營(yíng)養(yǎng)化水體的一個(gè)重要特征是藻類物質(zhì)大量繁殖。葉綠素在藻類物質(zhì)中所占的比例比較穩(wěn)定，并且易于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，因此葉綠素濃度常作為反映水體營(yíng)養(yǎng)化程度的一個(gè)重要參數(shù)。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是通過(guò)采集水樣、過(guò)濾、萃取以及分光光度計(jì)分析，以確定葉綠素濃度。因而大區(qū)域的水環(huán)境監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)極費(fèi)人力物力和時(shí)間的工作，采樣方法也不可能對(duì)大型湖泊內(nèi)的藻類分布作全面的調(diào)查。遙感技術(shù)作為一種區(qū)域性水環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測(cè)手段，日益受到重視，北美和歐洲的一些國(guó)家早已開(kāi)展了利用航空遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)湖泊群內(nèi)葉綠素分布的研究。葉綠素遙感一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究水體反射光譜特征與葉綠素濃度之間的關(guān)系建立葉綠素算法。對(duì)于內(nèi)陸水體，其困難在于，水體中其它污染物質(zhì)，如無(wú)機(jī)懸浮物質(zhì)和有機(jī)溶解性物質(zhì)（黃色物質(zhì)）光學(xué)效應(yīng)的干擾，以及藻類及其它污染物質(zhì)特性的地域性、甚至季節(jié)性的差異。近年來(lái)，成像光譜儀技術(shù)發(fā)展迅速，利用高光譜分辨率有可能大大提高葉綠素遙感的精度。

本文目的是研究中國(guó)湖泊中含藻類水體的高光譜反射率特性及其與藻類葉綠素濃度之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立適合中國(guó)湖泊特點(diǎn)的葉綠素高光譜定量遙感模型。

基本原理

純凈水體在可見(jiàn)光波段的反射率曲線是接近線性的，隨著波長(zhǎng)增大，反射率逐漸減小。在近紅外波段，由于水的吸收系數(shù)很大，水面反射率非常小。自然水體中污染物質(zhì)的吸收和散射作用使水體的光譜反射率曲線出現(xiàn)峰值和谷值，這些污染物質(zhì)主要包括藻類、無(wú)機(jī)懸浮物質(zhì)以及黃色物質(zhì)等。

葉綠素存在于藻類物質(zhì)中，在藍(lán)紫光波段（420—500nm）和675nm處都有吸收峰，因此在藻類濃度較度時(shí)，水體反射率曲線在這兩個(gè)波段出現(xiàn)谷值。含藻類水體最顯著的光譜特征是在700nm附近常出現(xiàn)反射峰，其存在與否通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類葉綠素的依據(jù)。關(guān)于葉綠素反射峰出現(xiàn)的原因并沒(méi)有定論，多數(shù)研究者認(rèn)為應(yīng)歸因于葉綠素的熒光效應(yīng)。藻類濃度很低時(shí)，這些光譜特征變得不明顯，甚至消失。如果藻類物質(zhì)濃度極高，出現(xiàn)大量漂浮甚至覆蓋水面的情況時(shí)，由于藻類細(xì)胞在近紅外波段的強(qiáng)反射，水面反射率急劇增大。除了葉綠素的影響外，藻類物質(zhì)對(duì)反射率曲線的另一個(gè)比較顯著的影響是由于藻青蛋白在642nm處的較大吸收系數(shù)，該波長(zhǎng)處出現(xiàn)反射率谷值或肩狀。

懸浮物質(zhì)的散射作用使水體的反射率在全部可見(jiàn)光和近紅外波段都有所增大，影響最為顯著的是在可見(jiàn)光波段。在不同的濃度下，懸浮物質(zhì)對(duì)水體反射光譜特征的影響程度有相當(dāng)大的差異。黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)在短波長(zhǎng)區(qū)較大，隨著波長(zhǎng)的增大，吸收系數(shù)呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此其對(duì)水體光譜特征的影響主要在短波長(zhǎng)區(qū)?？梢杂萌缦碌暮?jiǎn)單模型近似描述各種污染物質(zhì)對(duì)水體反射率的影響:

3、實(shí)驗(yàn)

研究區(qū)域是藻類污染嚴(yán)重的太湖地區(qū)。太湖地區(qū)的氣候季節(jié)差異性顯著，水體中藻類葉綠素濃度在不同季節(jié)變化很大。為研究各種不同葉綠素濃度時(shí)的情況，分別于1997年11月和1998年8月兩個(gè)典型季節(jié)，在太湖水域選擇了近40個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行了水面光譜反射率測(cè)量和水質(zhì)采樣分析。水質(zhì)采樣使用標(biāo)準(zhǔn)采樣器，從水面至水下約50cm處采集水樣。在夏季實(shí)驗(yàn)中，為了防止高溫下水樣變質(zhì)，采集的水樣立即用冰塊加以保存。實(shí)驗(yàn)室分析的水質(zhì)指標(biāo)主要包括藻類葉綠素濃度、懸浮物質(zhì)濃度和化學(xué)耗氧量（COD），后兩個(gè)參數(shù)只用參考。葉綠素濃度確定采用丙酮萃取和分光光度法，葉綠素-a是最主要的葉綠素，本文所提到的葉綠素濃度數(shù)據(jù)都是指葉綠素-a的濃度。采用烘干稱重法確定總懸浮固體物質(zhì)濃度，化學(xué)耗氧量是指高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），化學(xué)耗氧量反映了水體中有機(jī)質(zhì)的濃度。兩次實(shí)驗(yàn)所涵蓋的水面及水質(zhì)特性變化范圍很大，葉綠素濃度從不能檢出變化到478μg/L懸浮物質(zhì)濃度為0—198mg/L，CODMn為2.40—30.2mg/L。在葉綠素濃度高于120μg/L時(shí)，大多數(shù)情況下藍(lán)藻成片漂浮、不均勻分布，采樣分析的葉綠素濃度有較大的偶然性。

水體反射光譜測(cè)量在距離水面約1m處進(jìn)行，測(cè)量方向基本垂直于水面。所使用的儀器為GER-1500型便攜式地物光譜儀，工作波長(zhǎng)范圍為300—1100nm，有512個(gè)波段，波段寬度約為1.6nm。借助對(duì)標(biāo)準(zhǔn)余弦反射板的測(cè)量，可以將水面反射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為反射率。相對(duì)光譜反射強(qiáng)度曲線而言，水面的光譜反射率曲線能更清楚地反映藻類葉綠素的光譜特征。在所有采樣點(diǎn)，水體都比較渾濁，均不可見(jiàn)底，不必考慮水底反射的影響。在每個(gè)采樣點(diǎn)，至少進(jìn)行3次反射光譜測(cè)量。圖1是在各采樣點(diǎn)測(cè)量的水面光譜反射率曲線。由于在湖面進(jìn)行反射光譜測(cè)量時(shí)，環(huán)境遮擋、測(cè)量角度的變化都會(huì)影響反射率絕對(duì)數(shù)值的大小，為了便于對(duì)不同測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，每條反射率曲線都利用其在420—750nm波段的平均反射率進(jìn)行歸一化，歸一化反射率計(jì)算式為:

其中Lw（λ）和LR（λ）分別為對(duì)應(yīng)于某一波長(zhǎng)λ的水面和標(biāo)準(zhǔn)板的反射強(qiáng)度。水體反射光譜曲線最顯著的特征是由于水在近紅外波段的吸收系數(shù)迅速增大，因而反射率迅速降低，圖1中的大多數(shù)反射率曲線符合這一規(guī)律。但在一些采樣點(diǎn)，由于漂浮性的藍(lán)藻濃度高，以至完全地覆蓋了水面，因此一些反射率曲線表現(xiàn)出類似于植被的光譜特征，在近紅外波段的反射率甚至高于在可見(jiàn)光波段的反射率。對(duì)于這樣的水域，葉綠素濃度極高，作為水質(zhì)參數(shù)，并沒(méi)有實(shí)際的意義，但是足以說(shuō)明藻類污染的嚴(yán)重程度。

圖1 用420—750nm波段平均反射率進(jìn)行歸一化后的反射率曲線

4、結(jié)果

圖1中的反射率曲線顯著地反映了藻類葉綠素的吸收和反射特征，部分波段的相對(duì)反射率與葉綠素濃度密切相關(guān)。利用線性回歸分析得到各波段反射率（用420—750nm波段平均反射率歸一化）與葉綠素濃度的相關(guān)系數(shù)如圖2。在700nm、620nm及675nm等波長(zhǎng)附近的相關(guān)系數(shù)都比較大，并且在700nm附近為正相關(guān)，在620nm和675nm附近為負(fù)相關(guān)。事實(shí)上，700nm附近為葉綠素的反射峰，675nm為葉綠素的吸收峰，620nm附近為藻青蛋白的吸收峰。由于藻青蛋白同樣是藻類的重要成分，其吸收系數(shù)與葉綠素濃度存在間接的相關(guān)性。

圖2 歸一化反射率與葉綠素濃度的相關(guān)性

采用反射比可以大大減小數(shù)據(jù)處理的難度，在葉綠素遙感中，通常是研究波段反射比與葉綠素濃度的相關(guān)性。本文采用葉綠素吸收峰和反射峰所在波段的反射比，其與葉綠素濃度的線性相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9。對(duì)采樣測(cè)量的葉綠素濃度與反射比數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合。

葉綠素濃度與反射比的關(guān)系及其擬合曲線如圖3，在圖3中也顯示了藻類密集漂浮區(qū)的數(shù)據(jù)（實(shí)圓點(diǎn)），部分?jǐn)?shù)據(jù)符合（3）式，但有些數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果明顯相差比較大。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，如果光譜分辨率有所降低（如波段寬度增大到20nm），但能分辨出葉綠素在675nm處的吸收特征和在700nm附近的反射峰特征，這兩個(gè)波段的反射比也同樣與葉綠素濃度有比較好的相關(guān)性，但擬合關(guān)系式與（3）式有一定的差異。采用反射比估算葉綠素濃度的優(yōu)點(diǎn)還包括比較容易測(cè)量，以及在一定程度上減小其它污染物質(zhì)的影響。在675nm和705nm這兩個(gè)相近的波長(zhǎng)處，懸浮物質(zhì)和黃色物質(zhì)對(duì)水體反射光譜的影響也是相擬的。

圖3 反射比R705nm/R675nm與葉綠素濃度的關(guān)系

觀察到葉綠素在700nm附近的反射峰的位置是隨著藻類葉綠素濃度的增大向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的，在本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，葉綠素濃度很低時(shí)，觀察不到明顯的反射峰;在藻類密集覆蓋水面時(shí)，近紅外波段的反射光譜曲線走平，沒(méi)有明顯的峰值出現(xiàn)。對(duì)于其它采樣點(diǎn)，葉綠素反射峰的位置從低葉綠素濃度時(shí)的約685nm變化到高濃度時(shí)的約720nm。圖4中是葉綠素在紅光波段反射峰的位置隨葉綠素濃度變化的情況，但變化關(guān)系不能采用（4）式中的線性擬合。對(duì)于大部分采樣點(diǎn)，測(cè)量的葉綠素大大低于利用（4）式估算的值，這可能是由于在不同地域藻類特性的差異，在太湖水域，漂浮性的藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)種，常浮在表層水中，與沉水性的硅藻相比，能更顯著地影響水體光譜特征。

考慮到低葉綠素濃度時(shí)，葉綠素在700nm附近反射峰不明顯，或者不尖銳，其位置很難確定，本文利用葉綠素濃度超過(guò)5μg/L時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（其中藻類密集覆蓋水面時(shí)的數(shù)據(jù)也被剔除），葉綠素濃度與該峰值的位置是一種非常好的指數(shù)關(guān)系。

圖4 葉綠素濃度與700nm附近反射峰位置的關(guān)系

在圖5中將由（3）式和（5）式得到的估算值與葉綠素濃度的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行了比較?？梢园l(fā)現(xiàn)在葉綠素濃度較高時(shí)，（5）式的估算結(jié)果要優(yōu)于（3）式，但當(dāng)葉綠素濃度低于10μg／L時(shí)，兩種算法的估算精度都很差。

圖5 根據(jù)（3）式和（5）式估算的葉綠素濃度與測(cè)量值的比較

5、討論

對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)量的葉綠素濃度與反射率之比R705nm/R675nm有很好的相關(guān)性。但在（5）式的模型中，未考慮懸浮物質(zhì)及黃色物質(zhì)的干擾效應(yīng)。雖然采用反射比可以在一定程度上減小其影響，但由（2）式不難推導(dǎo)出，當(dāng)懸浮物質(zhì)的散射系數(shù)或者黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)很大時(shí)，也可能顯著減小反射比。對(duì)于內(nèi)陸水體，懸浮物質(zhì)或者黃色物質(zhì)濃度很高是常見(jiàn)的水質(zhì)情況，必須有進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改善模型。葉綠素反射峰值的位置不受地表輻照度、光譜測(cè)量角度等變化的影響，受懸浮物質(zhì)及黃色物質(zhì)的影響也很小，有利于提高葉綠素遙感的精度。但由于反射峰位置隨葉綠素濃度變化緩慢，因此遙感器必須有很高的光譜分辨率以測(cè)定反射峰位置的移動(dòng)。根據(jù)（5）式，如果在確定反射峰位置時(shí)誤差為1nm，則估算的葉綠素濃度偏差超過(guò)10%。

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審核編輯黃宇