石佛寺水庫(kù)葉綠素a濃度高光譜遙感反演

孫 昊，周林飛

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110161)

人類的生命活動(dòng)離不開水，因此古文明都發(fā)源于各個(gè)大型流域內(nèi)。在人類發(fā)展初期，科技較為落后，人類活動(dòng)對(duì)水體的污染較小。隨著科技的發(fā)展，水體的承載壓力越來越大，當(dāng)污染物超過了水體的自凈能力時(shí)，便產(chǎn)生了水體污染。各類水體由于靠近人類聚集地，通常會(huì)有各類污染物流入，致使水體易趨于富營(yíng)養(yǎng)化。藻類以及浮游生物利用這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過量繁殖生長(zhǎng)，使得水體中的溶解氧不斷減少，令水質(zhì)逐漸變差。葉綠素作為藻類等水生植物關(guān)鍵的組成部分，其濃度的大小可以用于判斷水體是否富營(yíng)養(yǎng)化[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)水體葉綠素a濃度的手段存在局限性、離散性和瞬時(shí)性等缺點(diǎn)。而新興的遙感技術(shù)擁有許多優(yōu)點(diǎn)，如費(fèi)用更低、效率更高、范圍更廣，并易于進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)等[2]。Fraser[3]測(cè)量了美國(guó)22個(gè)內(nèi)陸湖的光譜反射率與葉綠素a濃度，并分析了兩者之間的相關(guān)關(guān)系。得出葉綠素a濃度及其對(duì)應(yīng)反射光譜的一階微分值相關(guān)性良好的結(jié)論；Kevin[4]等通過研究認(rèn)為可以用672 nm及704 nm兩個(gè)波段的反射比來進(jìn)行相關(guān)的分析研究；馬榮華[5]利用太湖實(shí)測(cè)葉綠素a濃度及水體的光學(xué)特性進(jìn)行了一系列研究，認(rèn)為葉綠素a濃度估測(cè)時(shí)最關(guān)鍵的兩個(gè)光譜波段分別是682 nm和706 nm；段洪濤[6]等實(shí)地測(cè)量了查干湖的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用波段比和波長(zhǎng)的一階微分兩種方式分析其與葉綠素a濃度的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，R700/R670的反射比以及690 nm波長(zhǎng)處的一階微分值與葉綠素a濃度具有良好相關(guān)關(guān)系，并由此建立了定量估算模型，R700和R670指700 nm與670 nm處的反射率。杜鵑[7]利用模糊控制RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了凌河葉綠素a濃度反演模型，效果較好。

利用實(shí)測(cè)水體光譜反射率來進(jìn)行葉綠素a濃度的反演近年來發(fā)展很快。但是大部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究對(duì)象主要集中在海洋、湖泊等水體，這種技術(shù)在水庫(kù)方面的應(yīng)用鮮有出現(xiàn)，尤其是在東北地區(qū)水庫(kù)缺少該方面的研究。水庫(kù)是由人工改造或修建水工建筑物而形成的，與海洋、湖泊等相比具有不同的水體特征，葉綠素a濃度與水體反射率的相關(guān)性也存在著差異，需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。因此，本文以遼寧省石佛寺水庫(kù)為例，對(duì)石佛寺水庫(kù)實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)及水體葉綠素a濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，構(gòu)建石佛寺水庫(kù)表層水體葉綠素a濃度估測(cè)模型，并對(duì)模型精度進(jìn)行對(duì)比分析，為今后東北地區(qū)水庫(kù)葉綠素a濃度的遙感反演提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以石佛寺水庫(kù)為研究對(duì)象，其為大Ⅱ型的平原區(qū)水庫(kù)，坐落于遼寧省沈陽(yáng)市、法庫(kù)縣以及鐵嶺市三者接壤的位置，是遼河干流上唯一的大型控制性水利工程。水庫(kù)所處地區(qū)為溫帶大陸性氣候且受季風(fēng)的影響比較嚴(yán)重，年平均氣溫約8℃[8]。水庫(kù)氣候的季節(jié)性變化十分明顯，冬季寒冷且漫長(zhǎng)，大約持續(xù)5～6個(gè)月，春秋兩季風(fēng)力較大，降雨主要集中在7～9月份。大體而言，石佛寺水庫(kù)的水質(zhì)較好，基本屬于輕度或中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。2009年庫(kù)區(qū)種植了蘆葦、蒲草和荷花，隨著生態(tài)環(huán)境的改善，水生植物的面積和種類在不斷增加，目前荷花133.33 hm2，蘆葦173.33 hm2，蒲草366.67 hm2，并自然生長(zhǎng)出許多新的水生植物種類，總面積為25.05 km2。石佛寺水庫(kù)的主要功能是防洪，兼顧生態(tài)和供水。

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 光譜數(shù)據(jù)獲取

采用美國(guó)SVC公司研發(fā)的GER1500野外便攜式光譜輻射儀進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集，該設(shè)備的工作區(qū)間為350～1 050 nm，光譜分辨率為3.2 nm，波長(zhǎng)精度為±0.1 nm。采樣點(diǎn)的光譜測(cè)量時(shí)間在北京時(shí)間11∶00-13∶00進(jìn)行，采用唐軍武[9]提出的水面之上測(cè)量法，測(cè)量方式如圖1所示，測(cè)量時(shí)背向光照方向并進(jìn)行調(diào)整使太陽(yáng)入射平面和觀測(cè)平面的夾角位于90°～135°之間，傳感器和水面的夾角位于30°～45°之間。利用上述的設(shè)定方式可以有效地避開太陽(yáng)的直射及反射情況，還能夠消除光照造成的船身陰影對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響。由于水體易受光照影響，易產(chǎn)生誤差，因此本研究對(duì)于同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了3次測(cè)量，計(jì)算出此點(diǎn)每個(gè)波段對(duì)應(yīng)的反射率平均值，獲得該點(diǎn)的光譜曲線。

圖1 水面之上測(cè)量法幾何示意圖Fig.1 Geometric sketch of measurement method above water surface

2.2 葉綠素a濃度測(cè)定

2018年7月17日，筆者前往石佛寺水庫(kù)對(duì)其水體進(jìn)行了表層水樣的采集以及水體高光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量。當(dāng)日天氣晴朗無云，風(fēng)速1～2 m/s，水面波動(dòng)較小且基本保持平靜。根據(jù)石佛寺水庫(kù)的大致走向選取了20個(gè)測(cè)點(diǎn)。利用手持GPS測(cè)量采樣點(diǎn)的地理位置，記錄其經(jīng)緯度，見表1。分別在20個(gè)采樣點(diǎn)采取水樣，將水樣密封保存并按照順序編號(hào)。為防止水樣變質(zhì)，取樣當(dāng)天返回并在實(shí)驗(yàn)室中使用水質(zhì)儀測(cè)出20個(gè)測(cè)點(diǎn)的葉綠素a濃度，見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 光譜特征分析

為區(qū)分各條光譜曲線，將20個(gè)測(cè)點(diǎn)分為4組作圖，如圖2所示。

圖2所示的石佛寺水庫(kù)水體的高光譜反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系是十分具有代表性的，它具有內(nèi)陸水體光譜的典型特點(diǎn)。波長(zhǎng)400～500 nm范圍屬于藍(lán)紫色光，而葉綠素a對(duì)藍(lán)紫色光能夠完全吸收，這就導(dǎo)致了400～500 nm波長(zhǎng)之間反射率不高的現(xiàn)象。如圖2所示，510～610nm之間產(chǎn)生了反射率的第一次峰值，其大約位于580 nm的位置。出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)槿~綠素a的吸收光譜包含有兩次吸收峰值，包括紅光(波段600～700 nm)和藍(lán)紫光(波段400～500 nm)。類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光。而在580 nm波長(zhǎng)左右胡蘿卜素及葉綠素a的吸收能力較弱，同時(shí)還有細(xì)胞散射的干擾，以上都是出現(xiàn)反射峰的原因。當(dāng)波長(zhǎng)約為620 nm時(shí)藻青蛋白吸收作用最強(qiáng)，因此波長(zhǎng)620～630 nm區(qū)間反射率出現(xiàn)降低趨勢(shì)同時(shí)還在一定程度上顯現(xiàn)出肩狀特征[10]。圖2在674 nm左右出現(xiàn)反射谷。這正因?yàn)?74 nm波長(zhǎng)在葉綠素a光譜吸收的峰值范圍內(nèi)，此時(shí)葉綠素a有較高的吸收作用，與此同時(shí)水體藻類密度較高時(shí)，葉綠素a對(duì)紅光進(jìn)行了充分吸收。在702 nm附近再次出現(xiàn)了顯著的反射率峰值，通常稱這種帶狀光譜中的峰值為熒光峰。隨著葉綠素a的濃度升高，反射率峰值的位置會(huì)逐漸向右遷移，即向長(zhǎng)波方向遷移。含有藻類水體的光譜圖中最為鮮明的特點(diǎn)即為702 nm波長(zhǎng)左右呈現(xiàn)反射率峰值。對(duì)于水體中是否存在藻類葉綠素的判斷，其關(guān)鍵在于分析其光譜曲線中有沒有出現(xiàn)熒光峰。反射峰所處波段范圍及其峰值大小可作為估測(cè)葉綠素a濃度的參考[11]。因?yàn)榧兯畬?duì)紅外光譜會(huì)產(chǎn)生顯著的吸收，使得800～900 nm的長(zhǎng)波波段中反射率迅速下降[12]。

表1 石佛寺水庫(kù)20個(gè)采樣點(diǎn)的位置及葉綠素a濃度Tab.1 Location and chlorophyll-a concentration of 20 sampling points in shifosi reservoir

3.2 模型建立

3.2.1 波段比值模型

水庫(kù)水域面積較大，不同時(shí)間不同位置處水體表面的光滑度會(huì)有一定差別，水面波動(dòng)的程度也不同。采用不同波段對(duì)應(yīng)反射比的方法相當(dāng)于用無量綱方式處理變量。這種方法能夠降低上述因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的干擾，而且能夠降低某些污染物的影響[13]。在葉綠素a濃度反演中，采取波段比值法能夠放大葉綠素反射峰和吸收峰兩者的差距，從而獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)。筆者通過對(duì)石佛寺水庫(kù)水體光譜特征的研究，將702 nm及674 nm波長(zhǎng)的反射比視為自變量，葉綠素a的濃度視為因變量對(duì)散點(diǎn)圖做擬合，所得回歸方程如式(1)：

(1)

圖2 石佛寺水庫(kù)水體遙感反射率隨波長(zhǎng)變化關(guān)系Fig.2 Relationship between water reflectance and wavelength variation in Shifosi reservoir

反射比R702/R674及葉綠素a濃度的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)以及擬合曲線由圖3可見，由圖3可見兩者具有良好的相關(guān)性，基本符合線性關(guān)系，r2為0.724 4。波長(zhǎng)為702 nm時(shí)反射率值比較大，其信噪比也很高。波長(zhǎng)為674 nm處葉綠素a的吸收特征更有代表性。此外這兩個(gè)波長(zhǎng)值相距較近，黃色物質(zhì)和非色素懸浮物對(duì)二者的影響程度大致相同，因而能夠利用此模型來估測(cè)石佛寺水庫(kù)表層水體的葉綠素a濃度，這一結(jié)果與馬榮華[5]采用R706/R684取得的線性模型有一定的差別，其原因可能為石佛寺水庫(kù)水體中葉綠素a的濃度相比太湖較小，而且太湖與東北地區(qū)河流水質(zhì)有一定的差異。

圖3 石佛寺水庫(kù)葉綠素a濃度與其反射比R702/R674的關(guān)系Fig 3 Relationship between chlorophyll-a concentration and reflectance ratio R702/R674 in ShifoSi reservoir

3.2.2 一階微分模型

利用光譜微分值的方法分析反射光譜，能夠精準(zhǔn)而快速的確定光譜曲線的凹凸點(diǎn)，同時(shí)可以得出反射率最大和最小時(shí)的波長(zhǎng)位置。浦瑞良等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)光譜反射率求一階微分后能夠有效降低部分線性及類似線性的背景噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜(非線性)的干擾。對(duì)于光譜儀采集的離散型數(shù)據(jù)的微分處理，為提高精確度，采用中心差分的形式，即利用式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：R(λi)′為波長(zhǎng)λi的一階微分反射光譜；λi+1，λi，λi-1為相鄰波長(zhǎng)。

對(duì)得到的一階微分值與葉綠素a濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取兩者的相關(guān)系數(shù)，之后截取450～850 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)，其相關(guān)系數(shù)圖如圖4所示。

圖4 光譜反射率一階微分與葉綠素a濃度相關(guān)系數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of correlation coefficient between first order differential of spectral reflectance and concentration of chlorophyll-a

截取450～850 nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)來展示。對(duì)光譜反射率一階微分值和葉綠素a濃度相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)有12組數(shù)據(jù)的r絕對(duì)值在0.8～1范圍內(nèi)，有148組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值處于0.6～1范圍內(nèi)。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示水體葉綠素a濃度與光譜反射率一階微分兩者存在明顯的相關(guān)性，波長(zhǎng)為595 nm處相關(guān)性最好，r值達(dá)到了0.863 1。將595 nm波長(zhǎng)時(shí)反射率的一階微分視為自變量X，葉綠素a的濃度(μg/L)視為因變量Y，做線性擬合，結(jié)果如圖5。

圖5 595 nm處的一階微分與葉綠素a濃度的關(guān)系Fig 5 Relationship between the first-order differential at 595 nm and the concentration of chlorophyll-a

得到回歸方程Y=461 486X+225.251 96，r2為0.745 0。波長(zhǎng)595 nm處光譜反射率一階微分值和葉綠素a濃度呈明顯正相關(guān)關(guān)系。此反演模型的準(zhǔn)確度略高于通過反射比所建立的模型，這一結(jié)論與宋玲玲等[15]的研究結(jié)果相同，可以使用該模型估計(jì)石佛寺水庫(kù)表層水體中葉綠素a濃度。

3.3 方法對(duì)比

通過兩種模型得到的線性回歸方程都是y=ax+b的形式，但是各變量具體的含義則各不相同。波段比值模型能夠消除不同位置不同時(shí)間水面差異的影響，并且能夠降低水體污染物的影響，而一階微分模型則可以降低部分線性及非線性噪音對(duì)光譜曲線的影響，兩者的估測(cè)值與實(shí)測(cè)值都有一定的誤差，但是一階微分模型的精確度更高，r2達(dá)到了0.745 0。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者對(duì)石佛寺水庫(kù)實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)及水體葉綠素a濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，構(gòu)建了石佛寺水庫(kù)表層水體葉綠素a濃度估測(cè)模型，其整體精確度較高，可以將此模型當(dāng)作理論基礎(chǔ)，進(jìn)行石佛寺水庫(kù)葉綠素a濃度的全范圍遙感檢測(cè)。本文分別使用了波段比值模型以及光譜一階微分模型，研究發(fā)現(xiàn)，兩種方法都具有較高的準(zhǔn)確度，R702/R674的反射比與水體葉綠素a濃度之間存在良好的相關(guān)性，r2≈0.724 4；而595 nm波段處反射率的一階微分值與水體葉綠素a濃度之間相關(guān)性更好，其r2≈0.745 0。因此，利用實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建的兩種石佛寺水庫(kù)葉綠素a濃度估測(cè)模型中，光譜一階微分值模型擬合更好。但是由于獲取采樣點(diǎn)數(shù)量和采樣時(shí)間的限制，對(duì)于石佛寺水庫(kù)而言，還需要更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來確定模型的精確度。