粟君蓮，何政偉，潘佩芳，簡(jiǎn) 季

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059；2.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,四川 成都610059； 3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059)

1 采樣點(diǎn)分布

本實(shí)驗(yàn)利用ASD Fieldspce(R) Pro FR全波段野外光譜儀(350～2 500 nm)獲得東風(fēng)渠水波譜數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的光譜數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)上，對(duì)高光譜數(shù)據(jù)處理及在水體信息提取中的應(yīng)用進(jìn)行研究。采樣時(shí)間于2010年4月14日開始，4月26日結(jié)束，為期12 d，每次取樣間隔為1～2 d。樣品采集時(shí)間在下午4點(diǎn)～5點(diǎn)。水樣采集點(diǎn)一共有6個(gè)，其中4～6號(hào)點(diǎn)位于東風(fēng)渠理工大學(xué)段上游重慶市江北區(qū)宏河化工廠材料批發(fā)部附近，該地段水質(zhì)可能受化工廠影響較大。而1～3號(hào)點(diǎn)沿成都理工大學(xué)后校門小吃街分布，該地段水質(zhì)應(yīng)該受生活垃圾污染較重，具體位置見圖1。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)的分布圖

2 光譜數(shù)據(jù)處理

2.1 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

本文對(duì)東風(fēng)渠水體進(jìn)行了反射光譜測(cè)量，采用ENVI軟件的光譜庫(kù)功能建庫(kù)，其文件為ASCll格式。利用此數(shù)據(jù)庫(kù)可以進(jìn)行各種光譜分析與處理，如圖2所示。

圖2 建立光譜數(shù)據(jù)庫(kù)流程圖

2.2 光譜平均

將得到的每個(gè)樣點(diǎn)的多個(gè)光譜反射率曲線進(jìn)行平均計(jì)算，以平均值作為該樣點(diǎn)的光譜。測(cè)量的不穩(wěn)定性通過對(duì)同一目標(biāo)的多次測(cè)量來消除，得到的結(jié)果更接近自然和具有代表性、可信性。直接在Envi的“Spectral Math” 中計(jì)算，計(jì)算公式為（s1+s2+s3）/3,其結(jié)果如圖3所示。

3 東風(fēng)渠水的基本光譜特征

圖4為4月18日所取6個(gè)采樣點(diǎn)的光譜曲線，呈現(xiàn)了東風(fēng)渠水體譜特征。從圖上可以看出，在350～550 nm波段范圍內(nèi)，由于藻類色素及黃色物質(zhì)在該范圍的強(qiáng)烈吸收作用，使水體的反射率較低。在藍(lán)紫光波段（400～500 nm）和670 nm附近都有吸收峰，主要是由于葉綠素的影響。當(dāng)藻類密度較高時(shí)，水體光譜反射率曲線在這2處出現(xiàn)谷值，但同時(shí)由于散射作用的影響，對(duì)藻類密度變化不敏感。550～570 nm范圍的反射峰是由于葉綠素和胡蘿卜素對(duì)弱吸收和細(xì)胞的散射作用形成的，該反射峰值與色素組成有關(guān)，可以作為葉綠素定量標(biāo)志。因?yàn)樵迩嗟鞍椎奈辗逶?24 nm處，所以630 nm附近出現(xiàn)反射率谷值或呈肩狀。660 nm附近是葉綠素a的吸收峰，所有的藻類中都含有葉綠素a，因此當(dāng)藻類密度較高時(shí)，水體光譜反射率曲線在該處出現(xiàn)谷值。685～715 nm范圍反射峰的出現(xiàn)是含藻類水體最顯著的光譜特征，其存在與否通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類葉綠素的依據(jù)，反射峰的位置和數(shù)值是葉綠素a濃度的指示，其出現(xiàn)原因是由于水和葉綠素a的吸收系數(shù)之和在該處達(dá)到最小[1]。東風(fēng)渠水體在該處沒有顯著的反射峰且反射率值較小，說明藻類密度較低。光譜反射率在750～950 nm之間強(qiáng)烈增加，峰值為807 nm，說明東風(fēng)渠懸浮物濃度大于250 mg/L。

圖3 光譜平均(4月18日1號(hào)點(diǎn)123～125號(hào)文件平均)

圖4 東風(fēng)渠4月18日采樣點(diǎn)光譜

4 光譜的對(duì)比分析

圖5為東風(fēng)渠4月18日6個(gè)采樣點(diǎn)光譜。從圖上可以看出，光譜的最大反射率約為0.375，表明東風(fēng)渠懸浮物含量較高，以此可以分析東風(fēng)渠中藻類及黃色物質(zhì)含量、葉綠素a含量及懸浮物濃度各點(diǎn)之間的變化關(guān)系。

4.1 藻類及黃色物質(zhì)

黃色物質(zhì)（CDOM）主要是由黃腐酸、腐殖酸組成的溶解性有機(jī)物，其影響集中在550 nm之前的短波區(qū)域，在這一波段吸收率大，但在近紅光區(qū)已經(jīng)很小，長(zhǎng)波區(qū)域的吸收系數(shù)接近為零。結(jié)合水體反射率曲線，由于黃色物質(zhì)的強(qiáng)吸收作用，400～550 nm之間反射率很低（同時(shí)也受葉綠素a濃度的影響），而在其他波段，黃色物質(zhì)的影響很小。因此，進(jìn)行黃色物質(zhì)的遙感監(jiān)測(cè)的波段范圍是短波區(qū)域。Richard 測(cè)得CDOM吸收峰在440 nm附近。Boderick 等分析250～650 nm的光譜與CDOM的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)380 nm處吸收光譜反演CDOM較適用[2]。

圖5 東風(fēng)渠4月18日6個(gè)采樣點(diǎn)光譜反射率

從圖5可以看出，在350～450 nm波段范圍內(nèi)，由于藻類色素及黃色物質(zhì)在該范圍的強(qiáng)烈吸收作用，使水體的反射率較低。從光譜在462 nm處出現(xiàn)反射峰可以看出，生活區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)中，反射率最高的為2號(hào)采樣點(diǎn)，推斷其藻類色素及黃色物質(zhì)含量最低；反射率最低的為3號(hào)采樣點(diǎn)，其藻類色素及黃色物質(zhì)含量最高。工業(yè)區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)中，反射率最高的為6號(hào)點(diǎn)，最低的為5號(hào)點(diǎn)。同理，可以推斷出6號(hào)點(diǎn)藻類色素及黃色物質(zhì)含量最低，5號(hào)點(diǎn)藻類色素及黃色物質(zhì)含量最高。由此推測(cè)，藻類色素及黃色物質(zhì)含量關(guān)系為：5號(hào)點(diǎn)>3號(hào)>4號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn)>6號(hào)點(diǎn)>2號(hào)點(diǎn)。

4.2 葉綠素a

根據(jù)Gitelson的研究，當(dāng)葉綠素a的濃度從一個(gè)很低的值增加到100μg/L時(shí)，葉綠素的診斷波段向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，反射峰從685 nm附近移動(dòng)到715 nm附近[3]。從圖5中東風(fēng)渠各采樣點(diǎn)光譜曲線在660 nm出現(xiàn)吸收峰可以推斷，東風(fēng)渠水的葉綠素a濃度小于100 μg/L。從圖6包絡(luò)線去除后的特征吸收波段出現(xiàn)在約670 nm處推測(cè)，葉綠素a含量越多，其吸收越強(qiáng)，反射率越低。據(jù)此推測(cè)東風(fēng)渠6個(gè)采樣點(diǎn)葉綠素a含量關(guān)系為：2號(hào)點(diǎn)>4號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn)>3號(hào)點(diǎn)>6號(hào)點(diǎn)>5號(hào)點(diǎn)。

4.3 懸浮物

懸浮物（TSM）主要是浮游植物死亡產(chǎn)生的有機(jī)碎屑以及陸生或湖體底泥再懸浮而產(chǎn)生的無(wú)機(jī)、有機(jī)懸浮顆粒，在可見光波段對(duì)光譜有影響，增加了反射率。David Doxarm等對(duì)法國(guó)西南部Ginronde河口地區(qū)6個(gè)不同懸浮物濃度水體進(jìn)行了反射率測(cè)定，得出當(dāng)懸浮物濃度在35～250 mg/L,反射率在400～700 nm之間增加；當(dāng)懸浮物濃度大于250 mg/L時(shí)，反射率在400～700 nm之間趨向飽和，但在750～950 nm之間強(qiáng)烈增加，峰值為800 nm。一般來說，對(duì)可見光遙感而言，580～680 mm對(duì)不同懸浮泥沙濃度出現(xiàn)輻射峰值是遙感監(jiān)測(cè)水體混濁度的最佳波段。通過地物光譜儀或地面輻射計(jì)開展黃河口及長(zhǎng)江口懸浮泥沙反射率波譜特性和最佳波段的研究表明[3]，對(duì)于低濃度含沙水體，反射峰位于510～600 nm；對(duì)于中濃度含沙水體，反射峰位于630～690 nm；對(duì)于高濃度含沙水體，反射峰位于760～900 nm。一般地，隨著水體含沙量增加，各波段的反射率都普遍增大，但其幅度不同，反射率增大幅度最大的波長(zhǎng)與反射率最大峰值位置基本吻合。在可見光波段，對(duì)懸浮泥沙含量最為敏感的波長(zhǎng)為550 nm和670 nm[3]。

圖6 東風(fēng)渠4月18日6個(gè)采樣點(diǎn)的包絡(luò)線去除曲線及670 nm處特征吸收波段放大圖

從圖5東風(fēng)渠各采樣點(diǎn)光譜曲線中可以看出，光譜反射率在807 nm處出現(xiàn)最大值，表明東風(fēng)渠懸浮物濃度高，大于250 mg/L；分析生活區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)之間反射率關(guān)系為：2號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn)>3號(hào)點(diǎn)。由于在690～900 nm范圍內(nèi)，反射率與懸浮物濃度呈正相關(guān)，故推測(cè)出生活區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)懸浮物濃度關(guān)系為：2號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn)>3號(hào)點(diǎn)；工業(yè)區(qū)懸浮物濃度關(guān)系為：6號(hào)點(diǎn)>5號(hào)點(diǎn)>4號(hào)點(diǎn)；而東風(fēng)渠6個(gè)采樣點(diǎn)之間懸浮物濃度關(guān)系為：6號(hào)點(diǎn)>2號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn)>5號(hào)點(diǎn)>4號(hào)點(diǎn)>3號(hào)點(diǎn)。

4.4 同一點(diǎn)不同時(shí)間光譜對(duì)比

圖7為不同時(shí)期1號(hào)點(diǎn)光譜，圖8為不同時(shí)期6號(hào)點(diǎn)光譜。將同一地點(diǎn)不同時(shí)間測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，分別在生活區(qū)和工業(yè)區(qū)選取1點(diǎn)作對(duì)比。由圖7曲線中807 nm波段光譜推測(cè)，東風(fēng)渠懸浮物濃度關(guān)系為：18日>21日>16日>26日；從350～724 nm波段范圍光譜曲線推測(cè)，東風(fēng)渠藻類色素及黃色物質(zhì)和葉綠素a含量在生活區(qū)范圍關(guān)系為：16日>26日>21日>18日。

圖7 東風(fēng)渠1號(hào)采用點(diǎn)不同時(shí)間光譜

由圖8曲線中807 nm波段光譜推測(cè)，懸浮物濃度關(guān)系為：18日>16日>26日>21日；從350～660 nm波段光譜曲線推測(cè)，藻類色素及黃色物質(zhì)和葉綠素a含量在工業(yè)區(qū)關(guān)系為：21日、26日含量約相同但高于16日含量，而16日含量高于18日含量。

圖8 東風(fēng)渠6號(hào)采樣點(diǎn)不同時(shí)間光譜

總的來看，1號(hào)點(diǎn)不同時(shí)期的反射率（約0.3）要低于6號(hào)點(diǎn)不同時(shí)期反射率（約0.375），說明生活區(qū)懸浮物濃度要低于工業(yè)區(qū)，而藻類色素及黃色物質(zhì)和葉綠素a含量則要高于工業(yè)區(qū)，其原因可能是生活區(qū)產(chǎn)生的污染物較工業(yè)區(qū)含有更多的有機(jī)物。

5 標(biāo)準(zhǔn)光譜和原始光譜的對(duì)比分析

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)橫軸單位為nm，縱軸反射率用小數(shù)表示，而標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)橫軸單位為μm，縱軸反射率用百分?jǐn)?shù)表示。原始光譜圖如9、10所示。從圖11～圖14中可以看出，硼酸鹽、硼酸酯和氫氧化物標(biāo)準(zhǔn)光譜在1μm附近出現(xiàn)明顯的吸收峰，對(duì)比原始光譜在1 000 nm處出現(xiàn)的光譜突變，推測(cè)東風(fēng)渠水污染物中可能含有硼酸鹽、氫氧化物。從圖12、圖13可以看出，碳酸鹽、鹵化物標(biāo)準(zhǔn)光譜在約730 nm處出現(xiàn)明顯吸收峰，對(duì)比原始光譜圖9、圖10在此處光譜出現(xiàn)吸收峰推測(cè)，東風(fēng)渠水污染物中可能含有碳酸鹽和鹵化物。從圖15中可以看出，儔硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)光譜在約1 060 nm處出現(xiàn)反射峰，約在1 560 nm處出現(xiàn)吸收峰，對(duì)比原始光譜在此處光譜的反射峰和吸收峰可以推測(cè)，東風(fēng)渠水污染物中可能含有儔硅酸鹽。

圖9 東風(fēng)渠4月18日原始光譜

圖10 東風(fēng)渠4月26日原始光譜

圖11 硼酸鹽、硼酸酯標(biāo)準(zhǔn)光譜

圖12 碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)光譜

綜上所述，東風(fēng)渠污染物中可能存在硼酸鹽、氫氧化物、碳酸鹽、鹵化物以及儔硅酸鹽等。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)同一時(shí)期不同點(diǎn)和同一點(diǎn)不同時(shí)期的光譜曲線進(jìn)行對(duì)比得到，懸浮物濃度工業(yè)區(qū)段高于生活區(qū)段,而藻類及黃色物質(zhì)含量、葉綠素a含量變化則不一定，但能確定工業(yè)區(qū)段含量略高于生活區(qū)段。

2）通過原始光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜的對(duì)比推測(cè)，東風(fēng)渠污染物中可能存在硼酸鹽、氫氧化物、碳酸鹽、鹵化物以及儔硅酸鹽等物質(zhì)。

圖13 鹵化物標(biāo)準(zhǔn)光譜

圖14 氫氧化物標(biāo)準(zhǔn)光譜

圖15 儔硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)光譜

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