基于實測光譜的海河懸浮物濃度反演研究

潘應(yīng)陽，國巧真，付 盈

天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384

懸浮物是指懸浮在水體中，直徑為10 nm～0.1 μm的固體微粒。在二類水體中，懸浮物濃度是水環(huán)境評價的一個重要參數(shù)，它不僅影響水體透明度和物理光場分布情況，還影響水體的富營養(yǎng)化程度和初級生產(chǎn)力，進(jìn)而決定了水質(zhì)的優(yōu)劣[1-2]。進(jìn)行大面積的水體懸浮物濃度量測工作，只靠人力測量是不夠的，結(jié)合實測光譜遙感數(shù)據(jù)建立懸浮物濃度與水體光譜特征之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而推算出適合反演水體懸浮物濃度的算法模型，這是研究者普遍采用的方法，也是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行懸浮物濃度反演機(jī)制的基礎(chǔ)[3]。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，目前利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行懸浮物濃度反演的方法主要有經(jīng)驗算法[4-7]、半經(jīng)驗算法[8-9]和分析算法[10-12]。經(jīng)驗算法是一種由遙感數(shù)據(jù)與實測水質(zhì)參數(shù)建立的統(tǒng)計模型，推出所需的水質(zhì)參數(shù)值的方法，這種方法因其具有運用自如的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。半經(jīng)驗算法是一種將已知懸浮物的光譜特征與統(tǒng)計模型相結(jié)合的方法，先確定最佳反演波段或波段組合，在此基礎(chǔ)上，再建立懸浮物濃度與光譜之間的回歸模型，具有一定的物理意義。分析算法是基于電磁波譜在水中的輻射傳輸理論，依靠水體組分與固有光學(xué)量、固有光學(xué)量與表觀光學(xué)量之間的關(guān)系，建立水體光場分布模型，從而反演水體中各組分濃度[13]。PEYUS等[14]利用MODIS影像反射率數(shù)據(jù)與實測水質(zhì)參數(shù)建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并驗證了波段在620～670 nm范圍內(nèi)，多項式回歸模型對水體總懸浮物濃度的反演結(jié)果有較強(qiáng)的說服力。ASTORECA等[15]實地測量了從比利時到英國海岸的水體質(zhì)量參數(shù)，并分析了水體固有光學(xué)特性與懸浮物濃度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其中有隨季節(jié)性變化的特征。馬萬棟等[16]分析了廈門海域水體的遙感光譜特征，通過研究不同的反演模型，最后得出懸浮顆粒物在近紅外波段的反射率高低值所圍成的矩形區(qū)域?qū)Ψ囱菅芯繀^(qū)域的懸浮顆粒物濃度起到?jīng)Q定性作用。周曉宇等[17]利用太湖水體原位觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合水體光學(xué)分類方法，建立了針對各個類別水體的總懸浮物濃度高光譜反演模型，并比較了各個反演模型的精度和穩(wěn)定性。對于不同地區(qū)或者同一地區(qū)不同時令的水體，其水質(zhì)參數(shù)濃度也不同，水體中光譜響應(yīng)特征也會隨之變化，最終影響水質(zhì)參數(shù)反演所需敏感波段的選擇[18-20]。根據(jù)眾多研究者的研究成果可知，每個地區(qū)或一個地區(qū)不同季節(jié)的懸浮物反演模型及敏感波段都會有不同變化，因此建立通用的水質(zhì)反演模型，是今后水質(zhì)反演研究的重點。

海河作為全國七大河流之一，對于水體中的懸浮物濃度反演研究的案例較少，王代堃等[21]基于Landsat8影像和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗算法進(jìn)行了海河懸浮物的成功反演。本文在實測光譜數(shù)據(jù)及水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，獲得對懸浮物濃度敏感的波段及波段組合，建立適用于天津濱海新區(qū)海河水體的懸浮物濃度反演模型。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津濱海新區(qū)海河下游，地勢比較平緩，屬于華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)北部邊緣的華北平原分區(qū)，環(huán)境良好，水資源豐富，濕地、河灘眾多。濱海新區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，由于瀕臨渤海，具有海洋氣候特點，全年氣溫平均為13 ℃，年平均降水量為566 mm。由于降水年內(nèi)分配不均，降水主要集中于夏季，多為暴雨，且流域內(nèi)植被覆蓋度較小，因此水土流失較嚴(yán)重。

1.2 實驗數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

研究所用數(shù)據(jù)為2014年4月22日對濱海新區(qū)海河26個采樣點進(jìn)行光譜測量得到的，并同時采集水體樣本。光譜測量采用手持光譜儀(美國)進(jìn)行連續(xù)測量，分別記錄白板、天空光和水體光譜，每個樣點記錄7條光譜。然后利用View SpecPro和Origin 8.5軟件對原始測量光譜進(jìn)行中值處理、光譜曲線平滑及波段篩選，由于水體對紅外波段的強(qiáng)吸收作用，實驗僅獲取400～900 nm的水體光譜響應(yīng)曲線，如圖1所示。將采集到的水樣帶回實驗室，借助ET99732多參數(shù)水質(zhì)分析儀測量水質(zhì)參數(shù)，分別采用過膜法、分光光度法進(jìn)行實驗，測得各個采樣點水體樣本的懸浮物、葉綠素等指標(biāo)的濃度。根據(jù)實驗室對26個樣本點懸浮物濃度的統(tǒng)計，最高懸浮物濃度為304.85 mg/L，最低懸浮物濃度為3.83 mg/L，平均懸浮物濃度為27.91 mg/L。顯而易見，海河水體的懸浮物分布很不均勻，不同條件的水體懸浮物含量有明顯差異。

圖1 采樣點水體表面光譜反射率Fig.1 Spectral reflectance of water surface at sampling point

由圖1可知，不同采樣點的光譜反射值差異明顯，但總體趨勢一致。在400～500 nm范圍內(nèi)水體反射率相對較低，這是因為葉綠素a、黃色物質(zhì)在藍(lán)紫波段的強(qiáng)吸收作用；在500～650 nm范圍內(nèi)有2個微弱的反射峰和1個吸收谷，2個反射峰分別位于580、614 nm波段處，這是由于葉綠素a、胡蘿卜素在這個波長處吸收較弱，以及細(xì)胞、懸浮顆粒的散射作用，而在600 nm附近形成反射率低谷是由藻青蛋白的吸收引起；在675、705 nm附近也分別出現(xiàn)明顯的吸收谷、反射峰，675 nm是葉綠素a的另一吸收峰，在該處當(dāng)藻類密度較高時，水體光譜反射率曲線更容易產(chǎn)生反射谷，705 nm處的反射峰一般是葉綠素a的熒光峰，且波峰會隨著葉綠素a濃度的升高向長波方向移動，這是含藻類水體最顯著的光譜特征，這一特征可用來判定水體中是否含有藻類葉綠素；810 nm附近是懸浮物的一個反射峰，這與楊婷[22]，王艷紅[23]等研究得到的反射峰值范圍相似；之后由于水體對近紅外波段的強(qiáng)吸收作用，水體反射率呈下降趨勢。采樣點的水體反射率曲線反映了海河具有明顯的二類水體的水質(zhì)特征，不同采樣點曲線的波動說明海河水質(zhì)的復(fù)雜性，圖中光譜曲線的各個吸收谷和反射峰就是懸浮顆粒物、黃色物質(zhì)、葉綠素以及水體對光譜輻射共同作用的結(jié)果。

可見,各個樣點的光譜反射率曲線比較分散，為了減少天氣、光譜儀移動、太陽角變化對光譜測量值的影像，同時也便于對不同采樣點的光譜測量結(jié)果具有可比性，在分析研究之前對水體遙感反射率進(jìn)行歸一化處理。歸一化處理公式如下：

(1)

式中:RN(λi)為水體遙感反射率歸一化結(jié)果，R(λi)為原始水體遙感反射率，λi為i處波長，n為400～900 nm波段的波段數(shù)。歸一化后的光譜反射率曲線分布情況，見圖2。對比圖2和圖1后可知，歸一化后的光譜曲線變得相對集中，光譜曲線的反射峰、吸收谷更加明顯。

圖2 歸一化光譜曲線Fig.2 The curve of normalized spectral

2 方法與分析

2.1 單波段模型

利用SPSS軟件，將各個樣本點的歸一化光譜反射率與實測懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，得到每個波段的相關(guān)系數(shù)，然后將400～900 nm波段的相關(guān)系數(shù)生成對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)曲線，結(jié)果如圖3所示。400～660 nm和685～722 nm范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，825～900 nm范圍呈現(xiàn)較高的正相關(guān)，說明近紅外波段處歸一化反射率與懸浮物濃度相關(guān)性較高，相關(guān)性最高的波段為896 nm，相關(guān)系數(shù)是0.74。因此，將896 nm處的歸一化光譜反射率與實測懸浮物濃度進(jìn)行回歸分析，得到其線性、對數(shù)函數(shù)、二次多項式、冪函數(shù)、指函數(shù)模型，結(jié)果如表1所示。

圖3 懸浮物濃度與歸一化反射光譜相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between suspended solids concentration and normalized spectral reflectance

由表1可知，二次多項式的相關(guān)系數(shù)(r)是最高的，方差齊性檢驗(F)值也表明二次多項式是最佳擬合模型，分別為0.96、147.79；其次是線性模型的r、F基本上能反映懸浮物濃度與光譜歸一化反射率的變化；其他3種模型的擬合效果比較差，所以選擇二次多項式作為反演海河懸浮物濃度的估測模型。

2.2 波段比值模型

波段比值可在一定程度上消除不同時間和空間上水表面光滑度和大氣對電磁波的影響，并部分地減少其他污染物的干擾[24-25]。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究[26-28]，懸浮物濃度較高時，近紅外光譜對懸浮體濃度更敏感，并針對懸浮物提出865 nm與555 nm波段比值模型，成功應(yīng)用于甚高分辨率掃描輻射計(AVHRR)和SPOT衛(wèi)星反演懸浮物濃度算法中。因此，選取2處正相關(guān)較大的波段858 nm和896 nm分別與負(fù)相關(guān)較大的波段546 nm的比值作為自變量，分別與實測懸浮物濃度進(jìn)行回歸分析，建立線性、對數(shù)函數(shù)、二次多項式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)模型，結(jié)果見表2。

表2 懸浮物濃度與歸一化反射率比值回歸模型Table 2 Regression model of the ratio of suspended solids concentration to normalized reflectance

由表2可以看出，2組波段比值的擬合結(jié)果中二次多項式模型的r、F都是最高的，但R896/R546波段組合中的二次多項式模型更優(yōu)于R858/R546波段組合，其r、F分別為0.97、219.22；其次比較好的回歸模型是線性模型，R858/R546與R896/R546的r分別為0.75、0.79，也是后者的擬合效果較好；2組波段比值的對數(shù)模型、冪函數(shù)模型、指數(shù)模型的擬合效果都不好，r都低于0.5，不適合反演懸浮物濃度。因此，選擇R896/R546波段組合的二次多項式作為反演模型。

2.3 一階微分模型

光譜一階微分處理主要是對水體反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，能夠更直觀地表現(xiàn)水體光譜反射率的變化特點，還可以確定光譜彎曲點以及最大、最小反射率的波長位置。另外，光譜微分處理還可以去除線性或接近線性的背景以及噪聲光譜的干擾[29]。水體遙感反射率數(shù)據(jù)的一階微分處理見下式：

(2)

式中:R′(λi)為波長λi的一階微分光譜值；R(λi+1)和R(λi-1)為水體光譜反射率；λi+1、λi、λi-1為相鄰波長。各個樣點的光譜一階微分處理結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，一階微分處理使原始光譜曲線的彎曲點以及最大、最小反射率的波長位置變得更加突出。

圖4 一階微分處理后的反射率曲線Fig.4 Reflectivity curve after first order differential

將經(jīng)過一階微分處理后的光譜數(shù)據(jù)與實測懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析(參考2.1小節(jié)中方法)，尋找最大相關(guān)波段，圖5為得到的相關(guān)系數(shù)曲線?？梢钥闯觯嚓P(guān)性較高的波段依次出現(xiàn)在600、650、740 nm附近，相關(guān)性最高的波段位置為652 nm，相關(guān)系數(shù)為0.59。

經(jīng)過比較，選取597、652、738 nm 3個波段位置的一階微分?jǐn)?shù)據(jù)分別與實測懸浮物濃度進(jìn)行回歸分析，建立線性、二次多項式、指數(shù)函數(shù)模型，見表3。

圖5 懸浮物濃度與一階微分光譜反射率相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between suspended solids concentration and first order differential spectral reflectance

表3 懸浮物濃度與一階微分光譜反射率回歸模型Table 3 Regression model between concentration of suspended solids and the first order differential spectral reflectance

3 結(jié)果與討論

1)利用實測光譜數(shù)據(jù)，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行中值、平滑、歸一化等一系列預(yù)處理，然后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)與實測懸浮物濃度相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在825～900 nm的近紅外波段相關(guān)性較好。再將歸一化后光譜反射率和光譜一階微分與實測懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在650～750 nm的紅光波段相關(guān)性較好。分別對單波段、波段比值、一階微分方法的處理結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，二次多項式模型是最佳估測模型，而其他估測模型的r、F都比較低。

2)波段比值(R896/R546)的二次多項式模型，是進(jìn)行反演海河懸浮物濃度的最佳估測模型。其次，896 nm處的單波段模型也比較適合懸浮物濃度的反演。相比單波段模型和波段比值模型，光譜一階微分模型的效果要差一些，這是由于研究區(qū)不同而造成水體實測光譜和實測懸浮物濃度具有顯著的區(qū)域特征。研究提出的R896/R546的二次多項式模型反演結(jié)果較好，但目前僅適用于研究區(qū)春季的水體懸浮物濃度估測，是否適用于其他季節(jié)有待在以后的研究中進(jìn)一步驗證。

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