高光譜對水體藻類、懸浮物濃度和黃色物質(zhì)的遙感定量監(jiān)測
利用高光譜技術(shù)可對水體進(jìn)行光譜測量和同步采樣分析，對獲得的數(shù)據(jù)用光譜分離法進(jìn)行分析，從中分離出藍(lán)藻和懸浮物的特征波峰，建立波峰高度與同步水質(zhì)采樣得到的葉綠素-a濃度和懸浮物濃度的對應(yīng)關(guān)系，得出其遙感定量反演算法。
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圖一：水體的反射波譜特性曲線：藍(lán)、綠波段為反射帶;近、中紅外波段為完全吸收帶
Zui近十幾年內(nèi)陸水體的富營養(yǎng)化比較嚴(yán)重，藻類大量繁殖甚至形成水華災(zāi)害，對湖區(qū)的飲水、旅 游、養(yǎng)殖等主體功能造成了嚴(yán)重的損害，為把握水質(zhì)狀況，國家每年都要對典型湖泊的葉綠素-a和懸浮物等主要水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測，但傳統(tǒng)方法通過人工采樣、過濾、萃取及分光光度計分析確定濃度的監(jiān)測方法比較費時費力。高光譜遙感監(jiān)測方法可以反映水質(zhì)在空間和時間上的分布情況和變化，發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物遷移特征，而且具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢。遙感在內(nèi)陸水體研究中的應(yīng)用從Zui初的單純的水域識別逐漸發(fā)展到對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測、制圖和預(yù)測。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和對水質(zhì)參數(shù)光譜特征及算法研究的不斷深入，遙感監(jiān)測水質(zhì)逐漸從定性發(fā)展到定量，并且通過遙感可監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)種類逐漸增加，包括葉綠素a濃度、懸浮物濃度、黃色物質(zhì)濃度等，反演精度也不斷地提高。近年來，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用于水質(zhì)遙感監(jiān)測極大地提高了水質(zhì)參數(shù)的遙感估測精度。
一、遙感水質(zhì)監(jiān)測原理與方法
地物的波譜特性反映地物本身的屬性和狀態(tài)，不同的地物，波譜特性不同。水體的光譜特征是由其中的各種光學(xué)活性物質(zhì)對光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定的。通過遙感系統(tǒng)量測一定波長范圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特征是遙感監(jiān)測水體水質(zhì)的基礎(chǔ)。透射地球大氣的太陽輻射到達(dá)氣水界面，一部分被反射，另一部分折射進(jìn)入水體內(nèi)部，這部分入射光在水面下被多種分子選擇吸收和散射。內(nèi)陸水體中影響光譜反射率的物質(zhì)主要有3類：①浮游植物，主要是各種藻類;②由浮游植物死亡而產(chǎn)生的有機(jī)碎屑以及陸生或湖體底泥經(jīng)再懸浮而產(chǎn)生的無機(jī)懸浮顆粒，總稱為非色素懸浮物(以下簡稱懸浮物);③由黃腐酸、腐殖酸等組成的溶解性有機(jī)物，通常稱為黃色物質(zhì)。在這幾種物質(zhì)中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發(fā)生明顯吸收外，其余兩種物質(zhì)分別選擇吸收一定波長范圍的光，形成各自的特征吸收波譜。同時，這些物質(zhì)對光的散射使光改變方向，其中后向散射光與水底的反射光一起返回水面，通過水氣界面回到大氣中，是可以通過高光譜技術(shù)測到的部分。水體因為各組分及其含量的不同造成水體的吸收和散射的變化，使一定波長范圍的光譜反射率顯著不同，是定量估測內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)。
二、內(nèi)陸水體中葉綠素a濃度的遙感定量監(jiān)測
計算葉綠素a濃度的Zui佳波段的選取依賴于葉綠素a的濃度。葉綠素a在藍(lán)波段的440 nm附近和紅波 段的678 nm附近都有顯著的吸收，當(dāng)藻類密度較高時水體光譜反射曲線在這兩個波段附近出現(xiàn)吸收峰值。 550~570 nm附近的綠反射峰值可作為葉綠素a定量標(biāo)志，在685 nm附近，葉綠素a有明顯的熒光峰， 含藻類水體Zui顯著的光譜特征是在685~715 nm出現(xiàn)反射峰，其位置和峰值是葉綠素a濃度的指示。根據(jù) Gitelson的研究，當(dāng)葉綠素a的濃度從很低的值增加到100 g/L時，葉綠素的診斷波段向長波方向移動，反射峰從685 nm附近移動到715 nm附近。懸浮物濃度和葉綠素a濃度有很大的相關(guān)性，Pulliainen提出先根據(jù)懸浮物濃度對監(jiān)測水體進(jìn)行分類，再對不同的類別選擇合適的算法計算葉綠素a的濃度，可提高算法的精度。
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利用高光譜技術(shù)可對水體進(jìn)行光譜測量和同步采樣分析，對獲得的數(shù)據(jù)用光譜分離法進(jìn)行分析，從中分離出藍(lán)藻和懸浮物的特征波峰，建立波峰高度與同步水質(zhì)采樣得到的葉綠素-a濃度和懸浮物濃度的對應(yīng)關(guān)系，得出其遙感定量反演算法。
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圖一：水體的反射波譜特性曲線：藍(lán)、綠波段為反射帶;近、中紅外波段為完全吸收帶
Zui近十幾年內(nèi)陸水體的富營養(yǎng)化比較嚴(yán)重，藻類大量繁殖甚至形成水華災(zāi)害，對湖區(qū)的飲水、旅 游、養(yǎng)殖等主體功能造成了嚴(yán)重的損害，為把握水質(zhì)狀況，國家每年都要對典型湖泊的葉綠素-a和懸浮物等主要水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測，但傳統(tǒng)方法通過人工采樣、過濾、萃取及分光光度計分析確定濃度的監(jiān)測方法比較費時費力。高光譜遙感監(jiān)測方法可以反映水質(zhì)在空間和時間上的分布情況和變化，發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物遷移特征，而且具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢。遙感在內(nèi)陸水體研究中的應(yīng)用從Zui初的單純的水域識別逐漸發(fā)展到對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測、制圖和預(yù)測。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和對水質(zhì)參數(shù)光譜特征及算法研究的不斷深入，遙感監(jiān)測水質(zhì)逐漸從定性發(fā)展到定量，并且通過遙感可監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)種類逐漸增加，包括葉綠素a濃度、懸浮物濃度、黃色物質(zhì)濃度等，反演精度也不斷地提高。近年來，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用于水質(zhì)遙感監(jiān)測極大地提高了水質(zhì)參數(shù)的遙感估測精度。
一、遙感水質(zhì)監(jiān)測原理與方法
地物的波譜特性反映地物本身的屬性和狀態(tài)，不同的地物，波譜特性不同。水體的光譜特征是由其中的各種光學(xué)活性物質(zhì)對光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定的。通過遙感系統(tǒng)量測一定波長范圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特征是遙感監(jiān)測水體水質(zhì)的基礎(chǔ)。透射地球大氣的太陽輻射到達(dá)氣水界面，一部分被反射，另一部分折射進(jìn)入水體內(nèi)部，這部分入射光在水面下被多種分子選擇吸收和散射。內(nèi)陸水體中影響光譜反射率的物質(zhì)主要有3類：①浮游植物，主要是各種藻類;②由浮游植物死亡而產(chǎn)生的有機(jī)碎屑以及陸生或湖體底泥經(jīng)再懸浮而產(chǎn)生的無機(jī)懸浮顆粒，總稱為非色素懸浮物(以下簡稱懸浮物);③由黃腐酸、腐殖酸等組成的溶解性有機(jī)物，通常稱為黃色物質(zhì)。在這幾種物質(zhì)中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發(fā)生明顯吸收外，其余兩種物質(zhì)分別選擇吸收一定波長范圍的光，形成各自的特征吸收波譜。同時，這些物質(zhì)對光的散射使光改變方向，其中后向散射光與水底的反射光一起返回水面，通過水氣界面回到大氣中，是可以通過高光譜技術(shù)測到的部分。水體因為各組分及其含量的不同造成水體的吸收和散射的變化，使一定波長范圍的光譜反射率顯著不同，是定量估測內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)。
二、內(nèi)陸水體中葉綠素a濃度的遙感定量監(jiān)測
計算葉綠素a濃度的Zui佳波段的選取依賴于葉綠素a的濃度。葉綠素a在藍(lán)波段的440 nm附近和紅波 段的678 nm附近都有顯著的吸收，當(dāng)藻類密度較高時水體光譜反射曲線在這兩個波段附近出現(xiàn)吸收峰值。 550~570 nm附近的綠反射峰值可作為葉綠素a定量標(biāo)志，在685 nm附近，葉綠素a有明顯的熒光峰， 含藻類水體Zui顯著的光譜特征是在685~715 nm出現(xiàn)反射峰，其位置和峰值是葉綠素a濃度的指示。根據(jù) Gitelson的研究，當(dāng)葉綠素a的濃度從很低的值增加到100 g/L時，葉綠素的診斷波段向長波方向移動，反射峰從685 nm附近移動到715 nm附近。懸浮物濃度和葉綠素a濃度有很大的相關(guān)性，Pulliainen提出先根據(jù)懸浮物濃度對監(jiān)測水體進(jìn)行分類，再對不同的類別選擇合適的算法計算葉綠素a的濃度，可提高算法的精度。
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圖二：不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線
對不同湖泊進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時，常用的方法是對近紅外與紅波段的反射率比值、紅波段和藍(lán)波段的反射率比值、660~680 nm和685~715 nm附近的波段的各種組合進(jìn)行試驗，找出Zui佳的波段組合。監(jiān)測方法可根據(jù)湖泊的營養(yǎng)狀況對湖泊進(jìn)行預(yù)分類，然后對不同的湖泊類型選擇不同的算法提高算法的精度和普遍適用性。
三、內(nèi)陸水體中懸浮物濃度的遙感定量監(jiān)測
內(nèi)陸水體中懸浮物濃度是Zui先被遙感估測的水質(zhì)參數(shù)，懸浮物濃度、顆粒大小和其組成是影響懸浮物光譜反射的主要因素。Carpenter的研究證明了遙感定量監(jiān)測懸浮物含量的可行性。Kallio等利用AISA成像光譜數(shù)據(jù)研究芬蘭南部湖泊，結(jié)果表明估測懸浮物的Zui佳算法可利用單波段705~714 nm的反射率R705-7l4得到。Gitelson等的研究表明500~600 nm波段適合用來監(jiān)測懸浮物，700~900nm波段范圍反射率對懸浮物濃度變化敏感，是遙感估算懸浮物濃度的Zui佳波段。在可見光及近紅外波段范圍，隨懸浮物含量的增加，水體的反射率增加且隨著懸浮物濃度的增大，反射峰位置向長波方向移動。
懸浮物濃度在0.50 mg/L的范圍時，任何波段的反射率和懸浮物濃度都呈顯著相關(guān)，但隨著水體中懸浮物濃度的增加，由懸浮物引起的反射輻射將會達(dá)到飽和，在不同的波段范圍，懸浮物的飽和濃度是不一樣的， 在短波段區(qū)域，懸浮物的飽和濃度低。因此當(dāng)水體中懸浮物濃度很高的時候，構(gòu)造模型時應(yīng)該選擇長波范圍的波段。但是懸浮物算法都具有時間和水域特殊性。雖然在特定的湖泊或湖泊群取得了可接受的精度結(jié)果，但是難以外推到其他湖泊。
四、內(nèi)陸水體中黃色物質(zhì)濃度的遙感定量監(jiān)測
國內(nèi)外對黃色物質(zhì)的研究都是從海洋開始的。自Kalle(1949年)Zui先利用紫外線照射海水發(fā)現(xiàn)水體中存在黃色物質(zhì)以來，很多學(xué)者對黃色物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，尤其是其吸收特性進(jìn)行了大量的研究，并且提出了適用于紫外和可見光波段的吸收曲線描述方程。
20世紀(jì)90年代以來，國外學(xué)者開始研究內(nèi)陸水體中黃色物質(zhì)的光吸收特性，并進(jìn)行黃色物質(zhì)的定量遙感監(jiān)測。Pegau對美國愛達(dá)荷州的Pond湖中26個水樣的黃色物質(zhì)進(jìn)行了s值測定。Gitelson通過對內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)光譜特征的分析和回歸實驗，提出了計算黃色物質(zhì)的回歸算法： CDOM = a×Zb ; 式中 a、b為通過回歸計算可以得到的系數(shù);z為一個對黃色物質(zhì)Zui敏感，而對其它干擾因子Zui不敏感的波段反射率函數(shù)。利用波長為700、675、620、560、480、430 nm時的波段反射率比值或波段反射率加減比值進(jìn)行黃色物質(zhì)濃度反演，取得了較高的精度，CDOM的誤差小于0.65 mg/cm3。 我國對內(nèi)陸水體中的黃色物質(zhì)方面的研究較少。
五、水質(zhì)遙感監(jiān)測常用的高光譜數(shù)據(jù)的獲取
5.1 非成像光譜儀數(shù)據(jù)。非成像光譜儀主要指各種野外工作時用的地面光譜測量儀，地物的光譜反射率不以影像的形式記錄，而以圖形等非影像形式記錄。常見的有ASD野外光譜儀、便攜式超光譜儀等。
5.2 成像光譜儀數(shù)據(jù)。成像光譜儀也稱高光譜成像儀，實質(zhì)上是將二維圖像和地物光譜測量結(jié)合起來的圖譜合一的遙感技術(shù)，其光譜分辨率高達(dá)納米數(shù)量級。高光譜成像的數(shù)據(jù)是一疊連續(xù)多個波段成像獲得的樣品的圖像，就是俗稱的圖像立方體(Image cube)，見圖一。獲得這種圖像立方體主要有三種方式：
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圖三：一種比較典型的高光譜圖像立方體
第一種是航天級別的，如我國的神舟七號飛船就成安裝類似的成像光譜儀。使用的成像光譜儀非常龐大，每次實驗的費用非常巨大;
第二種是航空級別，使用小型飛機(jī)或無人機(jī)作為光譜儀的搭載平臺，是目前主要的遙感成像工作方法。但是要獲得比較好的實驗結(jié)果并不容易，需要精確的GPS和慣導(dǎo)定位，高性能的計算機(jī)和高頻率的拍攝速度。
第三種是地面級別，把推掃式成像光譜儀放置在地面，配備旋轉(zhuǎn)位移臺或線形位移臺進(jìn)行光譜掃描?，F(xiàn)在已經(jīng)有新型的地面成像光譜儀，如美國SOC710/SOC730等，利用儀器內(nèi)部的掃描裝置實現(xiàn)推掃成像，即光譜儀和被測物均不運動即可完成高光譜成像，而不需要配備位移臺，這樣就大大減輕了儀器重量，使用更為方便。
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圖四：成像光譜儀SOC710 Hyperspectral imager，內(nèi)置掃描裝置，不需位移云臺
通過以上三種方式可進(jìn)行水體水質(zhì)進(jìn)行高光譜成像遙感研究，對一些水質(zhì)參數(shù)，如葉綠素濃度、懸浮物濃度、溶解性有機(jī)物進(jìn)行估測。
高光譜遙感在內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用展示了水質(zhì)遙感監(jiān)測方法巨大的應(yīng)用潛力和常規(guī)監(jiān)測方法所無法比擬的優(yōu)勢，隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率、高光譜和多極化遙感數(shù)據(jù)將成為主流遙感信息源，為遙感走向微觀定量水質(zhì)監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)保證。
圖二：不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線
對不同湖泊進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時，常用的方法是對近紅外與紅波段的反射率比值、紅波段和藍(lán)波段的反射率比值、660~680 nm和685~715 nm附近的波段的各種組合進(jìn)行試驗，找出Zui佳的波段組合。監(jiān)測方法可根據(jù)湖泊的營養(yǎng)狀況對湖泊進(jìn)行預(yù)分類，然后對不同的湖泊類型選擇不同的算法提高算法的精度和普遍適用性。
三、內(nèi)陸水體中懸浮物濃度的遙感定量監(jiān)測
內(nèi)陸水體中懸浮物濃度是Zui先被遙感估測的水質(zhì)參數(shù)，懸浮物濃度、顆粒大小和其組成是影響懸浮物光譜反射的主要因素。Carpenter的研究證明了遙感定量監(jiān)測懸浮物含量的可行性。Kallio等利用AISA成像光譜數(shù)據(jù)研究芬蘭南部湖泊，結(jié)果表明估測懸浮物的Zui佳算法可利用單波段705~714 nm的反射率R705-7l4得到。Gitelson等的研究表明500~600 nm波段適合用來監(jiān)測懸浮物，700~900nm波段范圍反射率對懸浮物濃度變化敏感，是遙感估算懸浮物濃度的Zui佳波段。在可見光及近紅外波段范圍，隨懸浮物含量的增加，水體的反射率增加且隨著懸浮物濃度的增大，反射峰位置向長波方向移動。
懸浮物濃度在0.50 mg/L的范圍時，任何波段的反射率和懸浮物濃度都呈顯著相關(guān)，但隨著水體中懸浮物濃度的增加，由懸浮物引起的反射輻射將會達(dá)到飽和，在不同的波段范圍，懸浮物的飽和濃度是不一樣的， 在短波段區(qū)域，懸浮物的飽和濃度低。因此當(dāng)水體中懸浮物濃度很高的時候，構(gòu)造模型時應(yīng)該選擇長波范圍的波段。但是懸浮物算法都具有時間和水域特殊性。雖然在特定的湖泊或湖泊群取得了可接受的精度結(jié)果，但是難以外推到其他湖泊。
四、內(nèi)陸水體中黃色物質(zhì)濃度的遙感定量監(jiān)測
國內(nèi)外對黃色物質(zhì)的研究都是從海洋開始的。自Kalle(1949年)Zui先利用紫外線照射海水發(fā)現(xiàn)水體中存在黃色物質(zhì)以來，很多學(xué)者對黃色物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，尤其是其吸收特性進(jìn)行了大量的研究，并且提出了適用于紫外和可見光波段的吸收曲線描述方程。
20世紀(jì)90年代以來，國外學(xué)者開始研究內(nèi)陸水體中黃色物質(zhì)的光吸收特性，并進(jìn)行黃色物質(zhì)的定量遙感監(jiān)測。Pegau對美國愛達(dá)荷州的Pond湖中26個水樣的黃色物質(zhì)進(jìn)行了s值測定。Gitelson通過對內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)光譜特征的分析和回歸實驗，提出了計算黃色物質(zhì)的回歸算法： CDOM = a×Zb ; 式中 a、b為通過回歸計算可以得到的系數(shù);z為一個對黃色物質(zhì)Zui敏感，而對其它干擾因子Zui不敏感的波段反射率函數(shù)。利用波長為700、675、620、560、480、430 nm時的波段反射率比值或波段反射率加減比值進(jìn)行黃色物質(zhì)濃度反演，取得了較高的精度，CDOM的誤差小于0.65 mg/cm3。 我國對內(nèi)陸水體中的黃色物質(zhì)方面的研究較少。
五、水質(zhì)遙感監(jiān)測常用的高光譜數(shù)據(jù)的獲取
5.1 非成像光譜儀數(shù)據(jù)。非成像光譜儀主要指各種野外工作時用的地面光譜測量儀，地物的光譜反射率不以影像的形式記錄，而以圖形等非影像形式記錄。常見的有ASD野外光譜儀、便攜式超光譜儀等。
5.2 成像光譜儀數(shù)據(jù)。成像光譜儀也稱高光譜成像儀，實質(zhì)上是將二維圖像和地物光譜測量結(jié)合起來的圖譜合一的遙感技術(shù)，其光譜分辨率高達(dá)納米數(shù)量級。高光譜成像的數(shù)據(jù)是一疊連續(xù)多個波段成像獲得的樣品的圖像，就是俗稱的圖像立方體(Image cube)，見圖一。獲得這種圖像立方體主要有三種方式：
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圖三：一種比較典型的高光譜圖像立方體
第一種是航天級別的，如我國的神舟七號飛船就成安裝類似的成像光譜儀。使用的成像光譜儀非常龐大，每次實驗的費用非常巨大;
第二種是航空級別，使用小型飛機(jī)或無人機(jī)作為光譜儀的搭載平臺，是目前主要的遙感成像工作方法。但是要獲得比較好的實驗結(jié)果并不容易，需要精確的GPS和慣導(dǎo)定位，高性能的計算機(jī)和高頻率的拍攝速度。
第三種是地面級別，把推掃式成像光譜儀放置在地面，配備旋轉(zhuǎn)位移臺或線形位移臺進(jìn)行光譜掃描?，F(xiàn)在已經(jīng)有新型的地面成像光譜儀，如美國SOC710/SOC730等，利用儀器內(nèi)部的掃描裝置實現(xiàn)推掃成像，即光譜儀和被測物均不運動即可完成高光譜成像，而不需要配備位移臺，這樣就大大減輕了儀器重量，使用更為方便。
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圖四：成像光譜儀SOC710 Hyperspectral imager，內(nèi)置掃描裝置，不需位移云臺
通過以上三種方式可進(jìn)行水體水質(zhì)進(jìn)行高光譜成像遙感研究，對一些水質(zhì)參數(shù)，如葉綠素濃度、懸浮物濃度、溶解性有機(jī)物進(jìn)行估測。
高光譜遙感在內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用展示了水質(zhì)遙感監(jiān)測方法巨大的應(yīng)用潛力和常規(guī)監(jiān)測方法所無法比擬的優(yōu)勢，隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率、高光譜和多極化遙感數(shù)據(jù)將成為主流遙感信息源，為遙感走向微觀定量水質(zhì)監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)保證。