松樹水體反射光譜特征與葉綠素濃度關(guān)系的研究

松樹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)致水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致大量藻類物質(zhì)的繁殖。藻類物質(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)行水體富營養(yǎng)化程度的監(jiān)測評定。傳統(tǒng)實驗室分析方法耗費大量人力物力,不能適應(yīng)大范圍水體富營養(yǎng)化快速監(jiān)測的需要。遙感技術(shù)作為一種區(qū)域性水環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測手段,日益受到重視,北美和歐洲的一些國家早已開展了利用航空遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測湖泊群內(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)測的基礎(chǔ),通過兩者之間的關(guān)系建立計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)確地對研究區(qū)域葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測。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),研究兩者之間的關(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,126°41′～127°18′E,松花湖位置如圖1所示。流域面積42500km2,回水全長120km,南北長約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,對松花湖區(qū)的環(huán)境質(zhì)量及資源開發(fā)都產(chǎn)生了不利的影響,水質(zhì)狀況不容樂觀。3水體特征測定2008年7月在松花湖水域采集26個水體樣本,樣本點覆蓋區(qū)域較廣,分布較均勻,具有一定的典型代表性,采樣點位置如圖1所示。獲取樣本時進(jìn)行同步反射光譜的測量工作,并采用Promark2差分GPS系統(tǒng)來實現(xiàn)采樣點的精確定位(定位精度在0.3～3m之間)。水體反射光譜的測量使用美國ASD公司的便攜式分光輻射光譜儀,波長范圍350～2500nm,采樣時間10次/s,1m長標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭,25°前視場。測量光譜時天氣狀況良好,風(fēng)力微弱,天空云量很少,水面基本處于平靜狀態(tài)。光譜測量在船上進(jìn)行,儀器垂直于水面上方1m左右進(jìn)行探測,借助于參考板,儀器自動將水體向上輻射率轉(zhuǎn)化為水體的反射率。每個樣本點至少測量5次以上,最后取均值。葉綠素濃度數(shù)據(jù)在實驗室分析得到,首先對獲得的水體樣本進(jìn)行懸浮物濃度的測定,然后使用萃取—分光分度計法對水體樣本進(jìn)行處理后得到各個樣本點的葉綠素濃度。獲取本文涉及多種數(shù)據(jù)的設(shè)備和時間見表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)藻類密度較高時水體光譜反射率曲線在該處出現(xiàn)谷值;685～715nm存在一個明顯的反射峰,一般認(rèn)為是葉綠素a的熒光峰,且會隨著葉綠素a濃度的增加而向長波方向移動,該反射峰的出現(xiàn)是含藻類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的相關(guān)研究對葉綠素濃度與各波長點反射率作相關(guān)分析結(jié)果如圖3所示。同圖3可見,相關(guān)系數(shù)最大為0.8674左右,表明水體各波長點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)一個波峰,表明該處是一個較好的相關(guān)位置,反射率與葉綠素濃度成正比關(guān)系,這是因為葉綠素在該波長附近存在一個光譜反射峰?？偟膩碚f,葉綠素濃度與各波長點的反射率相關(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。而松花湖在本次實驗中水體內(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,說明二者之間相關(guān)性尚可。對于檢驗樣本點,估測模型的均方根誤差(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兩個波長處的反射率作比值,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,模型驗證的確定系數(shù)為0.8305,估測模型的均方根誤差(RMSE)為5.3520μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4517μg·L-1),表明R700/R670值可用來指示松花湖水體的葉綠素a濃度。但模型估測結(jié)果中有一個樣本的葉綠素a濃度較小為0.1263μg·L-1,這是由于這個樣本的實測葉綠素a濃度偏低,以至于估測結(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)通過對反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)運算,可以迅速地確定光譜彎曲點及最大最小反射率的波長位置,微分技術(shù)對光譜信噪比非常敏感,研究表明,光譜的低階微分處理對噪聲影響敏感性較低,因而在實際應(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、噪聲光譜對目標(biāo)光譜(必須為非線性的)的影響。在本研究中,對采集的全部光譜數(shù)據(jù)按公式(1)進(jìn)行了微分處理計算:R′(λ)=|R(λ+1)?R(λ?1)|2ΔλR′(λ)=|R(λ+1)-R(λ-1)|2Δλ(3)其中:R′(λ)為λ波長處光譜的一階微分,R(λ+1)和R(λ-1)分別為λ+1、λ-1波長處的反射率,Δλ指波長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顯示了模型驗證結(jié)果,對于檢驗樣本點來說,確定系數(shù)為0.8873,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測模型的均方根誤差(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,熒光峰位置會向長波方向移動。圖3顯示,松花湖基本符合這個趨勢。松花湖熒光峰大部分位于700nm波長前,并且有隨著葉綠素濃度的增加向700nm波長后發(fā)展的趨勢,如圖11所示。趙冬至在大連灣通過研究對不同藻類增加葉綠素發(fā)現(xiàn),每增加10μg·L-1葉綠素,不同藻類熒光峰的移動幅度基本上位于0.1～0.3nm之間。葉綠素濃度為3mg/m3時,峰的位置在680～683nm處,當(dāng)葉綠素濃度大于100mg/m3時,其位置移動到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),對處于0～120mg/m3富營養(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對富營養(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,表明這種方法對于葉綠素濃度的反演是有效的。圖12顯示了模型驗證結(jié)果,對于檢驗樣本點來說,確定系數(shù)為0.7562,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測模型的均方根誤差(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,一是計算熒光峰最大的反射率值與熒光峰處波段兩側(cè)的兩個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處整個光譜曲線的最大值上或R675上,即:分別用兩種方法計算熒光峰高度,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顯示了模型驗證結(jié)果,對于檢驗樣本點來說,確定系數(shù)為0.7380,達(dá)到極顯著相關(guān)(p<0.01),估測模型的均方根誤差(RMSE)為4.8864μg·L-1,小于樣本的極值差(24.2753～0.4