基于四波段模型的巢湖水體藻藍(lán)素濃度反演

徐 升，顧長(zhǎng)梅，錢(qián)貞兵，張 運(yùn)

(1.安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽 合肥 230000；2.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；3.安徽省自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

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基于四波段模型的巢湖水體藻藍(lán)素濃度反演

徐 升1，顧長(zhǎng)梅2,3，錢(qián)貞兵1，張 運(yùn)2,3

(1.安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，安徽 合肥 230000；2.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；3.安徽省自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

指出了近些年安徽巢湖大部分湖區(qū)表現(xiàn)出中度及以上的富營(yíng)養(yǎng)化水平，尤其是在夏季更為嚴(yán)重，這一嚴(yán)重問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。以巢湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，借助野外實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)和試驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，分析了浮游植物光譜吸收特性、水體反射光譜特征和水質(zhì)參數(shù)濃度之間的相互關(guān)系，系統(tǒng)地比較了浮游植物光譜吸收aph(665)的四波段模型和Simis的 aph(665)模型，將最優(yōu)的aph(665)模型對(duì)Simis藻藍(lán)素模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果表明：①aph(665)的四波段模型的精度和穩(wěn)定性要明顯好于Simis的 aph(665)模型，其R2為0.8402，RMSE為0.394m-1，MRE為8.05%；②驗(yàn)證優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型在巢湖水域反演藻藍(lán)素的精度：相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.8703，反演取得較好的結(jié)果。該模型可為巢湖的藍(lán)藻暴發(fā)遙感監(jiān)測(cè)及保護(hù)管理提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

四波段模型；巢湖；藻藍(lán)素；浮游植物光譜吸收

1　引言

現(xiàn)今在研究水體藍(lán)藻遙感監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域范圍內(nèi)，眾學(xué)者常以葉綠素a作為浮游植物物質(zhì)的一個(gè)參數(shù)，偏向針對(duì)葉綠素a濃度的估算方法、反演模型的建立和改進(jìn)[1～3]。但是，相關(guān)學(xué)者已指出藻藍(lán)素才是藍(lán)藻的最標(biāo)志性的色素，而葉綠素a是一切真核藻類(lèi)的共同色素，不具有特殊性[4，5]。水質(zhì)參數(shù)的估算常用半經(jīng)驗(yàn)/半分析方法，周琳等[6]對(duì)太湖葉綠素a濃度反演模型研究中，分別比較了兩波段、三波段、改進(jìn)三波段和四波段模型，結(jié)果表明四波段模型反演效果最好；Simis[7，8](2005,2007)基于MERIS數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了水體在620 nm處的光譜信息，結(jié)合該波段的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，建立適用于高渾濁內(nèi)陸湖泊藻藍(lán)素的估測(cè)算法，對(duì)荷蘭湖泊的藍(lán)藻分布進(jìn)行了分析，并提出了藻藍(lán)素的反演模型，這個(gè)模型顯示藻藍(lán)素的遙感測(cè)量主要是依靠aph(665)的估測(cè)精度；馮龍慶[9]在2011年比較三波段模型和Simis藻藍(lán)素模型對(duì)太湖藻藍(lán)素反演估測(cè)的結(jié)果表明：Simis藻藍(lán)素模型的反演結(jié)果更優(yōu)越，同時(shí)對(duì)Simis(2007)藻藍(lán)素模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到提高藻藍(lán)素估算精度的目的。

筆者將長(zhǎng)江中下游藍(lán)藻暴發(fā)頻繁且湖泊水體比較渾濁的巢湖作為研究區(qū)，借助實(shí)地采樣觀測(cè)，重點(diǎn)分析水質(zhì)參數(shù)濃度與對(duì)應(yīng)波段的浮游植物光譜吸收系數(shù)之間的關(guān)系，之后構(gòu)建浮游植物光譜吸收反演模型；經(jīng)過(guò)精度比較，獲取高精度的浮游植物光譜吸收系數(shù)aph(665)四波段模型，結(jié)合水體反射光譜特征對(duì)Simis藻藍(lán)素模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而反演巢湖藻藍(lán)素濃度，并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2015年10月在巢湖湖面上總共進(jìn)行了兩次采樣，設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)，采集時(shí)間在上午 10：00～14：30，天氣狀況良好、無(wú)云且風(fēng)力小，整個(gè)湖面相對(duì)較平靜，見(jiàn)圖1(其中十五里河和南淝河兩個(gè)采樣點(diǎn)距離靠得較近，圖中顯示不明顯)。進(jìn)行水面光譜測(cè)量的儀器是ASD便攜式地物光譜儀 FieldSpec3(光譜范圍為350～2500 nm)，使用Garmin GPS map 62s測(cè)定水樣點(diǎn)經(jīng)緯度，exo2多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x和xylem分析儀器測(cè)量藍(lán)藻細(xì)胞和水體環(huán)境。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)采樣器來(lái)同步采集巢湖水體，將水樣保存在標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)，為防止水樣變質(zhì)需及時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室處理分析，使用室內(nèi)分光光度計(jì)測(cè)量吸收系數(shù)，葉綠素a濃度采用熱乙醇萃取分光光度法，藻藍(lán)素濃度采用反復(fù)凍融法使細(xì)胞壁破裂，用Tris-HCL緩沖液提取藻藍(lán)素，用可見(jiàn)分光光分度計(jì)測(cè)量吸光度，懸浮物濃度采用GBII901-89烘干稱(chēng)重的方法測(cè)定，表1是統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。

圖1　巢湖采樣點(diǎn)布設(shè)

aph(665)/mChla/(μg/L)PC/(μg/L)TSM/(mg/L)max6.127432.45183.04110min1.20435.834.460mean3.571158.2379.6976.3sd1.28101.1451.8915.36

3　浮游植物光譜吸收系數(shù)aph(665)的反演建模

3.1浮游植物光譜特征

圖2為巢湖兩次野外實(shí)驗(yàn)獲得的浮游植物光譜曲線(xiàn)，在440 nm的時(shí)候出現(xiàn)一個(gè)明顯的色素特征峰，此處吸收峰的出現(xiàn)是受葉綠素a濃度影響，且峰值隨葉綠素a濃度增大而增大。在波長(zhǎng)620 nm 處因受藻藍(lán)素的吸收作用，有一個(gè)相對(duì)而言較小的吸收峰，該吸收值隨藻類(lèi)密度增大而增大，這是由藍(lán)藻水華特有的藻藍(lán)素吸收引起，是藍(lán)藻的最顯著特征。在藻類(lèi)密度大的區(qū)域，吸收系數(shù)值慢慢減小直至在650 nm附近出現(xiàn)了第二個(gè)極小值，之后受葉綠素a在紅光波段的強(qiáng)烈吸收作用，在波長(zhǎng)為675 nm附近出現(xiàn)另一個(gè)明顯的色素特征吸收峰，該峰值隨葉綠素a濃度增大而增大。在波段675 nm之后的吸收系數(shù)迅速減小，甚至接近于0。

圖2　巢湖兩次實(shí)驗(yàn)的浮游植物光譜曲線(xiàn)

3.2aph(665)反演模型選擇

在浮游植物光譜吸收系數(shù)反演過(guò)程中，選擇了665 nm處的aph(665)值是綜合兩方面的原因：一是為了配合Simis等(2007)建立的藻藍(lán)素反演模型中，改進(jìn)aph(665)的反演精度；二是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，aph(665)與aph(675)存在極高的相關(guān)性，可以代替aph(675)，葉綠素a在波長(zhǎng)675nm是處于極大值的紅光吸收峰附近。

3.2.1四波段模型

(1)aph(665)的四波段模型。當(dāng)葉綠素a含量較少時(shí)，懸浮物質(zhì)的吸收量與葉綠素a的吸收量是可比較的，所以懸浮顆粒物在紅光波段的吸收就會(huì)對(duì)葉綠素a的吸收造成較大干擾，此時(shí)懸浮物質(zhì)的吸收作用就不能忽略；其次，在應(yīng)用于內(nèi)陸富營(yíng)養(yǎng)化水體的時(shí)候，近紅外波段葉綠素a的吸收系數(shù)并不是理論上的完全接近于0，而且渾濁水體較高的后向散射也將使得吸收遠(yuǎn)大于后向散射的假設(shè)不完全成立。因此，Le等[10]在三波段模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在四波段模型中引入位于近紅外波段的波段四，去除了懸浮顆粒物吸收的影響，以及部分抑制了純水吸收率的影響，達(dá)到提高反演葉綠素a濃度精度的目的。

四波段模型的具體形式為：

根據(jù)建模原理，式中對(duì)于四個(gè)波段選擇是： ①λ1選擇對(duì)葉綠素濃度最敏感的波段，選擇的取值范圍是660～690 nm； ②λ2應(yīng)該選擇在λ1附近且對(duì)葉綠素a的吸收較小處，同時(shí)對(duì)總懸浮物吸收和黃質(zhì)的吸收之和與λ1相似的波段，選擇取值范圍690～710 nm； ③λ3處總吸收系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于后向散射系數(shù)，同時(shí)受到的所有顆粒物質(zhì)的后向散射影響最小，即不受葉綠素、非色素顆粒物和黃質(zhì)吸收的影響，最大程度消除后向散射的影響，選擇取值范圍710～750 nm； ④λ4位于近紅外波段，目的在于減弱純水和無(wú)機(jī)顆粒物吸收對(duì)色素濃度的影響，選擇取值范圍730～780 nm。

可見(jiàn)，aph(665)的四波段模型可以表示為：

其中，A和B是常量，兩者是由水體固有光學(xué)特性決定。λ1、λ2、λ3和λ44個(gè)最優(yōu)波段的選擇是利用在各個(gè)特征波段范圍內(nèi)進(jìn)行迭代的方法確定，Rrs是遙感反射率。

綜上，得到4個(gè)最優(yōu)波段分別是：λ1=673 nm，λ2=691 nm，λ3=727 nm，λ4=730 nm。

圖3　四波段模型迭代過(guò)程

圖4　aph(665)的四波段模型及精度驗(yàn)證

(1)

對(duì)于aph(665)的四波段模型，決定系數(shù)R2為0.8402；在精度評(píng)價(jià)中，均方根誤差(RMSE)為0.394m-1，平均相對(duì)誤差(MRE)為8.05%(圖4(b))。

圖5　使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)驗(yàn)證aph(665)的四波段模型

(3)四波段模型驗(yàn)證。 利用6個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，驗(yàn)證aph(665)的四波段模型在估測(cè)巢湖浮游植物光吸收值中的適應(yīng)性。將驗(yàn)證數(shù)據(jù)的光譜數(shù)據(jù)代入建立好的aph(665)的四波段模型，得出對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的aph(665)估算值，最后對(duì)aph(665)實(shí)測(cè)值和估算值進(jìn)行比較(圖5)，均方根誤差為1.33 m-1，平均相對(duì)誤差為62.01%。

3.2.2Simis的aph(665)反演模型

經(jīng)過(guò)推算，詳細(xì)的Simis的aph(665)反演模型如下：

aph(665)=[R(709)/R(665)×(0.727+bb)-bb-0.401]×γ-1

其中，修正因子γ由aph(665)的估算值和實(shí)測(cè)值的比值得到，γ=0.0777。圖6(a)、(b)分別是使用建模數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)Simis的aph(665)模型進(jìn)行估算時(shí)，aph(665)的實(shí)測(cè)值和估算值的均方根誤差和平均相對(duì)誤差。

由表2中不難發(fā)現(xiàn)，Simis的aph(665) 反演模型的精度都不如aph(665)的四波段模型。結(jié)合與圖4、5的分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Simis的aph(665)模型明顯過(guò)高或過(guò)低地估算了巢湖中大部分采樣點(diǎn)的aph(665)值。產(chǎn)生這種過(guò)高現(xiàn)象的原因可能是Simis的aph(665)模型中使用波段779 nm消除后向散射造成的，這里產(chǎn)生的噪聲很大。綜合上述分析，很明顯Simis的aph(665)反演模型并不適用于巢湖，而aph(665)的四波段模型在巢湖的適用性更強(qiáng)。

圖6　使用Simis的aph(665)模型的實(shí)測(cè)值和估算值的對(duì)比

模型精度評(píng)價(jià)驗(yàn)證模型RMSE/m-1MRE/%RMSE/m-1MRE/%四波段模型0.3948.051.3362.01Simis的aph(665)模型2.00346.251.73374

4　藻藍(lán)素反演建模

4.1水體反射光譜特征

考慮到研究中所需的波段在可見(jiàn)光至近紅外范圍，以及在1000 nm之后的水體反射信號(hào)微弱，最后選擇350～1000 nm的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。圖7為巢湖兩次實(shí)驗(yàn)9個(gè)采樣點(diǎn)的18條遙感反射率光譜曲線(xiàn)，對(duì)比分析光譜曲線(xiàn)得出：巢湖水體的總體反射率變化較大，但各采樣點(diǎn)的遙感反射率具有較為一致的光譜特征；其次，藻藍(lán)素的主要特征波段處于625 nm附近，葉綠素a的主要特征波段處于560 nm、675 nm和700 nm附近。

4.2Simis藻藍(lán)素反演模型

一般認(rèn)為水體在620 nm和665 nm處的吸收主要是由純水和浮游植物色素占據(jù)主導(dǎo)地位，620 nm處主要是藻藍(lán)素(PC)和葉綠素a(Chla)的吸收影響，665 nm處的吸收是由葉綠素a單獨(dú)影響的，也就是aph(665)=achl(665)；而在波段709 nm和779 nm處的吸收則主要來(lái)自于純水的吸收。光譜的后向散射系數(shù)來(lái)自于779 nm，因此可以利用水體固有光學(xué)特性和反射率之間的聯(lián)系推算出，具體描述為下面公式Gons等[11]：

bb(779)=1.61×Rrs(779)/[0.082-0.6×Rrs(779)];

Simis藻藍(lán)素反演模型的具體計(jì)算公式：

圖7巢湖9個(gè)采樣點(diǎn)的遙感反射率光譜曲線(xiàn)

aph(665)=[R(709)//R(665)×(aw(709)+bb)-bb-aw(665)]×γ-1

(2);

apc(620)=[R(709)/R(620)×(aw(709)+bb)-bb-aw(620)]×δ-1-(ε×aph(665))

(3);

其中，aph(665)為浮游植物在665nm處的吸收系數(shù)，Rrs(709)、Rrs(665)依次是709 nm和665 nm處的遙感反射率；PC是藻藍(lán)素濃度(μg/L)；bb是后向散射系數(shù)，也就是bb(779)。γ和δ是修正因子，ε是轉(zhuǎn)換系數(shù)。(2)式與(3)式顯示出藻藍(lán)素的遙感估算精度是由aph(665)的遙感估算精度所決定的。那么，高精度的浮游植物光譜吸收系數(shù)aph(665)的獲取是藻藍(lán)素反演模型和藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

4.3Simis藻藍(lán)素模型的優(yōu)化

將適用于巢湖的aph(665)的最優(yōu)反演模型，即四波段模型((1)式)和Simis藻藍(lán)素模型結(jié)合起來(lái)，得到改良后的藻藍(lán)素反演模型，將為巢湖水體中由于藍(lán)藻造成的破壞性水華現(xiàn)象提供更精確的數(shù)據(jù)。

(3)式中apc(620)估算公式里的修正因子δ是由aph(620)的估算值和實(shí)測(cè)值的比值得到，轉(zhuǎn)換系數(shù)ε是由葉綠素a在620 nm處和665 nm處吸收系數(shù)實(shí)測(cè)值的比值得到，經(jīng)過(guò)計(jì)算：δ=0.3493，ε=0.1886。

那么，經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型具體如下：

bb(779)=1.61×Rrs(779)/[0.082-0.6×Rrs(779)];

apc(620)=2.863×[R(709)/R(620)×0.727+bb)-bb-0.276]-(0.1886×aph(665));

PC=170×apc(620)。

4.4驗(yàn)證藻藍(lán)素模型在巢湖的適用性

通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到藻藍(lán)素估算濃度，并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析獲得的藻藍(lán)素實(shí)測(cè)濃度值進(jìn)行相關(guān)性分析，以此來(lái)驗(yàn)證該優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型在巢湖水域反演藻藍(lán)素的精度。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型估算出來(lái)的藻藍(lán)素與實(shí)測(cè)的藻藍(lán)素表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.8703，由此表明，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的藻藍(lán)素模型在精度上適用于巢湖藻藍(lán)素的定量反演。

圖8　藻藍(lán)素實(shí)測(cè)值和估算值的關(guān)系

5　結(jié)論與展望

通過(guò)引進(jìn)國(guó)外常用的Simis建立的藻藍(lán)素反演模型，將筆者建立的浮游植物光譜吸收aph(665)的四段模型替換其原有的aph(665)模型，使改進(jìn)后的Simis藻藍(lán)素模型更加適用于像巢湖這樣的大型、渾濁富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中。經(jīng)過(guò)精度評(píng)價(jià)和模型驗(yàn)證，證明該方法具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，但仍然存在一些問(wèn)題，為此也提出后期研究中可能采取的措施：在后期研究中可增加分季節(jié)性進(jìn)行采樣，加大密度在巢湖均勻布點(diǎn)，以增加點(diǎn)位的代表性和多樣性，提高aph(665)估算的精度，進(jìn)而提高藻藍(lán)素模型在整個(gè)巢湖湖泊的適用性；此研究以實(shí)測(cè)的ASD高光譜遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，改進(jìn)后的Simis藻藍(lán)素模型對(duì)其他數(shù)據(jù)源是否有更好的效果，還需進(jìn)一步深入的研究。

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2016-06-20

安徽省環(huán)境保護(hù)廳科研項(xiàng)目(編號(hào)：2012-008)

徐升(1980—)，男，工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作。

X824

A

1674-9944(2016)16-0018-06