孫宇晴

摘要：水體水色參數(shù)主要包括浮游植物、懸浮物質(zhì)和有色可溶性有機(jī)物等。本研究利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星（HJ-1）CCD圖像，采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?shí)測(cè)數(shù)據(jù)與圖像之間的關(guān)系，反演葉綠素a濃度（Chl-a），最后得到太湖區(qū)域葉綠素a濃度（Chl-a）分布。根據(jù)反演結(jié)果可知，葉綠素a含量大于0.05mg/L主要分布在太湖沿岸，這部分區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，比較容易造成水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，浮游植物易于生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：水體參數(shù)反演;高光譜;大氣校正;葉綠素a濃度（Chl-a）

1引言

人類(lèi)的生命活動(dòng)離不開(kāi)水，隨著科技的發(fā)展，水體的承載壓力越來(lái)越大，當(dāng)污染物超過(guò)了水體的自?xún)裟芰r(shí)，便產(chǎn)生了水體污染各類(lèi)水體由于靠近人類(lèi)聚集地，通常會(huì)有各類(lèi)污染物流入，致使水體易趨于富營(yíng)養(yǎng)化藻類(lèi)以及浮游生物利用這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量繁殖生長(zhǎng)，使得水體中的溶解氧不斷減少，令水質(zhì)逐漸變差葉綠素作為藻類(lèi)等水生植物關(guān)鍵的組成部分，其濃度的大小可以用于判斷水體是否富營(yíng)養(yǎng)化。本研究以太湖水域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過(guò)2009年10月6日實(shí)測(cè)反射光譜數(shù)據(jù)和同步水質(zhì)化學(xué)分析數(shù)據(jù)，綜合使用葉綠素a定量反演方法，探討葉綠素a定量遙感反演的機(jī)制和模型，明確春夏季太湖水體的葉綠素a定量遙感反演的最佳模型;然后將最佳模型應(yīng)用于HJ-1A衛(wèi)星搭載的高光譜儀（HyperspectralImagingRa-diometer，HSI）遙感數(shù)據(jù)，并對(duì)HSI高光譜遙感數(shù)據(jù)反演葉綠素a濃度結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià).以期能為內(nèi)陸二類(lèi)水體葉綠素a濃度的光譜反演研究提供一些參考[1-4]。

2研究區(qū)概況

太湖地處長(zhǎng)江三角洲，面積36900平方公里，為流域第一大湖，又是我國(guó)五大淡水湖之一。太湖容量不大，調(diào)蓄能力較弱，但有利于湖水混合，使全湖水文特性、化學(xué)成分常處均一狀態(tài)。太湖地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，太湖地區(qū)年平均氣溫約為14.9～16.2°，多年平均降雨量約為1000～1400mm。夏季溫暖多雨，盛行東南風(fēng)，冬季寒冷干燥，盛行西北風(fēng)[5]。太湖地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，也是人口最密集的地區(qū)之一。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，在資源、環(huán)境等方面也付出了巨大的代價(jià)，尤其是人類(lèi)活動(dòng)給太湖造成的水質(zhì)污染，產(chǎn)生了水質(zhì)性資源短缺及太湖生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。太湖水質(zhì)污染目前已嚴(yán)重影響了整個(gè)流域的可持續(xù)發(fā)展，并對(duì)人們的身體健康造成了潛在的危害[6]。因此，加強(qiáng)對(duì)太湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)刻不容緩。

3數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

此次研究的數(shù)據(jù)源包括遙感數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)為2009年10月6日環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星（HJ-1）CCD影像，2011年landsatTM5遙感影像。非遙感數(shù)據(jù)為太湖實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，包括水面調(diào)查點(diǎn)的經(jīng)緯度和葉綠素含量。利用經(jīng)過(guò)校正的LandsatTM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)圖像，對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何校正，使其具有精確的坐標(biāo)信息，可以匹配實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本研究采用FLAASH大氣校正模塊，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)SpectralProfile工具查看校正前后同一位置的光譜曲線，可以看到植被的光譜曲線符合其光譜特征。再利用FeatureExtraction模塊中提供的面向圖像分割工具獲取分割矢量結(jié)果，手動(dòng)提取太湖邊界矢量，再利用此矢量文件裁剪得到太湖區(qū)域的圖像。至此完成預(yù)處理工作。

4太湖區(qū)域葉綠素濃度反演

遙感反演是根據(jù)觀測(cè)信息和模型，求解或推算描述地面實(shí)況的應(yīng)用參數(shù)。遙感反演模型的構(gòu)建方法主要有以下3類(lèi)：經(jīng)驗(yàn)方法：通過(guò)建立遙感數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測(cè)的水色參數(shù)值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)外推水色參數(shù)值。水色參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間關(guān)系缺乏依據(jù)，水質(zhì)遙感初期的寬波段數(shù)據(jù)多采用這種方法;半經(jīng)驗(yàn)方法：在已知的水色參數(shù)光譜特征的條件下，利用最佳的波段或波段組合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)水色參數(shù)值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行水色參數(shù)估算。得到的模型只適用于當(dāng)時(shí)的條件，對(duì)于不同季節(jié)和地域的水色參數(shù)估算需要進(jìn)行參數(shù)矯正;分析方法：利用遙感數(shù)據(jù)與水中各組分的吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)關(guān)系模型，反演水色參數(shù)含量。該方法與水體光學(xué)模型相結(jié)合具有明確的物理意義，且具有普遍適用性。分析方法是水色遙感反演模型的發(fā)展趨勢(shì)。葉綠素a濃度（Chl-a）是浮游植物的重要成分之一，本研究用分析方法來(lái)反演葉綠素濃度。

本研究選擇較為成熟的算法，即波段比值法來(lái)進(jìn)行反演模型的建立，其表達(dá)式為：

Ch1–a=a*（BNIR-BRED）+b

式中，Chl–a表示葉綠素a的濃度;BNIR和BRED分別為近紅外波段和紅波段;a和b表示參數(shù)系數(shù)。

將上述模型應(yīng)用到比值圖像中。得到葉綠素a反演結(jié)果圖像（圖1）。結(jié)果圖像中的像素值代表該像元（30mX30m）平均葉綠素a含量，單位與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。可以看到，葉綠素a含量大于0.05mg/L主要分布在太湖沿岸，這部分區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，比較容易造成水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，浮游植物易于生長(zhǎng)。

5結(jié)論

水體水色參數(shù)主要包括浮游植物、懸浮物質(zhì)和有色可溶性有機(jī)物等。這些水色參數(shù)濃度的變化，會(huì)引起水體生物光學(xué)特性和水面反射率的改變。利用遙感技術(shù)能夠根據(jù)水體光譜特征與水色參數(shù)間的關(guān)系建立反演模型，從而得到水色參數(shù)。本研究利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星（HJ-1）CCD圖像，采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?shí)測(cè)數(shù)據(jù)與圖像之間的關(guān)系，反演葉綠素a濃度（Chl-a）。根據(jù)反演結(jié)果可知，葉綠素a含量大于0.05mg/L主要分布在太湖沿岸，這部分區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，比較容易造成水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，浮游植物易于生長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭高強(qiáng).基于HJ-1A/B衛(wèi)星CCD與HSI數(shù)據(jù)的福建省水色反演模型研究[D].福州大學(xué)，2015.

[2] 劉堂友，匡定波，尹球.湖泊藻類(lèi)葉綠素-a和懸浮物濃度的高光譜定量遙感模型研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2004（01）：11-15.

[3] 孫昊，周林飛.石佛寺水庫(kù)葉綠素a濃度高光譜遙感反演[J].節(jié)水灌溉，2019（03）：67-70.

[4] 宋挺，周文鱗，劉軍志，龔紹琦，石浚哲，吳蔚.利用高光譜反演模型評(píng)估太湖水體葉綠素a濃度分布[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（03）：888-899.

[5] 浦玲偉.基于高分影像的太湖東岸帶葉綠素a濃度遙感反演研究[D].蘇州科技大學(xué)，2019.

[6] 聞建光.太湖水體葉綠素a遙感監(jiān)測(cè)模型研究[D].吉林大學(xué)，2005.