武汉东湖叶绿素a和悬浮物浓度的高光谱遥感反演模型研究

武汉东湖叶绿素a和悬浮物浓度的高光谱遥感反演模型研究 摘要：本文以武汉东湖为实验区，以主要水质遥感监测指标叶绿素a和悬浮物为主要研究对象，利用水体光谱数据和同步观测的水质参数浓度数据，研究了东湖叶绿素a和悬浮物定量遥感反演特征波段与波段组合，在此基础上构建了经验模型。

关键词：东湖 叶绿素a 悬浮物 高光谱遥感 经验模型 湖泊是地球上重要的淡水资源。然而近年来，在自然因素和人为因素的共同作用下，我国特别是长江中下游湖泊水环境变化剧烈，面积持续萎缩，湖泊水质持续恶化，湖泊水质问题的解决迫在眉睫。水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据。与传统的水质监测方法相比，水质遥感监测具有明显的优势。水质遥感监测是通过研究水体反射光谱特征与水质参数浓度之间的关系，建立水质参数反演算法实现的[1]，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。

叶绿素a（Chlorophyll-a，缩写为Chl-a）和悬浮物（Suspended Sediment，缩写为SS）是主要的水质监测指标，二者浓度的高低极大的影响着水体光学特性。以地面实测高光谱数据、同步水质数据为基础，研究内陆水体叶绿素a和悬浮物浓度定量遥感的最佳波段和模型，对推进湖泊水质遥感具有重要意义。

1 数据获取与分析

本文以典型内陆湖泊—东湖作为研究区，在污染较严重的郭郑湖和庙湖湖区布设了10个采样点位（采样点空间位置如图1所示），于2007年1月、3月、4月和2010年3月、4月、5月在采样点测量了水面光谱数据和同步水质参数数据。水面光谱数据测量采用“水面以上法”[2-3]，使用的光谱仪是美国StellarNet公司生产的EPP2000微型光纤光谱仪和美国ASD公司生产的野外分光辐射光谱仪FieldSpec Pro。其中2007年光谱数据测量使用EPP2000微型光纤光谱仪，而2010年则是ASD FieldSpec光谱仪。在每个采样点同步测量水质参数，即叶绿素a浓度和悬浮物浓度，使用的水质参数测量仪是美国哈希（Hach）公司研制的Hydrolab DS5多参数水质监测仪。每个采样点连续测量30组数据，取其平均值作为该点的水质参数值。

2 反演模型

2.1 光谱特征分析

水中的各种物质对光辐射的吸收和散射性质决定了水体的光谱特征，这是水质参数反演的基础。除了纯水本身，叶绿素a、悬浮物和黄色物质是影响水体光谱的主要物质。为了选出最佳波段组合，优化水质参数反演模型，特别是适合研究区的经验模型，我们有必要分析目标水体及其主要组分的光谱特征。

2.1.1 东湖水体反射光谱特征

本文测得的东湖水体遥感反射率光谱如图2所示。整体而言，测得的遥感反射率小于0.025，而悬浮物浓度范围为5~50mg/m3，属中低浓度泥沙水体。这与唐军武等人的结论是一致的，即一般而言，除了高浓度泥沙水体，水体的遥感反射率小于0.051[3]。东湖水体反射光谱曲线具有内陆水体的典型特征：400~500nm反射率低；550~580nm以及700nm附近出现明显的反射峰；625nm附近出现反射率谷值或呈肩状；670nm附近出现明显吸收峰。

由于在不同点位不同时间进行水面反射光谱测量时，环境遮挡、测量角度以及光照条件等因素的变化都会影响反射率绝对数值的大小。对水体遥感反射率数据进行归一化处理有利于减小这些影响，便于比较不同测量条件下的结果。由于测量仪器的限制，各个波段间的信噪比都不相同。在水体光谱数据的处理中，我们一般选择400~800nm波段范围进行归一化处理。

2.1.2 单波段相关分析

将所有采样点的归一化遥感反射率数据与同步水质参数数据及其对数数据进行单波段相关分析，寻找水体归一化遥感反射率与水质参数浓度之间的最大相关波段。单波段相关分析结果如图3所示，其中Rn-C、Rn-lnC分别表示归一化遥感反射率数据与水质参数数据和水质参数数据的对数的相关系数；下标chl、sst分别表示叶绿素与悬浮物。分析结果表明，710nm和570nm是两种水质参数共同的敏感波段，而762nm波段则是悬浮物特有的敏感波段。整体而言，归一化光谱数据与水质参数的原始浓度的相关性要强于其与水质参数浓度对数的相关性。然而，前者只略有优势，不足以做出取舍，因此，在下文的波段组合相关分析中仍将对二者分别加以分析。

2.1.3 波段组合相关分析