松樹(shù)水體反射光譜特征與葉綠素濃度關(guān)系的研究

1采用航空遙感方法進(jìn)行水體葉綠素濃度的遙感監(jiān)測(cè)隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大量污染物被排放到內(nèi)陸湖泊。有機(jī)污染物導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致大量藻類(lèi)物質(zhì)的繁殖。藻類(lèi)物質(zhì)中都包含葉綠素,因此通常利用葉綠素濃度這一參數(shù)進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的監(jiān)測(cè)評(píng)定。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析方法耗費(fèi)大量人力物力,不能適應(yīng)大范圍水體富營(yíng)養(yǎng)化快速監(jiān)測(cè)的需要。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。研究水體葉綠素濃度與反射光譜特征的關(guān)系是進(jìn)行葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),通過(guò)兩者之間的關(guān)系建立計(jì)算葉綠素濃度反演算法。高光譜分辨率傳感器提供了數(shù)十到數(shù)百波段的影像數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)光譜信息的搜集。利用高光譜數(shù)據(jù),結(jié)合葉綠素濃度反演算法,可以快速準(zhǔn)確地對(duì)研究區(qū)域葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本研究選取松花湖作為研究區(qū)域,利用樣本的葉綠素濃度數(shù)據(jù)和同步反射光譜數(shù)據(jù),研究?jī)烧咧g的關(guān)系,為松花湖水體葉綠素濃度的反演提供理論參考。2回水河流及其回水面積松花湖位于吉林省東部山地西側(cè),松花江上游,42°58′～43°48′N(xiāo),126°41′～127°18′E,松花湖位置如圖1所示。流域面積42500km2,回水全長(zhǎng)120km,南北長(zhǎng)約77km,東西(湖面兩側(cè)山脊分水嶺以內(nèi))寬約94km,最大水深75m,水面寬約10km,庫(kù)容108億m3,主要入湖河流14條。松花湖座落于古林市轄區(qū)內(nèi),跨樺甸、蛟河、豐滿3個(gè)縣(市、區(qū))。20世紀(jì)70年代以前盲目發(fā)展,人口大量流入,導(dǎo)致森林被毀,坡耕地增加,對(duì)松花湖區(qū)的環(huán)境質(zhì)量及資源開(kāi)發(fā)都產(chǎn)生了不利的影響,水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀。3水體特征測(cè)定2008年7月在松花湖水域采集26個(gè)水體樣本,樣本點(diǎn)覆蓋區(qū)域較廣,分布較均勻,具有一定的典型代表性,采樣點(diǎn)位置如圖1所示。獲取樣本時(shí)進(jìn)行同步反射光譜的測(cè)量工作,并采用Promark2差分GPS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的精確定位(定位精度在0.3～3m之間)。水體反射光譜的測(cè)量使用美國(guó)ASD公司的便攜式分光輻射光譜儀,波長(zhǎng)范圍350～2500nm,采樣時(shí)間10次/s,1m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭,25°前視場(chǎng)。測(cè)量光譜時(shí)天氣狀況良好,風(fēng)力微弱,天空云量很少,水面基本處于平靜狀態(tài)。光譜測(cè)量在船上進(jìn)行,儀器垂直于水面上方1m左右進(jìn)行探測(cè),借助于參考板,儀器自動(dòng)將水體向上輻射率轉(zhuǎn)化為水體的反射率。每個(gè)樣本點(diǎn)至少測(cè)量5次以上,最后取均值。葉綠素濃度數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室分析得到,首先對(duì)獲得的水體樣本進(jìn)行懸浮物濃度的測(cè)定,然后使用萃取—分光分度計(jì)法對(duì)水體樣本進(jìn)行處理后得到各個(gè)樣本點(diǎn)的葉綠素濃度。獲取本文涉及多種數(shù)據(jù)的設(shè)備和時(shí)間見(jiàn)表1所示。4結(jié)果分析4.1葉綠素定量標(biāo)志松花湖水體光譜反射率呈現(xiàn)典型的內(nèi)陸水體光譜特征(圖2),400～500nm范圍內(nèi),由于葉綠素a在藍(lán)光波段的吸收峰及黃色物質(zhì)在該范圍的強(qiáng)烈吸收作用,水體的反射率較低,但由于懸浮物的影響,葉綠素a在440nm的吸收峰不是很明顯;510～620nm范圍的反射峰是由于葉綠素、胡蘿素弱吸收,細(xì)胞和懸浮顆粒的散射作用形成的,該反射峰值與色素組成有關(guān),而且水體葉綠素濃度越高,該反射峰值也越高,可以作為葉綠素定量標(biāo)志;630、675nm附近出現(xiàn)反射率低谷,630nm低谷是由于藻青蛋白吸收引起,675nm是葉綠素a的又一吸收峰,因此當(dāng)藻類(lèi)密度較高時(shí)水體光譜反射率曲線在該處出現(xiàn)谷值;685～715nm存在一個(gè)明顯的反射峰,一般認(rèn)為是葉綠素a的熒光峰,且會(huì)隨著葉綠素a濃度的增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng),該反射峰的出現(xiàn)是含藻類(lèi)水體最顯著的光譜特征,其存在與否通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類(lèi)葉綠素的依據(jù)。反射峰的位置和數(shù)值是葉綠素a濃度的指示,在近紅外的短波方向820nm左右存在一個(gè)懸浮物反射峰,而進(jìn)入900nm左右,水體反射率急劇下降。4.2葉綠素濃度與其他波長(zhǎng)的相關(guān)研究對(duì)葉綠素濃度與各波長(zhǎng)點(diǎn)反射率作相關(guān)分析結(jié)果如圖3所示。同圖3可見(jiàn),相關(guān)系數(shù)最大為0.8674左右,表明水體各波長(zhǎng)點(diǎn)的反射率與葉綠素濃度相關(guān)性較好。相關(guān)性曲線在700nm附近出現(xiàn)一個(gè)波峰,表明該處是一個(gè)較好的相關(guān)位置,反射率與葉綠素濃度成正比關(guān)系,這是因?yàn)槿~綠素在該波長(zhǎng)附近存在一個(gè)光譜反射峰?？偟膩?lái)說(shuō),葉綠素濃度與各波長(zhǎng)點(diǎn)的反射率相關(guān)性均較好,而且相關(guān)系數(shù)在350～900nm之間未出現(xiàn)負(fù)值,這與以往研究的結(jié)論不相符。李素菊等證明富營(yíng)養(yǎng)化水體由于其它水質(zhì)參數(shù)較高而導(dǎo)致其高反射率掩蓋水體中的葉綠素信息,其結(jié)果是水體各波段光譜反射率與葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù)普遍較低。而松花湖在本次實(shí)驗(yàn)中水體內(nèi)其它水質(zhì)參數(shù)如懸浮物、黃色物質(zhì)等影響光譜特性的物質(zhì)含量較少,故其水體各波段光譜反射率與葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù)普遍較高。4.3估測(cè)模型的均方根誤差根據(jù)圖3所示的光譜反射率和葉綠素a濃度相關(guān)系數(shù),本文選擇相關(guān)性最好的700nm處反射率與葉綠素a濃度建立關(guān)系函數(shù),如圖4所示。y=501.29x-1.7008(1)其中:y為葉綠素濃度,x為700nm處反射率,確定系數(shù)為0.7885,顯著性水平P<0.01,說(shuō)明二者之間相關(guān)性尚可。對(duì)于檢驗(yàn)樣本點(diǎn),估測(cè)模型的均方根誤差(RMSE)為3.1679μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4517μg·L-1)。圖5顯示了模型驗(yàn)證結(jié)果,決定系數(shù)稍低。4.4比法比例法水體波段反射比值較易測(cè)算,可大大減小數(shù)據(jù)處理的難度,并可在一定程度上消除水表面光滑度和微波隨時(shí)間和空間變化的干擾,減小其它污染物質(zhì)的影響。因此葉綠素遙感中,通常是研究水體光譜特征波段與葉綠素濃度的相關(guān)性,采用不同波段比值法或比值回歸法以提取葉綠素濃度信息。研究采用700nm和677nm兩個(gè)波長(zhǎng)處的反射率作比值,這兩處在反射光譜曲線上是相鄰的波峰波谷,兩者作比值,可以增強(qiáng)與葉綠素濃度的相關(guān)性。以反射率比值(x)與葉綠素濃度(y)作變量,得出線性關(guān)系函數(shù)為:y=53.477x-44.081(2)其中:y為葉綠素濃度,x為700nm處反射率,函數(shù)的確定系數(shù)為0.8709,樣本數(shù)為20,顯著性水平P<0.01。結(jié)果如圖6所示。比值法模型的確定系數(shù)較高,表明松花湖葉綠素a濃度與R700/R677存在較好的線性關(guān)系。這是由于677nm與700nm波段彼此靠近,受非色素懸浮物質(zhì)和黃色物質(zhì)的影響相似,二者比值保持了較低的噪聲。由圖7可以看出,模型驗(yàn)證的確定系數(shù)為0.8305,估測(cè)模型的均方根誤差(RMSE)為5.3520μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4517μg·L-1),表明R700/R670值可用來(lái)指示松花湖水體的葉綠素a濃度。但模型估測(cè)結(jié)果中有一個(gè)樣本的葉綠素a濃度較小為0.1263μg·L-1,這是由于這個(gè)樣本的實(shí)測(cè)葉綠素a濃度偏低,以至于估測(cè)結(jié)果受系統(tǒng)誤差影響較大。4.5市售葉綠素a濃度與反射率的關(guān)系微分光譜技術(shù)通過(guò)對(duì)反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,可以迅速地確定光譜彎曲點(diǎn)及最大最小反射率的波長(zhǎng)位置,微分技術(shù)對(duì)光譜信噪比非常敏感,研究表明,光譜的低階微分處理對(duì)噪聲影響敏感性較低,因而在實(shí)際應(yīng)用中較有效。一般認(rèn)為,可用一階微分處理去除部分線性或接近線性的背景、噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜(必須為非線性的)的影響。在本研究中,對(duì)采集的全部光譜數(shù)據(jù)按公式(1)進(jìn)行了微分處理計(jì)算:R′(λ)=|R(λ+1)?R(λ?1)|2ΔλR′(λ)=|R(λ+1)-R(λ-1)|2Δλ(3)其中:R′(λ)為λ波長(zhǎng)處光譜的一階微分,R(λ+1)和R(λ-1)分別為λ+1、λ-1波長(zhǎng)處的反射率,Δλ指波長(zhǎng)λ到λ-1的間隔。光譜一階微分與葉綠素濃度相關(guān)性如圖8所示。從微分光譜與葉綠素濃度的相關(guān)系數(shù)的變化趨勢(shì)看,在藍(lán)、綠光波段相關(guān)系數(shù)較大,均在0.6以上。在紅光、近紅外的短波方向相關(guān)系數(shù)則變化為負(fù)相關(guān),僅有675nm～700nm左右出現(xiàn)較高的正相關(guān),其中最高的正相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在685nm處,這與Rundquist的研究結(jié)果相同。由圖8可知對(duì)于松花湖而言,685nm的光譜一階微分值與葉綠素a濃度相關(guān)系數(shù)最高,因此選取該波段進(jìn)行建模:y=38436x-1.924(4)其中:y為葉綠素濃度,x為700nm處反射率,函數(shù)的確定系數(shù)為0.7928,樣本數(shù)為20,顯著性水平P<0.01。結(jié)果如圖9所示。微分光譜估算模型的確定系數(shù)較高,表明松花湖葉綠素a濃度與685nm處的微分光譜存在較好的線性關(guān)系。圖10顯示了模型驗(yàn)證結(jié)果,對(duì)于檢驗(yàn)樣本點(diǎn)來(lái)說(shuō),確定系數(shù)為0.8873,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測(cè)模型的均方根誤差(RMSE)為2.7140μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4517μg·L-1),效果比較理想。4.6光譜強(qiáng)度與毛竹濃度之比的關(guān)系4.6.1熒光峰的位置以往的研究表明,700nm附近波峰的出現(xiàn)是水體葉綠素濃度特征的典型反映,該處波峰位置與葉綠素濃度存在較好的相關(guān)關(guān)系。一般研究認(rèn)為,隨著葉綠素a含量的增高,熒光峰位置會(huì)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。圖3顯示,松花湖基本符合這個(gè)趨勢(shì)。松花湖熒光峰大部分位于700nm波長(zhǎng)前,并且有隨著葉綠素濃度的增加向700nm波長(zhǎng)后發(fā)展的趨勢(shì),如圖11所示。趙冬至在大連灣通過(guò)研究對(duì)不同藻類(lèi)增加葉綠素發(fā)現(xiàn),每增加10μg·L-1葉綠素,不同藻類(lèi)熒光峰的移動(dòng)幅度基本上位于0.1～0.3nm之間。葉綠素濃度為3mg/m3時(shí),峰的位置在680～683nm處,當(dāng)葉綠素濃度大于100mg/m3時(shí),其位置移動(dòng)到715nm,清潔水體、綠色水體的熒光峰位置分別為682nm和686nm,赤潮水體的則在703nm附近。本研究中的熒光峰位置基本上與以往的研究結(jié)論一致。由于本研究中部分水體中葉綠素含量較少,所以其熒光峰位置接近于682nm。以往的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)處于0～120mg/m3富營(yíng)養(yǎng)水體而言,在此范圍內(nèi),葉綠素a濃度的變化與熒光峰位置的移動(dòng)呈指數(shù)關(guān)系,peakposition=a(Chl)b,其中peakposition是熒光峰位置,Chl是葉綠素a濃度在661.7～666.42nm之間變化。而Gitelson對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體,即尚未形成赤潮的水體的研究結(jié)果表明,二者呈線性關(guān)系,peakposition=a+bChl.a為683.51。本文對(duì)松花湖水體的分析表明,松花湖水體的熒光峰的位置與葉綠素a濃度的關(guān)系呈線性,其線性方程為:y=1.4305x-978.87(5)其中:y為葉綠素濃度,x為熒光峰的位置,確定系數(shù)為0.8059。說(shuō)明二者之間存在較好的線性關(guān)系,顯著性水平P<0.01,表明這種方法對(duì)于葉綠素濃度的反演是有效的。圖12顯示了模型驗(yàn)證結(jié)果,對(duì)于檢驗(yàn)樣本點(diǎn)來(lái)說(shuō),確定系數(shù)為0.7562,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測(cè)模型的均方根誤差(RMSE)為3.2876μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4517μg·L-1),效果比較理想。4.6.2算法的比較分析水體熒光峰高的界定有兩種方法,一是計(jì)算熒光峰最大的反射率值與熒光峰處波段兩側(cè)的兩個(gè)波段所確定的基線同一波段上的反射率差。本文采用的熒光高度計(jì)算的第二種方法是將670nm后的紅光波段反射率的最大值(Rmaxred)歸一化到560nm處整個(gè)光譜曲線的最大值上或R675上,即:分別用兩種方法計(jì)算熒光峰高度,Rmaxred/R560效果較好,Rmaxred/R675效果較差,這與Gitelson等研究結(jié)果相同。分別用不同的函數(shù)建立其關(guān)系,發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)(PowerFunction)關(guān)系最好,這與前人的研究結(jié)果相似。本文選擇相關(guān)系數(shù)最高的松花湖夏季熒光峰高度與葉綠素a濃度關(guān)系建立其關(guān)系函數(shù)(圖13):y=115.53x8.6497(3)其中:y為葉綠素a含量(μg·L-1),x為熒光峰高度(Rmaxred/R560),函數(shù)的確定系數(shù)為0.7263,說(shuō)明葉綠素a濃度與熒光峰高度之間的相關(guān)性較好。圖14顯示了模型驗(yàn)證結(jié)果,對(duì)于檢驗(yàn)樣本點(diǎn)來(lái)說(shuō),確定系數(shù)為0.7380,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測(cè)模型的均方根誤差(RMSE)為4.8864μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4