高光譜技術對水體藻類、懸浮物濃度和黃色物質的遙感定量監測

　　利用高光譜技術可對水體進行光譜測量和同步採樣分析，對獲得的數據用光譜分離法進行分析，從中分離出藍藻和懸浮物的特徵波峰，建立波峰高度與同步水質採樣得到的葉綠素-a濃度和懸浮物濃度的對應關係，得出其遙感定量反演算法。

　　圖一：水體的反射波譜特性曲線：藍、綠波段為反射帶;近、中紅外波段為完全吸收帶

　　最近十幾年內陸水體的富營養化比較嚴重，藻類大量繁殖甚至形成水華災害，對湖區的飲水、旅 遊、養殖等主體功能造成了嚴重的損害，為把握水質狀況，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參數進行檢測，但傳統方法通過人工採樣、過濾、萃取及分光光度計分析確定濃度的監測方法比較費時費力。高光譜遙感監測方法可以反映水質在空間和時間上的分布情況和變化，發現一些常規方法難以揭示的汙染源和汙染物遷移特徵，而且具有監測範圍廣、速度快、成本低和便於進行長期動態監測的優勢。遙感在內陸水體研究中的應用從最初的單純的水域識別逐漸發展到對水質參數進行遙感監測、製圖和預測。隨著遙感技術的不斷發展和對水質參數光譜特徵及算法研究的不斷深入，遙感監測水質逐漸從定性發展到定量，並且通過遙感可監測的水質參數種類逐漸增加，包括葉綠素a濃度、懸浮物濃度、黃色物質濃度等，反演精度也不斷地提高。近年來，高光譜遙感技術的發展和應用於水質遙感監測極大地提高了水質參數的遙感估測精度。

　　一、遙感水質監測原理與方法

　　地物的波譜特性反映地物本身的屬性和狀態，不同的地物，波譜特性不同。水體的光譜特徵是由其中的各種光學活性物質對光輻射的吸收和散射性質決定的。通過遙感系統量測一定波長範圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特徵是遙感監測水體水質的基礎。透射地球大氣的太陽輻射到達氣水界面，一部分被反射，另一部分折射進入水體內部，這部分入射光在水面下被多種分子選擇吸收和散射。內陸水體中影響光譜反射率的物質主要有3類：①浮遊植物，主要是各種藻類;②由浮遊植物死亡而產生的有機碎屑以及陸生或湖體底泥經再懸浮而產生的無機懸浮顆粒，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物，通常稱為黃色物質。在這幾種物質中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發生明顯吸收外，其餘兩種物質分別選擇吸收一定波長範圍的光，形成各自的特徵吸收波譜。同時，這些物質對光的散射使光改變方向，其中後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，使一定波長範圍的光譜反射率顯著不同，是定量估測內陸水體水質參數的基礎。

　　二、內陸水體中葉綠素a濃度的遙感定量監測

　　計算葉綠素a濃度的最佳波段的選取依賴於葉綠素a的濃度。葉綠素a在藍波段的440 nm附近和紅波 段的678 nm附近都有顯著的吸收，當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定量標誌，在685 nm附近，葉綠素a有明顯的螢光峰， 含藻類水體最顯著的光譜特徵是在685~715 nm出現反射峰，其位置和峰值是葉綠素a濃度的指示。根據 Gitelson的研究，當葉綠素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濃度有很大的相關性，Pulliainen提出先根據懸浮物濃度對監測水體進行分類，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。

　　利用高光譜技術可對水體進行光譜測量和同步採樣分析，對獲得的數據用光譜分離法進行分析，從中分離出藍藻和懸浮物的特徵波峰，建立波峰高度與同步水質採樣得到的葉綠素-a濃度和懸浮物濃度的對應關係，得出其遙感定量反演算法。

　　圖一：水體的反射波譜特性曲線：藍、綠波段為反射帶;近、中紅外波段為完全吸收帶

　　最近十幾年內陸水體的富營養化比較嚴重，藻類大量繁殖甚至形成水華災害，對湖區的飲水、旅 遊、養殖等主體功能造成了嚴重的損害，為把握水質狀況，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參數進行檢測，但傳統方法通過人工採樣、過濾、萃取及分光光度計分析確定濃度的監測方法比較費時費力。高光譜遙感監測方法可以反映水質在空間和時間上的分布情況和變化，發現一些常規方法難以揭示的汙染源和汙染物遷移特徵，而且具有監測範圍廣、速度快、成本低和便於進行長期動態監測的優勢。遙感在內陸水體研究中的應用從最初的單純的水域識別逐漸發展到對水質參數進行遙感監測、製圖和預測。隨著遙感技術的不斷發展和對水質參數光譜特徵及算法研究的不斷深入，遙感監測水質逐漸從定性發展到定量，並且通過遙感可監測的水質參數種類逐漸增加，包括葉綠素a濃度、懸浮物濃度、黃色物質濃度等，反演精度也不斷地提高。近年來，高光譜遙感技術的發展和應用於水質遙感監測極大地提高了水質參數的遙感估測精度。

　　一、遙感水質監測原理與方法

　　地物的波譜特性反映地物本身的屬性和狀態，不同的地物，波譜特性不同。水體的光譜特徵是由其中的各種光學活性物質對光輻射的吸收和散射性質決定的。通過遙感系統量測一定波長範圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特徵是遙感監測水體水質的基礎。透射地球大氣的太陽輻射到達氣水界面，一部分被反射，另一部分折射進入水體內部，這部分入射光在水面下被多種分子選擇吸收和散射。內陸水體中影響光譜反射率的物質主要有3類：①浮遊植物，主要是各種藻類;②由浮遊植物死亡而產生的有機碎屑以及陸生或湖體底泥經再懸浮而產生的無機懸浮顆粒，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物，通常稱為黃色物質。在這幾種物質中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發生明顯吸收外，其餘兩種物質分別選擇吸收一定波長範圍的光，形成各自的特徵吸收波譜。同時，這些物質對光的散射使光改變方向，其中後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，使一定波長範圍的光譜反射率顯著不同，是定量估測內陸水體水質參數的基礎。

　　二、內陸水體中葉綠素a濃度的遙感定量監測

　　計算葉綠素a濃度的最佳波段的選取依賴於葉綠素a的濃度。葉綠素a在藍波段的440 nm附近和紅波 段的678 nm附近都有顯著的吸收，當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定量標誌，在685 nm附近，葉綠素a有明顯的螢光峰， 含藻類水體最顯著的光譜特徵是在685~715 nm出現反射峰，其位置和峰值是葉綠素a濃度的指示。根據 Gitelson的研究，當葉綠素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濃度有很大的相關性，Pulliainen提出先根據懸浮物濃度對監測水體進行分類，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。

　　圖二：不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線

　　對不同湖泊進行水質監測時，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行試驗，找出最佳的波段組合。監測方法可根據湖泊的營養狀況對湖泊進行預分類，然後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、內陸水體中懸浮物濃度的遙感定量監測

　　內陸水體中懸浮物濃度是最先被遙感估測的水質參數，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測懸浮物含量的可行性。Kallio等利用AISA成像光譜數據研究芬蘭南部湖泊，結果表明估測懸浮物的最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波段適合用來監測懸浮物，700~900nm波段範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最佳波段。在可見光及近紅外波段範圍，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的範圍時，任何波段的反射率和懸浮物濃度都呈顯著相關，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到飽和，在不同的波段範圍，懸浮物的飽和濃度是不一樣的， 在短波段區域，懸浮物的飽和濃度低。因此當水體中懸浮物濃度很高的時候，構造模型時應該選擇長波範圍的波段。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果，但是難以外推到其他湖泊。

　　四、內陸水體中黃色物質濃度的遙感定量監測

　　國內外對黃色物質的研究都是從海洋開始的。自Kalle(1949年)最先利用紫外線照射海水發現水體中存在黃色物質以來，很多學者對黃色物質的光學性質，尤其是其吸收特性進行了大量的研究，並且提出了適用於紫外和可見光波段的吸收曲線描述方程。

　　20世紀90年代以來，國外學者開始研究內陸水體中黃色物質的光吸收特性，並進行黃色物質的定量遙感監測。Pegau對美國愛達荷州的Pond湖中26個水樣的黃色物質進行了s值測定。Gitelson通過對內陸水體水質參數光譜特徵的分析和回歸實驗，提出了計算黃色物質的回歸算法： CDOM = a×Zb ; 式中 a、b為通過回歸計算可以得到的係數;z為一個對黃色物質最敏感，而對其它幹擾因子最不敏感的波段反射率函數。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行黃色物質濃度反演，取得了較高的精度，CDOM的誤差小於0.65 mg/cm3。 我國對內陸水體中的黃色物質方面的研究較少。

　　五、水質遙感監測常用的高光譜數據的獲取

　　5.1 非成像光譜儀數據。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、可攜式超光譜儀等。

　　5.2 成像光譜儀數據。成像光譜儀也稱高光譜成像儀，實質上是將二維圖像和地物光譜測量結合起來的圖譜合一的遙感技術，其光譜解析度高達納米數量級。高光譜成像的數據是一疊連續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：

　　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，使用小型飛機或無人機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果並不　容易，需要精確的GPS和慣導定位，高性能的計算機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，配備旋轉位移臺或線形位移臺進行光譜掃描。現在已經有新型的地面成像光譜儀，如美國SOC710/SOC730等，利用儀器內部的掃描裝置實現推掃成像，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。

　　圖四：成像光譜儀SOC710 Hyperspectral imager，內置掃描裝置，不需位移雲臺

　　通過以上三種方式可進行水體水質進行高光譜成像遙感研究，對一些水質參數，如葉綠素濃度、懸浮物濃度、溶解性有機物進行估測。

　　高光譜遙感在內陸水體水質監測中的應用展示了水質遙感監測方法巨大的應用潛力和常規監測方法所無法比擬的優勢，隨著傳感器技術的迅速發展，高解析度、高光譜和多極化遙感數據將成為主流遙感信息源，為遙感走向微觀定量水質監測提供了數據保證。

　　圖二：不同葉綠素含量水體的反射光譜曲線

　　對不同湖泊進行水質監測時，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行試驗，找出最佳的波段組合。監測方法可根據湖泊的營養狀況對湖泊進行預分類，然後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、內陸水體中懸浮物濃度的遙感定量監測

　　內陸水體中懸浮物濃度是最先被遙感估測的水質參數，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測懸浮物含量的可行性。Kallio等利用AISA成像光譜數據研究芬蘭南部湖泊，結果表明估測懸浮物的最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波段適合用來監測懸浮物，700~900nm波段範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最佳波段。在可見光及近紅外波段範圍，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的範圍時，任何波段的反射率和懸浮物濃度都呈顯著相關，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到飽和，在不同的波段範圍，懸浮物的飽和濃度是不一樣的， 在短波段區域，懸浮物的飽和濃度低。因此當水體中懸浮物濃度很高的時候，構造模型時應該選擇長波範圍的波段。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果，但是難以外推到其他湖泊。

　　四、內陸水體中黃色物質濃度的遙感定量監測

　　國內外對黃色物質的研究都是從海洋開始的。自Kalle(1949年)最先利用紫外線照射海水發現水體中存在黃色物質以來，很多學者對黃色物質的光學性質，尤其是其吸收特性進行了大量的研究，並且提出了適用於紫外和可見光波段的吸收曲線描述方程。

　　20世紀90年代以來，國外學者開始研究內陸水體中黃色物質的光吸收特性，並進行黃色物質的定量遙感監測。Pegau對美國愛達荷州的Pond湖中26個水樣的黃色物質進行了s值測定。Gitelson通過對內陸水體水質參數光譜特徵的分析和回歸實驗，提出了計算黃色物質的回歸算法： CDOM = a×Zb ; 式中 a、b為通過回歸計算可以得到的係數;z為一個對黃色物質最敏感，而對其它幹擾因子最不敏感的波段反射率函數。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行黃色物質濃度反演，取得了較高的精度，CDOM的誤差小於0.65 mg/cm3。 我國對內陸水體中的黃色物質方面的研究較少。

　　五、水質遙感監測常用的高光譜數據的獲取

　　5.1 非成像光譜儀數據。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、可攜式超光譜儀等。

　　5.2 成像光譜儀數據。成像光譜儀也稱高光譜成像儀，實質上是將二維圖像和地物光譜測量結合起來的圖譜合一的遙感技術，其光譜解析度高達納米數量級。高光譜成像的數據是一疊連續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：

　　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，使用小型飛機或無人機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果並不　容易，需要精確的GPS和慣導定位，高性能的計算機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，配備旋轉位移臺或線形位移臺進行光譜掃描。現在已經有新型的地面成像光譜儀，如美國SOC710/SOC730等，利用儀器內部的掃描裝置實現推掃成像，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。

　　圖四：成像光譜儀SOC710 Hyperspectral imager，內置掃描裝置，不需位移雲臺

　　通過以上三種方式可進行水體水質進行高光譜成像遙感研究，對一些水質參數，如葉綠素濃度、懸浮物濃度、溶解性有機物進行估測。

　　高光譜遙感在內陸水體水質監測中的應用展示了水質遙感監測方法巨大的應用潛力和常規監測方法所無法比擬的優勢，隨著傳感器技術的迅速發展，高解析度、高光譜和多極化遙感數據將成為主流遙感信息源，為遙感走向微觀定量水質監測提供了數據保證。