高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測內(nèi)陸水體氮磷中的應(yīng)用

王 東 豪

(陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

水體氮磷含量是定義水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是水體富營養(yǎng)化的主要致因。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法需對(duì)水樣進(jìn)行高溫高壓消解，費(fèi)時(shí)耗力[1]，且傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測手段無法滿足對(duì)于未知水域水質(zhì)的大面積、時(shí)效性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測要求。

研究表明，遙感水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)具有宏觀、動(dòng)態(tài)、成本低等顯著特點(diǎn)[2]，可滿足大規(guī)模水質(zhì)監(jiān)測的需要，亦可動(dòng)態(tài)跟蹤污染事件的發(fā)生、發(fā)展，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)地面?zhèn)刹榉椒o防取代的。

遙感技術(shù)在監(jiān)測葉綠素、黃色物質(zhì)等指標(biāo)的研究較為成熟，其分析方法、遙感模型已初步探明。但由于氮磷是非光活性物質(zhì)，不存在顯著的光譜特征與光學(xué)特性[3]，對(duì)反射特征影響十分微弱[4]，因此總體估算精度低。高光譜遙感數(shù)據(jù)具有較高光譜分辨率，適用于氮、磷等微量水質(zhì)參數(shù)的遙感反演。近年來，利用高光譜遙感微量水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測頻現(xiàn)于文獻(xiàn)。有鑒于此，本文綜合近期文獻(xiàn)報(bào)道，總結(jié)歸納遙感技術(shù)監(jiān)測水體氮磷的基本原理、高光譜遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)、內(nèi)陸水體無機(jī)氮磷的遙感反演，以期為進(jìn)一步開展高光譜遙感監(jiān)測水質(zhì)氮磷提供方向。

1 遙感技術(shù)監(jiān)測水體氮磷的基本原理

遙感技術(shù)監(jiān)測水體氮磷，是運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)海洋、內(nèi)陸等水體的氮磷成分開展探測與研究。水體中氮磷含量對(duì)太陽光的特定波長的吸收及反射特征與水體其他組分不同，并能經(jīng)傳感器捕獲在遙感圖像得到體現(xiàn)，構(gòu)成了遙感定量反演水體氮磷含量的理論基礎(chǔ)。就水體而言，最常用最敏感的波段為可見光波段和近紅外波段。

在水質(zhì)遙感輻射傳輸過程中,搭載在衛(wèi)星或者飛機(jī)上的傳感器接收到的總信號(hào)Lt組成為：

Lt=Lp+Ls+Lv+Lb。

其中，Lp為大氣向上輻射和大氣反射的太陽下行輻射，反映大氣特征；Ls為水體表面反射的輻射能，反映水體近表面特征；Lv為水體內(nèi)部散射的輻射能，反映水體內(nèi)部組成；Lb為水底反射的能量,反映水體底質(zhì)特征。

采用水面以上測量法,光譜儀接收到的總信號(hào)Lsw組成為：

Lsw=Lw+rLsky+Lwc+Lg。

其中，Lw進(jìn)入水體又被水體散射回來進(jìn)入儀器的輻射能,包括水體內(nèi)部散射和水底反射的輻射能、水面反射的輻射能；rLsky為水面反射的能量，r為氣—水界面反射率;Lwc為海面白帽的信息；Lg為水面波浪對(duì)太陽直射光的隨機(jī)反射。

2 高光譜遙感數(shù)據(jù)

2.1 特點(diǎn)

高光譜遙感的成像技術(shù)是成像技術(shù)與分光譜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[5]，因此，與多光譜遙感數(shù)據(jù)相比，高光譜遙感數(shù)據(jù)具有波段多、空間分辨率高、寬視域等特性。其強(qiáng)大功能能實(shí)現(xiàn)圖譜合一，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜水體中的氮、磷等微量水質(zhì)參數(shù)變化的獲取捕捉。其所提供的連續(xù)光譜，客觀反映了水體光譜特征的細(xì)微變化，為氮磷的高光譜遙感模型確立與定量遙感反演提供數(shù)據(jù)保證[6]。

2.2 高光譜數(shù)據(jù)采集器分類

現(xiàn)階段，國內(nèi)外大量使用的高光譜數(shù)據(jù)采集器分兩類，分別是成像光譜儀和非成像光譜儀。成像光譜儀主要運(yùn)用于不同高度的衛(wèi)星、飛機(jī)(航空器)上。非成像光譜儀主要搭載于地面工作平臺(tái)。

成像光譜儀可采集大量“連續(xù)”波段、很窄的波段間隔的光譜數(shù)據(jù)[5]，對(duì)地面物體進(jìn)行遙感成像，以便探測識(shí)別水質(zhì)微量組分的細(xì)節(jié)特征。目前，利用美國的AVIRIS數(shù)據(jù)、加拿大的CASI數(shù)據(jù)、芬蘭的AISA數(shù)據(jù)、德國的ROSIS及中國的CIS數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)，如葉綠素濃度[7-9]、水體混濁度[7,9]、懸浮物濃度[9]的估測中以得以應(yīng)用。若成像光譜儀光譜分辨率更高，光譜數(shù)據(jù)更多，間隔更窄，所反映的水質(zhì)參數(shù)光譜就更詳細(xì)逼真，使得根據(jù)成像光譜儀提供的光譜信息直接判讀和識(shí)別水質(zhì)組分成為可能。

3 內(nèi)陸水體無機(jī)氮磷的遙感反演

氮、磷是導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化的主要致因，對(duì)水體藻類生長和藍(lán)藻的爆發(fā)具有重要的影響。它們與藻類生物量之間的關(guān)系一直是研究水體富營養(yǎng)化的重要內(nèi)容[10,11]。葉綠素a(Chl-a)含量是表征藻類現(xiàn)存量的重要指標(biāo)之一。雖然總磷(TP)與總氮(TN)含量對(duì)光譜的影響和遙感監(jiān)測機(jī)理目前尚未完全明確，但是TP和TN很大程度影響水體中的浮游生物生長及繁殖，又受到懸浮物的吸附、遷移，與Chl-a存在較為顯著的相關(guān)性，因此，研究葉綠素a與總氮、總磷濃度的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)湖泊富營養(yǎng)化的機(jī)理具有重要意義。近年來的研究大多是通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析它們和光譜反射率找出相關(guān)性來估測TN與TP。

水中的氮元素和磷元素的光譜特征是由其中的各種物質(zhì)對(duì)光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定的，是遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)，研究光譜特征的目的是為了優(yōu)化波段組合，并獲得最佳光譜信息[12]。

為準(zhǔn)確捕捉微量水質(zhì)參數(shù)無機(jī)氮的變化及其特征光譜，龔紹琦(2008)等[13]利用高光譜遙感技術(shù)，通過測量試驗(yàn)室純水條件下配比不同濃度氮溶液的反射光譜，探索水體中有效態(tài)氮的特征光譜。404 nm和477 nm波段與無機(jī)氮濃度有很好的相關(guān)性，為進(jìn)一步對(duì)湖泊、水庫和河流等大型內(nèi)陸水體的氮素進(jìn)行遙感定量研究奠定了基礎(chǔ)。

3.1 相關(guān)性分析

高光譜反射率和總氮總磷參數(shù)的相關(guān)性分析是找到敏感波段并建立特征波段組合算法關(guān)鍵[4]。由于水分子強(qiáng)烈吸收近紅外光，因此氮、磷溶液反射率在波長1 000 nm后迅速下降至接近為0 nm，由此對(duì)于氮磷光譜數(shù)據(jù)分析范圍因集中在350 nm～1 000 nm之間[13]。

太陽光短波的能量高，氮磷容易被激發(fā)產(chǎn)生各自的特征光譜，由此反應(yīng)在氮磷的光譜曲線——氮在波長404 nm處有一小峰、477 nm處有個(gè)明顯的反射峰，磷在350 nm處有一明顯的反射峰，這也與紫外分光光度法測量氮磷濃度時(shí)所采用的波長相吻合。氮在404 nm和477 nm波段的相關(guān)系數(shù)最高，為0.969和0.970,磷在350 nm處的相關(guān)系數(shù)最高，為0.988。

3.2 無機(jī)氮反演模型

張東(2010)等[14]用野外實(shí)測光譜結(jié)合Hyperion數(shù)據(jù)，篩選出630 mm,804 nm兩個(gè)對(duì)DIN濃度變化敏感的波段，計(jì)算R840×R630/(R840-R630)指數(shù)建立了高懸沙含量沿海河口可溶性無機(jī)氮的高光譜非線性遙感模型。劉大召(2013)[15]等以粵西海域?yàn)檠芯繉?duì)象基于實(shí)測高光譜遙感數(shù)據(jù)分析等多種方法的精度。徐良將(2013)等[16]基于實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)，建立對(duì)比單波段組合以及微分法和波段比值法的總氮濃度進(jìn)行反演。郭邵萌(2013)等[17]針對(duì)聊城與懸浮物相關(guān)的東昌湖，基于實(shí)測高光譜和水質(zhì)參數(shù),建立反演總氮的雙波段組合的線性回歸模型。

3.3 無機(jī)磷反演模型

前人對(duì)磷的波普特征及其與其他水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系分析后，建立了大量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀aishan Song(2012)等[18]基于AISA高光譜數(shù)據(jù),通過遺傳算法，在印度三個(gè)主要水源地開展總磷反演。潘邦龍(2012)等[19]以巢湖為例，利用環(huán)境一號(hào)和高光譜遙感數(shù)據(jù)，建立基于協(xié)同克里格遺傳算法的總磷濃度反演模型。徐良將(2013)等[16]基微分法和波段比值法的總磷濃度反演模型。郭邵萌(2013)等[17]針對(duì)聊城于實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)的東昌湖，基于實(shí)測高光詳和水質(zhì)參數(shù)，建立反演總磷的雙波段組合的線,建立性回歸模型。杜成功(2016)等[20]采用波段組合法構(gòu)建了基于GOCI影像的總磷反演模型。郭邵萌(2013)等[17]針對(duì)聊城于實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)的東昌湖，基于實(shí)測高光詳和水質(zhì)參數(shù),建立反演總磷的雙波段組合的線,建立性回歸模型。

4 結(jié)語

氮磷作為水體富營養(yǎng)化主要致因，是內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中必不可少的項(xiàng)目。高光譜遙感技術(shù)數(shù)據(jù)光譜具有高分辨率、高信噪比等特點(diǎn)，經(jīng)過圖像預(yù)處理和大氣糾正，適用于氮、磷等微量水質(zhì)參數(shù)的遙感反演，可以充分滿足內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測的精度要求?；谝延械难芯窟M(jìn)展，有如下問題值得今后研究：

1)現(xiàn)階段研究只針對(duì)特定研究區(qū)進(jìn)行研究，系統(tǒng)地對(duì)內(nèi)陸水體高光譜數(shù)據(jù)測量仍還在起步，且對(duì)氮、磷的光譜特征和敏感波段的研究較少，其結(jié)果不備通用性。還需進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大采樣范圍和定期采集光譜數(shù)據(jù)。從分子光譜學(xué)和光學(xué)機(jī)理出發(fā)，全面地揭示對(duì)氮、磷光譜特征，建立普遍適用的遙感反演模型。

2)現(xiàn)階段氮磷遙感模型主要以經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹?，不利于推廣。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以增強(qiáng)模型的通用性。后續(xù)研究可在新數(shù)據(jù)進(jìn)行充分驗(yàn)證后進(jìn)一步引入一些其他方法，例如主成分分析、遺傳算法等進(jìn)行推廣應(yīng)用。