高光谱对水体藻类、悬浮物浓度和黄色物质的遥感定量分析技术

利用高光谱技术可对水体进行光谱测量和同步采样分析，对获得的数据用光谱分离法进行分析，从中分离出蓝藻和悬浮物的特征波峰，建立波峰高度与同步水质采样得到的叶绿素-a浓度和悬浮物浓度的对应关系，得出其遥感定量反演算法。

 

图一：水体的反射波谱特性曲线：蓝、绿波段为反射带;近、中红外波段为完全吸收带

Zui近十几年内陆水体的富营养化比较严重，藻类大量繁殖甚至形成水华灾害，对湖区的饮水、旅 游、养殖等主体功能造成了严重的损害，为把握水质状况，国家每年都要对典型湖泊的叶绿素-a和悬浮物等主要水质参数进行检测，但传统方法通过人工采样、过滤、萃取及分光光度计分析确定浓度的监测方法比较费时费力。高光谱遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布情况和变化，发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，而且具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优势。遥感在内陆水体研究中的应用从Zui初的单纯的水域识别逐渐发展到对水质参数进行遥感监测、制图和预测。随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征及算法研究的不断深入，遥感监测水质逐渐从定性发展到定量，并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加，包括叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质浓度等，反演精度也不断地提高。近年来，高光谱遥感技术的发展和应用于水质遥感监测极大地提高了水质参数的遥感估测精度。

一、遥感水质监测原理与方法

地物的波谱特性反映地物本身的属性和状态，不同的地物，波谱特性不同。水体的光谱特征是由其中的各种光学活性物质对光辐射的吸收和散射性质决定的。通过遥感系统量测一定波长范围的水体的辐射值得到的水体的光谱特征是遥感监测水体水质的基础。透射地球大气的太阳辐射到达气水界面，一部分被反射，另一部分折射进入水体内部，这部分入射光在水面下被多种分子选择吸收和散射。内陆水体中影响光谱反射率的物质主要有3类：①浮游植物，主要是各种藻类;②由浮游植物死亡而产生的有机碎屑以及陆生或湖体底泥经再悬浮而产生的无机悬浮颗粒，总称为非色素悬浮物(以下简称悬浮物);③由黄腐酸、腐殖酸等组成的溶解性有机物，通常称为黄色物质。在这几种物质中，除了悬浮物在其自然浓度条件下对光不发生明显吸收外，其余两种物质分别选择吸收一定波长范围的光，形成各自的特征吸收波谱。同时，这些物质对光的散射使光改变方向，其中后向散射光与水底的反射光一起返回水面，通过水气界面回到大气中，是可以通过高光谱技术测到的部分。水体因为各组分及其含量的不同造成水体的吸收和散射的变化，使一定波长范围的光谱反射率显著不同，是定量估测内陆水体水质参数的基础。

二、内陆水体中叶绿素a浓度的遥感定量监测

计算叶绿素a浓度的Zui佳波段的选取依赖于叶绿素a的浓度。叶绿素a在蓝波段的440 nm附近和红波 段的678 nm附近都有显著的吸收，当藻类密度较高时水体光谱反射曲线在这两个波段附近出现吸收峰值。 550~570 nm附近的绿反射峰值可作为叶绿素a定量标志，在685 nm附近，叶绿素a有明显的荧光峰， 含藻类水体Zui显著的光谱特征是在685~715 nm出现反射峰，其位置和峰值是叶绿素a浓度的指示。根据 Gitelson的研究，当叶绿素a的浓度从很低的值增加到100 g/L时，叶绿素的诊断波段向长波方向移动，反射峰从685 nm附近移动到715 nm附近。悬浮物浓度和叶绿素a浓度有很大的相关性，Pulliainen提出先根据悬浮物浓度对监测水体进行分类，再对不同的类别选择合适的算法计算叶绿素a的浓度，可提高算法的精度。

 

图二：不同叶绿素含量水体的反射光谱曲线

对不同湖泊进行水质监测时，常用的方法是对近红外与红波段的反射率比值、红波段和蓝波段的反射率比值、660~680 nm和685~715 nm附近的波段的各种组合进行试验，找出Zui佳的波段组合。监测方法可根据湖泊的营养状况对湖泊进行预分类，然后对不同的湖泊类型选择不同的算法提高算法的精度和普遍适用性。

三、内陆水体中悬浮物浓度的遥感定量监测

内陆水体中悬浮物浓度是Zui先被遥感估测的水质参数，悬浮物浓度、颗粒大小和其组成是影响悬浮物光谱反射的主要因素。Carpenter的研究证明了遥感定量监测悬浮物含量的可行性。Kallio等利用AISA成像光谱数据研究芬兰南部湖泊，结果表明估测悬浮物的Zui佳算法可利用单波段705~714 nm的反射率R705-7l4得到。Gitelson等的研究表明500~600 nm波段适合用来监测悬浮物，700~900nm波段范围反射率对悬浮物浓度变化敏感，是遥感估算悬浮物浓度的Zui佳波段。在可见光及近红外波段范围，随悬浮物含量的增加，水体的反射率增加且随着悬浮物浓度的增大，反射峰位置向长波方向移动。

悬浮物浓度在0.50 mg/L的范围时，任何波段的反射率和悬浮物浓度都呈显著相关，但随着水体中悬浮物浓度的增加，由悬浮物引起的反射辐射将会达到饱和，在不同的波段范围，悬浮物的饱和浓度是不一样的， 在短波段区域，悬浮物的饱和浓度低。因此当水体中悬浮物浓度很高的时候，构造模型时应该选择长波范围的波段。但是悬浮物算法都具有时间和水域特殊性。虽然在特定的湖泊或湖泊群取得了可接受的精度结果，但是难以外推到其他湖泊。

四、内陆水体中黄色物质浓度的遥感定量监测

国内外对黄色物质的研究都是从海洋开始的。自Kalle(1949年)Zui先利用紫外线照射海水发现水体中存在黄色物质以来，很多学者对黄色物质的光学性质，尤其是其吸收特性进行了大量的研究，并且提出了适用于紫外和可见光波段的吸收曲线描述方程。

20世纪90年代以来，国外学者开始研究内陆水体中黄色物质的光吸收特性，并进行黄色物质的定量遥感监测。Pegau对美国爱达荷州的Pond湖中26个水样的黄色物质进行了s值测定。Gitelson通过对内陆水体水质参数光谱特征的分析和回归实验，提出了计算黄色物质的回归算法： CDOM = a×Zb ; 式中 a、b为通过回归计算可以得到的系数;z为一个对黄色物质Zui敏感，而对其它干扰因子Zui不敏感的波段反射率函数。利用波长为700、675、620、560、480、430 nm时的波段反射率比值或波段反射率加减比值进行黄色物质浓度反演，取得了较高的精度，CDOM的误差小于0.65 mg/cm3。 我国对内陆水体中的黄色物质方面的研究较少。

五、水质遥感监测常用的高光谱数据的获取

5.1 非成像光谱仪数据。非成像光谱仪主要指各种野外工作时用的地面光谱测量仪，地物的光谱反射率不以影像的形式记录，而以图形等非影像形式记录。常见的有ASD野外光谱仪、便携式超光谱仪等。

5.2 成像光谱仪数据。成像光谱仪也称高光谱成像仪，实质上是将二维图像和地物光谱测量结合起来的图谱合一的遥感技术，其光谱分辨率高达纳米数量级。高光谱成像的数据是一叠连续多个波段成像获得的样品的图像，就是俗称的图像立方体(Image cube)，见图一。获得这种图像立方体主要有三种方式：

 

图三：一种比较典型的高光谱图像立方体

第一种是航天级别的，如我国的神舟七号飞船就成安装类似的成像光谱仪。使用的成像光谱仪非常庞大，每次实验的费用非常巨大;

第二种是航空级别，使用小型飞机或无人机作为光谱仪的搭载平台，是目前主要的遥感成像工作方法。但是要获得比较好的实验结果并不容易，需要精确的GPS和惯导定位，高性能的计算机和高频率的拍摄速度。

第三种是地面级别，把推扫式成像光谱仪放置在地面，配备旋转位移台或线形位移台进行光谱扫描。现在已经有新型的地面成像光谱仪，如美国SOC710/SOC730等，利用仪器内部的扫描装置实现推扫成像，即光谱仪和被测物均不运动即可完成高光谱成像，而不需要配备位移台，这样就大大减轻了仪器重量，使用更为方便。

 

图四：成像光谱仪SOC710 Hyperspectral imager，内置扫描装置，不需位移云台

通过以上三种方式可进行水体水质进行高光谱成像遥感研究，对一些水质参数，如叶绿素浓度、悬浮物浓度、溶解性有机物进行估测。

高光谱遥感在内陆水体水质监测中的应用展示了水质遥感监测方法巨大的应用潜力和常规监测方法所无法比拟的优势，随着传感器技术的迅速发展，高分辨率、高光谱和多极化遥感数据将成为主流遥感信息源，为遥感走向微观定量水质监测提供了数据保证。