非傳統(tǒng)湖泊水色遙感的現(xiàn)狀與發(fā)展*

馬榮華，張玉超，段洪濤

（中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008）

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非傳統(tǒng)湖泊水色遙感的現(xiàn)狀與發(fā)展*

馬榮華，張玉超，段洪濤

（中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008）

外界環(huán)境條件以及自身因素的驅動，改變了傳統(tǒng)湖泊水色遙感垂向均一的理論假設前提，基于垂向非均勻條件的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱之為非傳統(tǒng)湖泊水色遙感.本文分析了傳統(tǒng)水色遙感面臨的挑戰(zhàn)，且非傳統(tǒng)湖泊水色遙感中藻類葉綠素a濃度的垂向分布類型及其定量表達、水下光場分布的定量表達模型與數(shù)值模擬方法，給出垂向異質水體遙感反射比的定量表達式，分析了藻類垂向異質對水色參數(shù)遙感反演模型的影響，最后提出下一步需要重點關注的問題.

水色遙感；垂向；非傳統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展；湖泊

?2016 by Journal of Lake Sciences

在湖泊水體水色三要素參數(shù)的定量反演方面，已經進行了大量工作［1］，并取得了顯著成果，然而，這些研究有一個基本的前提假設：這些水色參數(shù)或水體光學特性在垂向上是均質的.基于該假設的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱之為傳統(tǒng)的湖泊水色遙感.實際上，一方面，由于河流和冰川等地表徑流的匯入、江水倒灌和風浪等自然驅動力的介入以及采砂、航運、路橋基建等人為活動的擾動，湖泊底泥再懸浮，使得湖泊水體中的懸浮泥沙在垂直方向上非均勻分布；另一方面，尤其在富營養(yǎng)化湖泊水體中，不論在水平方向還是在垂直方向上，都存在大量的藻顆粒，為了保持較高的光合作用能力，這些藻顆粒通過自身移動或者通過水流和風生流等外界條件，不斷調節(jié)其在水體中的垂直位置，以躲避強光造成的光抑制或者上浮到水體表層接受充足的光照形成藻華［2-7］.這些外環(huán)境驅動力以及浮游藻類的主動調節(jié)，客觀上造成了藻顆粒及其相關水色參數(shù)（如葉綠素、藻藍素、有色可溶性有機物（colored dissolved organic matter，CDOM）懸浮物等）在垂向上的不均勻分布，改變了傳統(tǒng)湖泊水色遙感的理論假設前提；這種基于垂向非均勻條件的湖泊水體水色參數(shù)的遙感稱為非傳統(tǒng)湖泊水色遙感.

1　傳統(tǒng)湖泊水色遙感面臨的挑戰(zhàn)

湖泊水色參數(shù)的垂向非均勻分布，對于基于傳統(tǒng)垂向均一假設而形成的水體光學特性、水下光場分布、水質參數(shù)反演模型等方面都產生了一些難以回避的問題.傳感器獲得的遙感信號是水體內一定深度的綜合反映，當假設水體垂向均一時，垂向異質引起的遙感信息的差異，對已有水色遙感的研究造成了不能忽視的誤差.首先，湖泊水體內水色物質（葉綠素a（Chl.a）、CDOM、懸浮物等）垂向非均勻分布，會產生相應的水體固有光學特性垂向異質.此時，垂向均一的假設（某一層或水柱內的平均值代表整個水柱的IOP （Inherent OPtical ProPerties））會引起水柱內固有光學特性的估計不準，導致以IOP為核心的模型，如QAA （Quasi-Analytical Algorithm），直接應用于垂向差異較大的湖泊水體時，會產生很大誤差.其次，只有考慮了水體內固有光學量的垂向異質，根據(jù)輻射傳輸理論，才能得到準確的水下光場分布及表觀光學量，否則會引起估計不準的情況.在水質參數(shù)反演模型的建立及應用方面，一般是基于垂向均一的假設，建立光活性物質濃度與遙感反射比的關系，而忽略了光活性物質濃度垂向異質對遙感反射比（Remote Sensing Reflectance，Rrs）的影響，從而導致定量反演模型在應用中的誤差.實際情況下，不同物質含量及物質的不同垂向結構，對Rrs的影響程度和范圍均不一致，可能產生反演結果在每個像元的不確定性.針對傳統(tǒng)湖泊水色遙感的垂向均一假設可能引起的問題及面臨的挑戰(zhàn)，有必要開展光活性物質垂向異質的研究.

2　藻類葉綠素濃度的垂向分布類型及其定量表達

目前，研究水體中藻類垂向分布對水體光學屬性的影響，主要集中在水深較深的大洋水體，受藻類生活習性以及外環(huán)境條件影響，藻類垂向分布呈現(xiàn)多種類型，主要有：高斯分布［8］、指數(shù)分布［9］、躍變型、單峰型、遞增型、垂直均勻型、線性分布［10-11］，其中高斯模型［8］在大洋Ⅰ類水體中應用最為廣泛［12-13］：

式中，Chl0為背景葉綠素濃度，也稱為“本底值”；δ為標準偏差，是與分層中葉綠素極大值寬度有關的參數(shù)；h為與峰值強度有關的參數(shù)；zmax為葉綠素濃度極大值所處的深度.基于該函數(shù)，國內外學者［12-14］評估不同的水體垂向結構對藍綠光遙感反射比、離水輻亮度、衰減系數(shù)及平均余弦等光學參數(shù)影響.目前，國內外一些學者利用統(tǒng)計回歸方法［15-16］、人工神經網(wǎng)絡方法［17-18］研究藻類垂向呈高斯分布時對遙感反射比的影響，同時可以得到葉綠素濃度垂向呈高斯分布時的參數(shù).在海洋二流輻射傳輸理論的基礎上［19］，假設Ⅰ類水體只由2層葉綠素濃度不同的水層構成，利用最優(yōu)化方法求得2層葉綠素濃度和上層水體深度的最優(yōu)解.同樣地，在紅-近紅外波段，遙感反射比與懸浮顆粒物SPM 2層結構參數(shù)也存在定量關系［20］.海洋水體中，可以使用PROFHMM統(tǒng)計方法［HMM（Hidden Markov Models）和SOM（Self-Organizing ToPological MaPs）的組合］［21］，從海面數(shù)據(jù)中推斷海洋生物地球化學變量垂直剖面；HMM通過SOM來定義，SOM被用來提供隱藏的馬爾科夫模型狀態(tài).

在湖泊水體中，水體垂向結構研究較少.但實際上，由于受風、浪等動力條件的影響，湖泊藻顆粒垂向分層呈現(xiàn)多種模式［22］，在藻顆粒生長的不同階段（休眠、復蘇、生物量增加、上浮和積聚），垂向分布有很大變化［22-23］；特別在藍藻水華形成階段，大量藍藻顆粒漂浮于水面，不能簡單地用高斯模型模擬湖泊水體的藻顆粒垂向分布結構，需要分不同情形進行定量表達.Xue等［24］在巢湖的研究發(fā)現(xiàn)，風速是引起藻顆粒短時間內垂向遷移的重要因素.當風速大于3～4 m/s時，水柱內上下混合均勻，藻顆粒呈現(xiàn)垂向均一分布.在弱風條件下（2～3 m/s），藍藻自身浮力使其在水柱內上浮，形成Chl.a濃度最大值在水表面的高斯分布.而在風速很低或無風的情況下（＜2 m/s），藻顆粒大量聚集在水表面形成藻華，此時Chl.a濃度垂向呈現(xiàn)指數(shù)或冪指數(shù)分布.據(jù)此把巢湖藻類垂向分布歸結為4種類型（圖1）：（1）垂向均一分布型；（2）高斯分布型；（3）指數(shù)分布型；（4）冪函數(shù)分布型.同時給出了上述4種分布類型的數(shù)學描述函數(shù)（表1）.

3　水下光場分布的定量表達與數(shù)值模擬

光進入水體，受水中粒子（水分子、藻類等有機顆粒物、黃色物質、無機懸浮物等）吸收和散射共同影響，產生衰減，但在不同波長，衰減程度差別很大.水下光場是對水體組分在特定太陽角度、風速、氣象條件下水體表觀光學特性的綜合反映，主要由輻亮度、輻照度、漫衰減系數(shù)、平均余弦等表觀光學量來反映水下光場的分布情況.

圖1　巢湖Chl.a濃度垂向分布類型圖（TyPe1：垂向均一，TyPe2：高斯，TyPe3：指數(shù)，TyPe4：冪函數(shù)）Fig.1 ChloroPhyll-a concentration Profiles with original data Points and fitted curves for the four vertical chloroPhyll-a Profile classes：（a）TyPe 1，vertically uniform；（b）TyPe 2，Gaussian distribution；（c）TyPe 3，exPonential distribution；and（d）TyPe 4，negative Power function distribution

式中，L（τ；μ，φ）為在光學深度τ（光到達的最大深度）、方向（μ，φ）上的非偏振光譜輻照度；ω0為散射和衰減的比值；為散射相函數(shù)；S為水體內部光源.

藻顆粒垂直分層導致光在水體中的傳播路徑和方向發(fā)生變化，是影響水下光場分布的重要原因［8］.在垂直分層的水體中，存在高吸收水層和高散射水層；在高散射水層中，水下光場的強度隨光學深度減小得更加緩慢；在高吸收的水層中，水下光場的強度隨光學深度減小得更加迅速［25］.在僅有吸收、沒有散射的介質中，光場的角度分布不會隨傳輸距離的增加而發(fā)生改變.事實上，湖泊水體具有高散射的特性［26］，水體中懸浮性藻顆粒的存在使湖水的散射具有明顯的前向峰值［27］.因此，光束在水體中傳輸時，隨傳輸距離、散射次數(shù)的不同，光場的角度分布會有明顯的變化.傳輸距離越長，散射次數(shù)越多，光場的漫射分布特征就越明顯.特別是在藻華期間，高度累積在水體表層的生物量，使得下層水體獲取的有效光合作用輻射大幅衰減，稱為藻華過程的“自我遮蔽”效應［28-29］，造成了藻華期間水體真光層深度降低，下行輻照度減少.

表1　巢湖Chl.a濃度垂向分布類型及其函數(shù)表達*Tab.1 Vertical distribution tyPe and mathematic exPression __of chloroPhyll-a concentration in Lake Chaohu，China

水下光場的研究可以通過輻射傳輸理論模型或者野外實測的方式開展.隨著水體光輻射傳輸理論的發(fā)展，數(shù)值計算方法在水下光場模擬中得到了廣泛應用，根據(jù)上述輻射傳輸理論模型得到水下光場分布的方法有：Monte Carlo光線追蹤法［30-35］、不變嵌入法［25］、離散坐標法［36］、矩陣算法［37-40］等；其中，Mobley利用不變嵌入方法開發(fā)的Hydrolight商業(yè)軟件［41］成為開展水下光場模擬研究的主要技術手段.Hydrolight可以模擬不同水體狀況、角度、波長下的水下光場，還可以考慮拉曼散射和熒光效應的影響，因此利用Hydrolight輻射傳輸模擬技術可以得到相對準確的水下光場.Liu等［42-43］提出了一種快速準確模擬水下光場輻照度的模型，基于Hydrolight參數(shù)的敏感性分析，建立了參數(shù)查找表，平均誤差在2%左右.Hydrolight假設水體水平均一，是一維的，無法解決復雜邊界諸如水華聚集到表面后有異于傳統(tǒng)水體輻射過程的問題.

蒙特卡洛方法（Monte Carlo，MC）是利用隨機數(shù)對隨機過程進行數(shù)值模擬的方法，可以模擬以任意數(shù)學模型表述的光在介質中的輻射傳輸過程［44］，是目前水體光學模型中唯一能解決有復雜邊界問題的方法.此外，該方法可以直觀地表達輻射傳輸過程中光束被水中粒子（水分子、懸浮顆粒物等）吸收和散射過程，物理結構清晰.它可以對任意入射光線、散射相函數(shù)和固有光學屬性分布情況下的水下光場進行三維模擬，可以解決一維模型所不能解決的問題，更加符合客觀世界的實際情況.Monte Carlo方法具有較強的靈活性，可以模擬野外測量難以達到的極限條件［45］.在水體光學研究領域，Plass等［30-35］已經用Monte Carlo方法解決不同的海洋光學問題.國內學者在模擬浮標浮體陰影及其安裝的儀器自陰影對水下光輻射測量的影響［46］、理想簡單條件下的水下光場Monte Carlo模擬及水下光場的二向反射特性研究［45，47］方面取得了一定的成果.上述分析表明，基于能對任意用數(shù)學公式和離散數(shù)值給出的邊界條件和參數(shù)分布進行模擬的特點，Monte Carlo可用于藻顆粒富集、水體具有垂向分層、具有復雜邊界條件的富營養(yǎng)化湖泊的水下光場模擬，但目前這方面研究工作還沒有開展.但是，Monte Carlo方法存在運行效率慢的問題，在模擬大量光子減少噪聲的同時，加劇了運行的負擔.即使有提高計算速度的方法（如方差縮減技術等），但這些方法只在一定程度上提高光子的利用效率.Monte Carlo方法的計算數(shù)據(jù)相對獨立，串行數(shù)據(jù)處理少等優(yōu)良的并行化特性，可以使用并行化方法來提高運行效率，可以達到幾百上千的加速比［48］.

4　垂向異質水體遙感反射比的定量表達

對Ⅰ類水體而言，結合水體的固有光學特性（水體的總吸收a和總后向散射bb），有［49-50］：

式中，f=0.975-0.629μ0［51］，μ0為水下平均余弦；Q為上行輻照度與上行輻射亮度的比值；一般地，f/Q= 0.0945［52］、0.0922［34，53］或0.0924［54］.水體垂向光學均質時，bb和a可以隨水深而變化，但bb/a不變［55］；或者bb和a都隨葉綠素而協(xié)同變化［27］，此時水體的光學屬性被浮游植物主導，a（z）和bb（z）的垂直結構能夠通過同一個深度函數(shù)h（z）來導出，即a（z）=a（0）h（z），bb（z）=bb（0）h（z）.因此，光學均質時，在每個深度z上，水體都有相同的反射率，即R/f=（bbz/az），此時：

水體在垂向上是否光學均質，可以通過光學均質指數(shù)H來判斷［55］：

當水體光學垂向非均質時，適用于光學均質水體的式（3）就會帶來較大誤差.Gordon等［56］認為如果光活性物質C具有垂直分布結構C（z）時，遙感反射比則等同于該光活性物質垂直均質時的情況：

式中，z90為向下輻照度衰減到90%的深度，g（z）權重函數(shù)為：

式中，K為漫垂直衰減系數(shù).此時，對于式（3）的遙感反射比而言，bb/a可用來表達［56-57］：

Zaneveld［58］從理論上導出了光學垂直結構變化情況下遙感反射比的關系表達；然而，該關系式由于包含了體散射函數(shù)和輻亮度分布，被認為過于復雜而難以應用［55］.Gordon［27］對這個權重函數(shù)所隱藏的假設條件（即分層海洋水體的反射率等同于浮游植物色素濃度均質的海洋水體的反射率，這個浮游植物色素濃度是隨水深變化的函數(shù)的平均值），使用Monte Carlo模擬實驗，從理論上加以證明.同樣使用Monte Carlo模型，Piskozub等［57］表明式（7）所示的權重函數(shù)過分依賴表層水體的光學特性，即會賦予表層水體更多的權重.于是又發(fā)展了另外一種權重函數(shù)f（z）：

于是有［55］：z

f（z）是g（z）的一階導數(shù)，在水體光活動層的頂部具有最大值，不像g（z），它不是單調遞減函數(shù).但二者都涉及到2K的計算，不同的情況，可選擇不同的計算方式：2Kd、Ku+Kd、Kd+c（c為漫衰減系數(shù)）.對于光學遙感而言，一般情況下［57］，用2Kd的方法優(yōu)于用Ku+Kd的方法，Ku+Kd的計算結果要好于Kd+c.另外，通過輻照度剖面計算漫衰減系數(shù)，要好于通過固有光學特性的計算［55，57］.

在懸浮顆粒垂直平均的反演時，Pitarch等［59］給出了一個權重函數(shù)，即：

如果輸出深度不是很密，Ecolight能夠提供不很準確的Ku和Kd，Ecolight能夠自動增加靠近輸出深度的新深度.因此，通過每個點的Ecolight模擬，可以獲得Ku和Kd.與Hydrolight相比，Ecolight使用同樣的輸入數(shù)據(jù).公式（11）的權重函數(shù)依賴波長，為了獲得單一波長處的平均值，需要按照公式（12）進行波長平均：

5　藻類垂向異質對水色參數(shù)遙感反演模型的影響

目前，生物光學模型和水體光學參數(shù)的測量和使用大都假設水體垂向均一，但是不考慮水體光學組分的垂直非均勻分布會帶來很大誤差［12，60-61］.Sathyendranath等［12］認為，在不考慮葉綠素濃度垂直分布情況下計算光學深度和真光層總葉綠素濃度，最大相對誤差可能超過100%.Ⅰ類水體葉綠素垂向一般呈高斯分布，如果不考慮其垂向結構，對遙感反射比造成的誤差最低大于5%，極端條件下可能超過70%，近表層水體的衰減系數(shù)越小，下層水體對遙感反射比的影響越強［62-63］.

與藻類垂向均一相比，藻類垂向非均勻分布主要影響遙感反射比的大小及光譜形狀［64］.在Ⅰ類水體中葉綠素濃度垂向呈高斯分布時，葉綠素濃度的高斯峰值趨向于增加綠光波段的遙感反射比，減少藍光波段的遙感反射比［13］.赤潮多發(fā)區(qū)，垂向非均勻情況下的遙感反射比要高于垂向均勻的情況（藻總量相同），葉綠素濃度非均勻剖面參數(shù)的變化主要影響遙感反射比的綠黃波段，對藍、紅波段幾乎沒有影響［65］.馬孟梟等［66］利用Hydrolight模擬藻類多種高斯垂向分布條件下，藻類垂向分布對典型葉綠素a反演算法波段比值法的影響.結果表明，藻類垂向非均勻分布尤其是水下0.5 m范圍內，將會嚴重干擾波段比值算法的準確性，導致反演算法的失效.藻類垂向異質對Rrs的影響程度受水體光學活性物質濃度、垂向結構、水體衰減系數(shù)等的共同影響.已有的水質參數(shù)反演算法大多基于表層幾十公分的混合樣或者單一水層建立的模型，當藻類垂向異質對Rrs的影響很大時，勢必會將這種誤差引入水質參數(shù)反演模型，引起反演產品的高估或低估，這對正確估計水質參數(shù)濃度的空間分布會產生干擾，而且這種干擾可能是空間不均勻分布的.

6　展望

太湖等東部地區(qū)湖泊是我國最為典型的富營養(yǎng)化湖泊之一，近年來以藍藻為優(yōu)勢類群［67-68］的藻華暴發(fā)頻繁［69-70］，藻顆粒或大量漂浮于水面或淹沒于水體.這些在水平與垂直方向異質分布的藻顆粒，改變了傳統(tǒng)的水色遙感理論基于水體水平和垂向均一的假設前提，水色參數(shù)遙感定量反演的不確定大大增加.因此，藻顆粒及其引起的水體垂向結構變化，成為水色遙感，特別是富營養(yǎng)化湖泊水色遙感不可忽略的問題.目前主要存在3個方面還不清楚，亟需加強研究：

1）水面藻顆粒密度與遙感反射比的定量關系不清.遙感反射比除了受水體不同組分的影響外，還受水-氣界面的影響.藻顆粒在不同水文氣象條件下的富集，改變了水面的物質組成，水體的透光性下降，在極端情況下甚至使得自然光難以穿透這些大量積聚而漂浮在水面的藻顆粒，從而改變了水體的輻射傳輸過程.因此，水面藻顆粒密度顯著影響著水-氣界面光的透射率，改變了透過水面進入水體的光通量，直接影響著水體的遙感反射比.遙感反射比的細微變化，包含了藻顆粒在水面的富集信息，反映了水面不同的藻顆粒密度；然而，目前尚不清楚不同的水面藻顆粒密度與遙感反射比的響應關系.

2）水中藻顆粒對水下光場結構的影響機制不清.受水文氣象條件的影響以及藻顆粒自身特性的限制，水體中的藻顆粒存在著垂向分層現(xiàn)象，也改變著自然光的輻射傳輸路徑和方向，一定程度上影響著水下光場結構，進而影響著水體的遙感反射比.實際上，藻顆粒的垂向分層具有不同的垂直梯度和結構模式.不同的梯度與結構，對水下光場的影響不同，但影響機制目前尚不清楚.

3）藻顆粒本身的光學特性需要進一步明確.遙感反射比取決于水體的固有光學特性，固有光學特性獨立于介質的環(huán)境光場，由介質本身決定.富營養(yǎng)化湖泊中，藻顆粒是最重要的一種介質，它們或以單一藻顆粒、或以顆粒集聚體的形式存在，因此具有不同的粒徑大小、形狀結構和色素組成，決定著不同的固有光學特性（吸收和散射特性），對遙感反射比有著不同程度的影響.

藻顆粒在水面和水體中的大量富集，引起水面物質組成、水體光學特性以及水體輻射傳輸過程的變化，是富營養(yǎng)化湖泊水色遙感研究中面臨的基本理論問題.對這些問題的研究，不但可以補充完善湖泊水色遙感的基本理論和方法，而且能夠推動湖泊水色遙感和湖泊定量遙感的發(fā)展，具有較大的科學意義.另外，通過藻顆粒及其垂向不均勻下的非傳統(tǒng)水色遙感研究，可以定量揭示遙感反射比與水柱中藻顆粒密度的定量關系，有助于實現(xiàn)藻總量的精確遙感反演與估算，為藻類生態(tài)災害監(jiān)測和預測預警服務，具有較大的應用價值和現(xiàn)實意義.

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The status and deveLopment of the non-traditionaL Lake water coLor remote sensing

MA Ronghua，ZHANG Yuchao&DUAN Hongtao
（State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China）

We define“non-traditional water color remote sensing”as the study of the heterogeneous vertical distribution of water color Parameters and their inherent oPtical ProPerties，in relation to the environmental factors（external and internal）that influence their distribution.This is quite different from traditional water color remote sensing as it includes the third dimension，rather than assuming homogeneous vertical distribution of water color Parameters.In this study，we exPlore aPProaches to determine the vertical distribution of chloroPhyll-a and exPlore methods to simulate the underwater light field.It should be noted that remote sensing reflectance（Rrs）of non-uniform water column could be equivalent to oPtically weighted Rrswith vertical uniform distribution.The effects of non-uniform vertical Profiles of chloroPhyll-a concentration on inversion models of remote-sensing is exPlored，and challenges should be the focus of further research.

Water color remote sensing；vertical distribution；non-traditional；status；develoPment；lake

10.18307/2016.0201

*國家自然科學重點基金項目（41431176）資助.2015-04-20收稿；2015-06-08收修改稿.馬榮華（1972～），男，博士，研究員；E-mail：rhma@niglas.ac.cn.