王杰，崔玉環(huán)，李健，王旦，王晟

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽大學(xué) 濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，合肥 230036)

0 引言

近年，隨著內(nèi)陸湖泊水環(huán)境問(wèn)題的突出，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)湖泊水質(zhì)狀況開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求越來(lái)越迫切。水質(zhì)遙感的核心問(wèn)題就是建立水體表觀反射率與水質(zhì)參數(shù)間的關(guān)系，而水體表觀反射率往往會(huì)受到水體生物、大氣散射及水氣界面折射等方面的干擾，進(jìn)而降低了水體內(nèi)部物質(zhì)濃度的反演精度[1]。在內(nèi)陸湖泊中存在著大量的光學(xué)淺水區(qū)，湖泊底質(zhì)對(duì)水中太陽(yáng)光線存在著一定的吸收或反射作用，對(duì)湖泊離水輻射信號(hào)產(chǎn)生了重要影響。

常見(jiàn)的湖泊底質(zhì)類型有草型、淤泥型、巖石型以及混合型等，存在著不同的光學(xué)特性，導(dǎo)致光學(xué)淺水區(qū)水底反射光對(duì)湖泊離水輻射信號(hào)產(chǎn)生的影響存在明顯差異[2-4]。與其他底質(zhì)類型不同，草型底質(zhì)屬于波段選擇性吸收與散射型，反射特性與波長(zhǎng)的關(guān)系較為密切。已有研究表明，淺水湖泊沉水植被冠層對(duì)水體反射光譜的影響程度因冠層水下深度(簡(jiǎn)稱冠層水深)、植被蓋度、水體透明度及遙感波段而異[5-6]。

目前許多研究者利用遙感技術(shù)對(duì)Laurentian湖、太湖等淺水湖泊的沉水植被生長(zhǎng)特征進(jìn)行識(shí)別與監(jiān)測(cè)[7-10]，并探究了水環(huán)境因素(如懸浮物、葉綠素a)對(duì)沉水植被冠層光譜特征的影響[11-12]。在太湖地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，受到沉水植被生長(zhǎng)高度、水質(zhì)條件等因素的影響，草型湖泊底質(zhì)反射對(duì)水面遙感反射率的影響程度存在較大的空間差異[13]。在海南新村港海草底質(zhì)光學(xué)淺水區(qū)的光譜測(cè)試分析表明，水體反射光譜在550 nm處形成反射峰，隨海水深度增加發(fā)生藍(lán)移，隨葉面積指數(shù)增加發(fā)生紅移[14]。然而，針對(duì)內(nèi)陸湖泊光學(xué)淺水區(qū)中沉水植被生長(zhǎng)參數(shù)(冠層蓋度、冠層水下深度)對(duì)水體表觀反射光譜的影響機(jī)理還需要開展進(jìn)一步的研究。

鑒于此，本文選擇淮河流域焦崗湖為研究區(qū)，通過(guò)湖泊水體反射光譜、沉水植被生長(zhǎng)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，結(jié)合水色要素的室內(nèi)測(cè)定結(jié)果，探究湖底沉水植被生長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響。開展該研究對(duì)提高內(nèi)陸湖泊水質(zhì)參數(shù)遙感反演精度、改進(jìn)現(xiàn)有的沉水植被遙感信息提取算法具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦崗湖地跨安徽省淮南市鳳臺(tái)縣與阜陽(yáng)市潁上縣，位于淮河干流北岸，平均水深為0.8 m，屬于淮河流域的淺水型淡水湖泊，為國(guó)家級(jí)濕地公園、國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)。該湖泊近似橢圓形，在平水期湖面面積為31.3 km2，東西長(zhǎng)度為15 km，南北最寬距離為5 km。湖泊匯水總面積480 km2，納潁上境的古沙河、老墩溝，鳳臺(tái)境的濁溝、花水澗來(lái)水，經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后，由便民溝經(jīng)焦崗閘注入淮河。

湖中西部為養(yǎng)殖區(qū)，面積近13.0 km2，水體較為渾濁，懸浮物含量在80 mg/L左右，沉水植被生長(zhǎng)較少；湖泊東部為非養(yǎng)殖區(qū)，水體較清澈，湖泊底質(zhì)為淤泥，湖底沉水植被生長(zhǎng)狀況良好，優(yōu)勢(shì)物種為菹草，伴生物種為狐尾藻、金魚藻、荇菜等，其蓋度在冬季可達(dá)到80%～97%[15]。

1.2 水樣采集與測(cè)試

本研究采樣工作在2017年12月23—24日開展，天氣晴朗無(wú)云，水面平靜。由于焦崗湖沉水植被生長(zhǎng)在湖泊非養(yǎng)殖區(qū)，光譜采樣點(diǎn)主要分布在湖泊東南部菹草生長(zhǎng)區(qū)，按照相近蓋度不同冠層水深、相近冠層水深不同蓋度的采樣方案，共布設(shè)了10個(gè)沉水植被生長(zhǎng)區(qū)水體光譜樣點(diǎn)(L2～L11)。為與其他類型水體作比較，本文在淤泥底質(zhì)型光學(xué)淺水區(qū)、光學(xué)深水區(qū)共布設(shè)了4個(gè)樣點(diǎn)(L1、L12、L13、L14)，具體測(cè)定參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 焦崗湖水體采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 無(wú)植被生長(zhǎng)區(qū)水體光譜特征

與沉水植被生長(zhǎng)區(qū)水體反射光譜作比較，本文在湖泊無(wú)植被生長(zhǎng)區(qū)選擇4個(gè)樣點(diǎn)，實(shí)地測(cè)定了無(wú)植被生長(zhǎng)區(qū)水體反射光譜。其中，L1、L12、L14為光學(xué)深水區(qū)樣點(diǎn)，L13為光學(xué)淺水區(qū)樣點(diǎn)。

由圖1可看出，焦崗湖光學(xué)深水區(qū)水體呈現(xiàn)出典型的水體光譜特征，在可見(jiàn)光部分的綠波段0.58 um附近形成了明顯的反射峰，在0.67 um處形成吸收谷，而在近紅外波段反射率明顯下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2個(gè)小的反射峰。由于焦崗湖水體中葉綠素含量介于14～26 ug/L，空間差異不明顯(表1)，懸浮物含量成為影響光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜的主要因素。即隨著懸浮物含量的增加，在0.4～0.58 um水體光譜反射率呈減小的趨勢(shì)，這與葉綠素對(duì)其吸收作用的影響有關(guān)，而在0.58～0.9 um光譜反射率呈增大的趨勢(shì)，反映了近紅外波段對(duì)懸浮物含量變化更為敏感。

圖1 焦崗湖光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜

本文測(cè)定了焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)(L13)的水體表面及對(duì)應(yīng)淤泥底質(zhì)的反射光譜(圖2)。受淤泥底質(zhì)對(duì)入射太陽(yáng)光線吸收作用的影響，無(wú)植被生長(zhǎng)的光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜表現(xiàn)出不同于光學(xué)深水區(qū)的光譜特征，在可見(jiàn)光部分的紅波段(0.58～0.71 um)有寬的反射峰，在近紅外波段反射率下降，且在0.8 um處有小的反射峰。其中，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)在0.4～0.61 um光譜反射率要低于光學(xué)深水，而在0.61～0.9 um要高于光學(xué)深水，反射率最大差值達(dá)到0.04，出現(xiàn)在0.8 um附近。

圖2 無(wú)植被生長(zhǎng)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜

由圖中看出，無(wú)植被生長(zhǎng)光學(xué)淺水區(qū)光譜反射率介于光學(xué)深水與淤泥底質(zhì)反射光譜之間，這反映了湖泊淤泥底質(zhì)對(duì)水體反射光譜的影響在不同的太陽(yáng)光譜波段存在一定差異，在藍(lán)綠波段以吸收作用為主，在紅光、近紅外波段以反射作用為主。

2.2 不同冠層蓋度條件下的水體光譜特征

除了淤泥型底質(zhì)，草型底質(zhì)對(duì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜也有著一定的影響。本文根據(jù)焦崗湖菹草生長(zhǎng)區(qū)的水體反射光譜(樣點(diǎn)L2、L5、L6、L9、L10)，分析在同一冠層水深(20 cm)不同冠層蓋度條件下的水體反射光譜特征。

圖3顯示了在同一冠層水深下不同蓋度沉水植被生長(zhǎng)的焦崗湖水體反射光譜曲線。從圖中可以看出，在焦崗湖地區(qū)沉水植被生長(zhǎng)的水體反射光譜特征與光學(xué)深水區(qū)(L1)光譜特征相似，在綠光波段0.58 um附近形成了明顯的反射峰，在近紅外波段反射率明顯下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2個(gè)小的反射峰。然而，由于沉水植被冠層的選擇性吸收作用[2]，可見(jiàn)光波段的反射率低于光學(xué)深水區(qū)光譜反射率，且隨著沉水植被蓋度的增大，水體光譜反射率整體呈增大的趨勢(shì)，其中在0.45～0.7 um、0.8～0.9 um水體反射光譜對(duì)沉水植被蓋度變化最為敏感。

圖3 同一冠層水深不同植被蓋度下水體反射光譜

2.3 不同冠層水深條件下的水體光譜特征

已有研究表明，沉水植被冠層水深也是影響湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的重要因素[12，14，18]。本文測(cè)定了相同植被蓋度(80%)不同冠層水深的水體反射光譜(樣點(diǎn)L3、L4、L7、L8、L11)，分析冠層水深變化對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響。

由圖4可以看出，在蓋度相同的情況下，隨著植被冠層水深的減少，沉水植被冠層逐漸接近水面，水體光譜反射率在可見(jiàn)光波段(0.4～0.7 um)呈顯著增大的趨勢(shì)，而在近紅外波段(0.8～0.9 um)變化趨勢(shì)不明顯。當(dāng)沉水植被冠層生長(zhǎng)到水面時(shí)，水體反射光譜呈現(xiàn)出近似于陸生植被的反射光譜特征，反映了沉水植被冠層水深對(duì)焦崗湖水體反射光譜具有一定的貢獻(xiàn)度，且其貢獻(xiàn)度隨著植被冠層水深的減少而增大。這與馬榮華等[11]在太湖的東部湖灣區(qū)利用Hydrolight水體輻射傳輸模型模擬的研究結(jié)論相一致。

圖4 相同蓋度不同冠層水深下水體反射光譜

3 討論

3.1 懸浮物濃度及透明度對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響

由于研究區(qū)水體葉綠素含量較低(表1)，懸浮物含量成為影響湖泊水體反射光譜的重要因素。本文通過(guò)分析光學(xué)淺水區(qū)水體懸浮物含量以及透明度與實(shí)測(cè)光譜反射率的關(guān)系，探究懸浮物含量、透明度對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響(圖5)。

圖5 水體懸浮物含量、透明度與水體光譜反射率的相關(guān)關(guān)系

由圖5看出，在沉水植被生長(zhǎng)的湖泊光學(xué)淺水區(qū)，懸浮物含量與水體光譜反射率總體呈正相關(guān)，但其相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)最高僅達(dá)到0.4。這可能是由于沉水植被生長(zhǎng)對(duì)水體懸浮物顆粒有著強(qiáng)烈吸附作用，導(dǎo)致懸浮物含量較低，相對(duì)于沉水植被冠層，懸浮物顆粒的散射作用對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響并不明顯。

水體透明度與光譜反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在0.4～0.68 um二者間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.78左右。這是由于透明度能綜合反映水體中懸浮物、葉綠素、CDOM等參數(shù)對(duì)水體光學(xué)性質(zhì)的影響[5]，可以作為水體反射光譜的指示性指標(biāo)。

3.2 底質(zhì)類型對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響

在內(nèi)陸湖泊光學(xué)淺水區(qū)，湖泊底質(zhì)是影響水體反射光譜的重要因素，其反射特性對(duì)于水底反射光對(duì)水面遙感信號(hào)的貢獻(xiàn)度有著顯著的影響[19]。本文所研究的焦崗湖地區(qū)，湖泊底質(zhì)包括淤泥型與草型這2種類型。為探究草型底質(zhì)對(duì)水體反射反射光譜的影響，本研究根據(jù)湖泊水體樣點(diǎn)L12(光學(xué)深水)、L13(淤泥底質(zhì)光學(xué)淺水)、L4(草型底質(zhì)光學(xué)淺水)光譜測(cè)定結(jié)果，比較并分析不同湖泊底質(zhì)及光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜特征(圖6)。

圖6 不同湖泊底質(zhì)類型水體反射光譜

圖6顯示了焦崗湖不同底質(zhì)類型的光學(xué)淺水區(qū)以及光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜特征。從圖中可看出，淤泥型底質(zhì)、草型底質(zhì)對(duì)水體反射光譜的影響存在著明顯差異。在可見(jiàn)光波段0.4～0.6 um，淤泥型底質(zhì)、草型底質(zhì)水體反射率均小于湖泊光學(xué)深水區(qū)，這說(shuō)明2種類型底質(zhì)在可見(jiàn)光波段對(duì)水體入射光線具有吸收作用，但草型底質(zhì)的吸收作用明顯強(qiáng)于淤泥型底質(zhì)；在0.6～0.9 um波譜范圍內(nèi)，湖泊光學(xué)深水區(qū)水體反射率高于草型底質(zhì)水體，低于淤泥型底質(zhì)水體，最大反射率差值位于0.7 um附近，這反映了草型底質(zhì)對(duì)水體入射光線的選擇性吸收作用，而淤泥型底質(zhì)則具有較強(qiáng)的反射作用。以上結(jié)論在Mobley、周冠華等的研究[2-3]中也得以證實(shí)。

3.3 沉水植被生長(zhǎng)對(duì)光學(xué)淺水反射光譜的影響

為進(jìn)一步分析沉水植被生長(zhǎng)對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響，本研究分析沉水植被蓋度、冠層水深與水體光譜反射率的關(guān)系，探究沉水植被蓋度、冠層水深對(duì)水體反射光譜的影響(圖7)。

圖7 沉水植被蓋度、冠層水深與水體光譜反射率的相關(guān)關(guān)系

從圖7看出，在草型底質(zhì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)，沉水植被蓋度、冠層水深均對(duì)水體光譜反射率存在一定的影響。其中，在相同冠層水深條件下，沉水植被蓋度與水體光譜反射率呈正相關(guān)，在0.67 um附近相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81；在相同植被蓋度情況下，隨著冠層水深的減小，水體光譜反射率呈增加的趨勢(shì)，在0.7～0.9 um處相關(guān)系數(shù)較高，最大值達(dá)到0.78左右。這反映了焦崗湖沉水植被冠層對(duì)入射太陽(yáng)光具有一定的透射與折射作用[20]，即隨著植被蓋度增大或者冠層水深的減少，沉水植被冠層對(duì)太陽(yáng)光的透射與折射作用加強(qiáng)，其對(duì)水體反射光譜的貢獻(xiàn)度增加，進(jìn)而導(dǎo)致水體光譜反射率的增大。

3.4 構(gòu)建光學(xué)淺水區(qū)水體光譜綜合模型

在沉水植被生長(zhǎng)的湖泊光學(xué)淺水區(qū)，水體反射光譜受水體懸浮物含量、葉綠素含量、沉水植被生長(zhǎng)參數(shù)、底質(zhì)類型等因素綜合作用的影響。本文基于電磁波與水體相互作用的輻射傳輸理論，在Lee等[21]提出的生物光學(xué)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于光學(xué)淺水沉水植被生長(zhǎng)區(qū)的水體反射光譜綜合模型。該模型將水體離水輻射信號(hào)分解為來(lái)自水體自身散射、底質(zhì)反射兩部分(式(1))。

(1)

(2)

(3)

ρ(λ)=F(T，F(xiàn)C，R，λ)

(4)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)2017年冬季淮河流域焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜與沉水植被生長(zhǎng)參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，探究沉水植被生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)淺水型湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響，初步得出以下結(jié)論：

①在無(wú)沉水植被生長(zhǎng)區(qū)，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜介于淤泥底質(zhì)與光學(xué)深水之間，在可見(jiàn)光波段光譜反射率要低于光學(xué)深水，而在近紅外波段要高于光學(xué)深水，反射率最大差值出現(xiàn)在0.8 um附近，反映了湖泊淤泥底質(zhì)對(duì)水體光譜反射率的影響在不同光譜通道存在明顯差異。

②不同湖泊底質(zhì)類型對(duì)水體反射光譜的影響存在明顯差異。在可見(jiàn)光波段，草型與淤泥型底質(zhì)對(duì)水體入射光線都具有吸收作用，草型底質(zhì)的吸收作用明顯強(qiáng)于淤泥型底質(zhì)；在近紅外波段，草型底質(zhì)、淤泥型底質(zhì)對(duì)水體入射光線具有一定的反射作用，淤泥型底質(zhì)的反射作用明顯強(qiáng)于草型底質(zhì)。

③在沉水植被生長(zhǎng)區(qū)，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征與光學(xué)深水區(qū)相似，但整體光譜反射率低于光學(xué)深水區(qū)，沉水植被蓋度、冠層水深均對(duì)水體反射光譜存在影響。植被蓋度與水體光譜反射率呈正相關(guān)，在0.67 um附近相關(guān)性達(dá)到最高；冠層水深與水體光譜反射率呈負(fù)相關(guān)，在0.88 um處相關(guān)性最高。這反映了沉水植被冠層對(duì)入射太陽(yáng)光具有一定的反射作用，隨著植被蓋度的增大或者冠層水深的減少，沉水植被冠層在近紅外波段反射作用對(duì)水體反射光譜的貢獻(xiàn)度增大，導(dǎo)致水體反射光譜的增大。

本文根據(jù)淮河流域焦崗湖實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)探究了沉水植物菹草生長(zhǎng)對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響規(guī)律。然而，湖泊沉水植被對(duì)水體反射光譜的影響規(guī)律因沉水植物優(yōu)勢(shì)群落類型以及水體自身環(huán)境(如懸浮物濃度、葉綠素含量)的不同可能會(huì)存在一定的差異[2，11，18]，因此這些因素對(duì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)反射光譜所產(chǎn)生的影響還有待于進(jìn)一步的研究。