通過定點監(jiān)測相對綠度指數(shù)獲得水體藻類生長動態(tài)的方法

張文慶, 肖 薇,2*, 曹 暢,3, 張 彌, 王 偉, 王 怡, 王 嬌,4, 陳 爭, 蒲旖旎

(1.南京信息工程大學大氣環(huán)境中心，南京 210044；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044； 3.南京信息工程大學無錫研究院，無錫 214105；4.南京信息工程大學濱江學院，無錫 214105)

富營養(yǎng)化問題是中國大型和小型內(nèi)陸水體普遍面臨的問題。眾所周知，中國大型水體普遍面臨嚴重的富營養(yǎng)化問題。例如，滇池為異常富營養(yǎng)化超V類[1]；太湖雖然經(jīng)過多年治理，藍藻水華爆發(fā)仍然頻發(fā)[2]。而小型水體，特別以小型池塘和溝渠為代表的農(nóng)村小型水體，是農(nóng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖和糧食種植活動的主要載體，受到農(nóng)田施肥的直接影響，其富營養(yǎng)化問題也非常突出[3]。內(nèi)陸水體富營養(yǎng)化能嚴重破壞水體原有的植被生態(tài)系統(tǒng)[4]，引起水質(zhì)參數(shù)惡化[5]，阻礙水環(huán)境的改善，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖，造成巨大的經(jīng)濟損失[1,6]，是當下較為突出的社會民生問題[7]。由于富營養(yǎng)化會加速水體內(nèi)的藻類生長，因此水體植物狀況的監(jiān)測能夠有效地指示水體富營養(yǎng)化程度。因此，對水體富營養(yǎng)化的監(jiān)測和預警，是水環(huán)境治理的重要環(huán)節(jié)。

水體內(nèi)藻類水華爆發(fā)時間通常在一天甚至幾個小時之內(nèi)完成[8]，這對監(jiān)測手段提出了很大的挑戰(zhàn)。多年以來，研究者們采用水樣采集-實驗室分析、儀器在線觀測、動物指示、衛(wèi)星遙感和無人機遙感等多種手段監(jiān)測內(nèi)陸水體的藻類生長狀況，從而指示和預警水體富營養(yǎng)化狀況[9-13]。水樣采集分析方法觀測精度較高，但是采樣和分析耗時耗力，很難實現(xiàn)頻繁觀測[14]。儀器在線觀測能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)觀測，但是儀器受到水體污染和藻類附著的干擾，需要頻繁標定和清理，而且代表的區(qū)域有限[15]。動物等其他媒介間接監(jiān)測水體的方式則存在機理復雜的情況[9]。衛(wèi)星遙感能夠結(jié)合單源或多源遙感數(shù)據(jù)在線監(jiān)測大范圍水體的狀況[16-17]，但是受大氣狀況的干擾較大，而且由于過境時間有限，空間分辨率普遍較低，因此無法獲取高時間分辨率的數(shù)據(jù)，特別是不適用于小型水體的監(jiān)測[12-13]。無人機遙感則可以實現(xiàn)近距離的監(jiān)測，能夠避免大氣校正處理帶來的不確定性，空間分辨率較高[8]。但是該方法成本較高，很難大范圍和長期使用。與上述方法相比，地面定點相機監(jiān)測手段則具有明顯的優(yōu)勢：與衛(wèi)星遙感和無人機遙感相比，地面定點相機與被監(jiān)測物體的空間距離短，減小了光路通過大氣的反射、散射、透射等影響；該方法操作的人工成本低；時間分辨率較高，能夠捕捉短時間的變化過程；造價相對低廉，經(jīng)濟成本不高，方便進行長期、連續(xù)、原位的監(jiān)測[18-21]。由此可見，地面定點相機是監(jiān)測大型和小型水體中藻類的生長動態(tài)的一個比較好的方法。

目前用相機觀測gcc指數(shù)在陸地生態(tài)系統(tǒng)上的適用性已經(jīng)相對明了，但是對于水域生態(tài)系統(tǒng)仍存在一些問題尚不清楚，例如相機的設置和校準需要注意的問題，如何避免天空狀況和太陽高度角對觀測結(jié)果的影響，水體gcc數(shù)值與陸地生態(tài)系統(tǒng)gcc的對比情況等。針對這些問題，本文選取池塘和溝渠兩類典型的農(nóng)村水體作為研究對象，使用商用RGB相機在夏、秋、冬三個季節(jié)對水體開展了連續(xù)監(jiān)測，重點檢驗gcc指示水體藻類動態(tài)的適用性，探討相機校正和設置、數(shù)據(jù)處理方法的問題，并與陸地生態(tài)系統(tǒng)的gcc觀測結(jié)果做對比。

1 材料與方法

1.1 試驗站點概況

試驗地點選在南京信息工程大學官渡農(nóng)業(yè)氣象試驗基地內(nèi)的一個池塘和一個溝渠(圖1)，該站點位于安徽省滁州市全椒縣武崗鎮(zhèn)官渡村東部的魚塘養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)(31°57.9 302′N，118°15.2 852′E)。在兩個水體各選擇三處進行同步試驗。研究站點如圖1所示，溝渠呈“L”形，兩邊長度分別為96.8、26.3 m，寬度約1.0 m，兩邊岸上種植豆類作物。池塘呈五邊形，面積約為332 m2，當?shù)剞r(nóng)民在該池塘中養(yǎng)蝦，會定期向水中投食黃豆作為飼料。

圖1 官渡大氣環(huán)境試驗基地采樣點位置示意圖Fig.1 Locations of observation points sites of Guandu Atmospheric Environment Observatory

1.2 圖像獲取及處理方法

試驗使用一款數(shù)碼單鏡反光相機(digital single lens reflex camera, 型號EOS 600D，Canon，東京，日本)，分辨率為5 184×3 456，有效像素為2 000×104。拍攝時，鏡頭與水平面呈30°左右夾角。為進一步減小因光照條件改變給拍攝圖像帶來的干擾[34]，實驗期間使用了一張用于膠片、視頻和打印機校準的灰度校準卡(一面為灰色，反射率為17%±1%；另一面為白色，反射率為92%±2%)，拍攝之前利用灰度校準卡灰色面手動設置白平衡。在紅綠藍三個通道上的參考數(shù)值為R=120、G=120、B=120(±2%)，感光度設置為自動。為保護鏡頭，并且避免雜光干擾成像，鏡頭前端安裝有遮光罩。照片存儲格式為JPEG(joint photographic experts group)格式，相機使用了一張閃迪64 GB(gigabyte)存儲卡儲存照片。

在圖像處理過程中，根據(jù)各個拍攝點的情況，對每個點的圖像分別設置感興趣區(qū)域，避免水體周圍的土壤、植被等無關要素的干擾，在感興趣區(qū)域內(nèi)提取R、G、B三個顏色通道各自的平均信號值，計算gcc指數(shù)公式如下：

(1)

日平均gcc數(shù)值的計算方法是采用平均正午方法(mean mid-day, MMD)，即采用10:00—14:00獲取的gcc數(shù)據(jù)的平均值，代表當日的gcc數(shù)值，作為當天水體狀況的指標[24]。

試驗期在夏季、秋季和冬季三個季節(jié)開展，分別為2018年7月9—21日(13 d)，2018年10月13—26日(14 d)，2018年12月27日—2019年1月9日(14 d)，共計41 d。拍攝圖像的時間為9:30—17:30，每隔2 h在6個監(jiān)測點進行拍攝。

此外，為了評估天空狀況對gcc觀測結(jié)果的影響，于2018年4月20—23日在觀測站點附近一處潔凈池塘(31°97.9 348′N，118°15.2 543′E)每天8:00—18:30以30 min為間隔使用該相機進行了原位連續(xù)的高頻監(jiān)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 天空狀況和太陽高度角對gcc的影響

典型的晴天和陰天條件下gcc與太陽高度角的關系如圖2所示。2019年4月20日和22日分別為典型的晴天和陰天。晴天，當太陽高度角小于40°時，gcc的最高值為0.379(出現(xiàn)在8:30)，最低值為0.334(17:30)，波動幅度較大，為0.045。陰天，gcc的最高值為0.342(出現(xiàn)在10:30)，最低值為0.332(出現(xiàn)在18:30)，波動范圍明顯變小，僅為0.010。當太陽高度角大于40°時，gcc的觀測值相對比較穩(wěn)定，晴天變化范圍為0.347～0.372，陰天變化范圍為0.333～0.342。由此可見，當太陽高度角較大，即正午前后是一天當中gcc相對穩(wěn)定的時間段，這個時間段的gcc能夠更好地指示當天水體狀況。如果基于MMD方法采用10:00—14:00的數(shù)據(jù)，則晴天gcc的平均值為0.364，標準差為0.007 4；陰天的觀測結(jié)果則更為穩(wěn)定，gcc的平均值為0.337，標準差僅為0.002 6。

圖2 gcc隨太陽高度角變化Fig.2 Variation of gcc with solar altitude angle

每個季節(jié)(夏、秋和冬季)試驗期間的gcc平均日變化情況如圖3所示。夏季、秋季和冬季gcc的平均數(shù)值依次遞減，溝渠在三個季節(jié)里gcc日組分的極大值分別為0.371、0.359和0.344，變化范圍為0.366～0.371、0.354～0.359和0.342～0.344。池塘在三個季節(jié)里一天當中gcc日組分的極大值分別為0.378、0.355和0.337，變化幅度分別為0.129 2、0.005 0和0.000 9。采用正午時段(10:00—14:00)，夏、秋和冬季gcc平均值分別為0.371、0.354和0.337，與采用9:30—17:30觀測數(shù)據(jù)得到的平均值的差異分別為0.000 8、0.001 3和0.000 2。由此可見，如果采用多日平均值，gcc的日變幅明顯變小，數(shù)據(jù)相對比較穩(wěn)定。

紅綠藍三種陰影代表各個季節(jié)gcc標準差范圍圖3 夏季、秋季和冬季gcc日組分Fig.3 Diurnal composites of the gcc during the campaigns in summer, autumn and winter

2.2 gcc的時間變化特征

夏、秋、冬三個季節(jié)試驗期間每日gcc的時間序列如圖4所示，DOY(day of year)表示日序。夏季，溝渠和池塘的gcc呈現(xiàn)交替變化，溝渠的gcc最大值為0.374(日序193)，最小值為0.363(日序196)；在池塘，gcc最大值為0.384(日序202)，最小值為0.355(日序191)。秋季，溝渠和池塘差異不大，溝渠的gcc最大值為0.355(日序299)，最小值為0.346(日序293)；池塘gcc最大值為0.355(日序291)，最小值為0.345(日序298)。冬季，溝渠的gcc一直高于池塘，溝渠的gcc最大值為0.353(日序1)，最小值為0.339(日序9)；池塘的gcc最大值為0.340(日序364)，最小值為0.333(日序365)。由此可見，夏季gcc明顯高于秋冬兩季，秋季略高于冬季；溝渠和池塘在夏季和秋季兩者gcc數(shù)值差異不大，但是冬季溝渠的gcc要顯著高于池塘。由此可見，gcc不但能清楚地分辨出水體狀況的日變化和季節(jié)變化，也能清晰地分辨出池塘和溝渠兩個水體的水體狀況。

圖4 夏、秋、冬季試驗期間gcc日值的時間序列Fig.4 Time series of daily gcc during the campaigns in summer, fall and winter

秋季觀測期間gcc的觀測結(jié)果與照片實況的對應如圖5所示。在第287日，gcc=0.346，圖5中可以看出水體中的水生植物很少。而后gcc逐漸升高，到第291日，gcc達到0.359，此時可以明顯看出有水生植物；次日，出現(xiàn)了明顯的降水，經(jīng)過沖刷的水表面變得干凈；到第295日gcc達到極小值0.344，顯示水面比較清潔；而后，天氣變得晴朗，在第299日，gcc上升到秋季試驗期間的最高值0.369。由此可見，gcc的數(shù)值變化能有效地表征水體狀況的動態(tài)演變。

圖5 gcc時間序列及部分對應的照片實況展示Fig.5 Time series of gcc and some corresponding photos

3 討論

3.1 相機的設置和校準

相機拍攝首先涉及白平衡設置的問題。正確的白平衡可以使相機對色彩進行準確識別。白平衡設置主要可以分為自動白平衡、自定義白平衡、鎢光白平衡、日光白平衡、熒光燈白平衡和陰影白平衡等方式，前兩種較為常用[35]。自動白平衡屬于相機自帶設置模式，是讓相機隨著外界光線改變自動調(diào)整白平衡。其優(yōu)點是操作簡單，能夠適應大部分天空狀況；缺點是在光線不足尤其是多云、陰天條件下往往會出現(xiàn)校正過度或不足的問題，難以滿足高精度要求的科學研究[36]。自定義白平衡是在每次拍攝當前照明條件下人為給予相機一個“標準白色”，最大化相機在當前照明條件下的色彩識別能力。其優(yōu)勢在于可以提高RGB亮度在不同光照條件下的連續(xù)性[34]，減小各次拍攝由于光照條件引起的誤差；劣勢是工作量較大。在本研究中，每次拍攝時的光照條件會發(fā)生變化，為了進一步減小天空狀況對照片的影響，在每次拍攝前使用灰度校準卡進行手動白平衡設置?；叶刃士ǖ某杀静桓咔倚Ч麑嵱?，短期觀測的情況下推薦使用。但是在野外條件下，灰度校準卡容易受到環(huán)境污染，自身材質(zhì)的穩(wěn)定性可能會發(fā)生變化，如果需要進行長時間監(jiān)測，如何實現(xiàn)白平衡的自動設置且不降低色彩識別精度是一個需要考慮的問題。

此外，參考白板也是一種校正方法。標準的參考白板(不一定是白色)是一塊朗伯體，也有人用造價低廉的白色板子代替。它通常被放置在與植被冠層相同的高度，與植被進行同步連續(xù)觀測。標準參考白板性質(zhì)穩(wěn)定，材質(zhì)均勻，可以用于白平衡調(diào)節(jié)，檢驗不同天空狀況對于植被指數(shù)的影響，它還被認為可以探測到由于傳感器性能退化(與植被生長無關)產(chǎn)生的信號，有助于更加真實地獲取植被冠層光譜變化信息[28,37]。但是參考白板在實際應用過程中存在以下難點：首先，一塊標準的參考白板造價昂貴；其次，如果想要達到理想效果，必須確保參考白板和監(jiān)測對象在圖像中具有類似的幾何形狀，要控制參考白板在圖像中所處位置避免遮蓋關鍵的植被信息；再次，一個優(yōu)化設計的參考面板應該有幾個不同的灰色級別和相同的單色白板，單種灰度級別導致像素在陽光充足的條件下容易飽和，相同的單色白板可以確保相機成像傳感器的長期穩(wěn)定性，這種參考白板還必須具有耐受性、不褪色和不光滑的表面，以減少灰塵和其他微粒沉積，參考白板在水體上的安裝相比陸地也更加困難，因此，在長時間尺度上使用參考白板想達到理想的校正效果成本高昂且不易實現(xiàn)，本研究認為使用普通相機和成本低廉的灰度校準卡進行植被監(jiān)測能夠獲取關鍵的植被信息。

3.2 環(huán)境狀況影響的處理方法

近地面相機遙感得到的圖像質(zhì)量會受到天空狀況和太陽高度角的影響，因此需采用合理的數(shù)據(jù)處理方法，以此獲得可靠的觀測結(jié)果。從研究結(jié)果來看，晴天條件下光照強度變化幅度較大，gcc的日變幅較大，陰天相對穩(wěn)定。為了獲取較穩(wěn)定可靠的gcc數(shù)據(jù)，以往的研究采用的方法略有不同。Ide等[38]認為森林下墊面的感興趣區(qū)域在中午10:00—14：00內(nèi)呈現(xiàn)出最高的綠度值和更穩(wěn)定的狀態(tài)，建議在進行時間序列分析時只對10:00—14:00期間獲取的影像進行處理。Almeida等[39]通過對同一感興趣區(qū)域的RGB通道和紋理特征的分析，建議將8:00—11:00時段作為數(shù)字圖像自動物種識別的最佳時間。Andresen等[34]只使用一天當中正午時段(8:00—14:00)的照片計算日平均值，以最大程度降低因光照和天氣條件的日變化帶來的影響。而Sonnentag等[26]提出采用三天滑動窗口方法，將3 d獲取得到的指數(shù)值按從小到大排列，取第90百分位的數(shù)值作為這三天植被狀況的指示參數(shù)，這種方法不會丟失任何關于植被的有效信息，并且可以過濾掉天氣條件改變帶來的影響，但缺點是會損失一定量的數(shù)據(jù)，不適合短期觀測。

相機觀測得到的gcc也可能受到水位變化和風的干擾。在長江中下游這種雨水比較充足的地帶，降水會使水體水位發(fā)生改變，這種變化會影響水體表面的反射輻射，使相機感知的藍光通道亮度值發(fā)生改變[31]，另外，水位上升會增大沉水植物距離水面的高度，減小傳感器接收信號的強度[40]。風速也是一個重要的因素，與陸地不同，水面比較容易受到風的干擾，風會使得拍攝范圍內(nèi)的景象發(fā)生非自然改變，特別是在開闊的水面，風的擾動會使得浮游植物發(fā)生空間上的移動，而傳感器一般是固定位置進行拍攝，因此這種情況可能導致研究人員認為是水生植被的減少而沒發(fā)現(xiàn)這實際只是空間移動的結(jié)果。有研究為了避免因風吹動植物冠層而引起結(jié)果的誤差，將風速大于1.5 m/s時段拍攝的照片排除[41]。因此，在開展gcc觀測和處理數(shù)據(jù)時，應充分考慮水位和風速帶來的影響。

3.3 gcc在陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)的應用和數(shù)值對比

采用gcc指示陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)物候的研究結(jié)果如表1所示。作為一種常見生態(tài)系統(tǒng)，森林在所有地物類型中，gcc在一年及以上長時間尺度內(nèi)跨度范圍較大，在夏季植被生長最為旺盛時期，最高值能夠達到0.500[41-43]，在冬季植被凋落后，最低值能達到0.290[44]。植物園、草原和泥炭地由于在一年中植被特征變化相對緩和，gcc波動范圍更小，在0.310～0.430范圍內(nèi)變化[45-47]。雪和草地這兩種地物gcc變化范圍最小，處于0.335～0.345范圍[32]。與森林相比，水生植被生長特征變化更小，在本研究中，溝渠和池塘gcc在檢測期間的波動范圍為0.333～0.384，處于陸地生態(tài)系統(tǒng)gcc的變化范圍之內(nèi)。

表1 不同地區(qū)森林、草地和水體gcc觀測研究匯總

4 結(jié)論

使用商用RGB相機在夏、秋、冬三個季節(jié)對水體開展連續(xù)監(jiān)測，研究了gcc指數(shù)指示水體藻類動態(tài)的適用性及相機校正和設置、數(shù)據(jù)處理方法的問題，得到以下結(jié)論。

(1)相對綠度指數(shù)對于不同地物類型有著不同的數(shù)值表現(xiàn)，是一個可以用來表征植被狀況的指示參數(shù)，同陸地生態(tài)系統(tǒng)一樣，相機監(jiān)測在水域生態(tài)系統(tǒng)中同樣可以實現(xiàn)。

(2)和陸地一樣，天空狀況改變同樣會影響相機對水體的監(jiān)測，可以通過挑選正午前后(10:00—14:00)的影像數(shù)據(jù)或滑動平均方法進一步降低干擾，數(shù)據(jù)在分析之前應該進行質(zhì)量控制。

(3)相機監(jiān)測手段成本低廉，易于操作，今后在各領域研究中必將大有作為。在以后的研究中可以提高圖像獲取頻率，構建一致性的通信協(xié)議，使用多臺相機來獲取有效數(shù)據(jù)，考慮對陸地和水體對于相機光譜信息獲取敏感性差異的量化，并在不同類型的水體進行監(jiān)測，充分發(fā)掘相機監(jiān)測這種近地面遙感方式的優(yōu)勢。