王歆暉， 鞏彩蘭*， 胡 勇， 李 瀾， 何志杰

1. 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室， 中國科學院上海技術物理研究所, 上海 200083 2. 中國科學院大學， 北京 100049

引 言

內(nèi)陸河流受自然因素和人類活動的影響， 水質(zhì)狀況受到了嚴峻挑戰(zhàn)， 也對水質(zhì)監(jiān)測技術手段提出了更高的要求。 傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測采用人工采樣化驗的方式， 監(jiān)測效率低[1-2]。 水質(zhì)遙感作為現(xiàn)有監(jiān)測體系的輔助手段， 可獲取多尺度多時相的河湖水體信息， 受到了國內(nèi)外專家學者們的重視， 內(nèi)陸水體遙感監(jiān)測已經(jīng)開展多年[3-5]。 龔紹琦等在實驗室測定了含不同濃度氮、 磷的水體反射率光譜， 并建立了總磷、 總氮濃度的反演模型[6]。 Kisevic等利用雙波段比值模型成功反演了薩瓦河中懸浮物和葉綠素的濃度[7]。 然而， 上述研究所采用的遙感傳感器大多應用于陸地觀測或海洋水色監(jiān)測， 儀器參數(shù)的設置通常并未考慮到內(nèi)陸河湖水體特性， 而水質(zhì)遙感反演模型效果又很大程度上受傳感器性能限制， 這導致當前水質(zhì)監(jiān)測效果參差不一， 適用性不強。 儀器的光譜分辨率、 信噪比、 波段設置等指標， 直接影響水質(zhì)監(jiān)測的效果， 因此亟需對內(nèi)陸河湖水體特性進行分析， 明確儀器指標對水質(zhì)參數(shù)遙感反演模型的具體敏感程度， 進而研制相應的遙感傳感器。

鑒于此， 以上海市三種典型水質(zhì)參數(shù)溶解氧、 總磷和氨氮為研究對象， 構(gòu)建了水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征并建立遙感反演模型。 通過光譜仿真模擬實驗分析了水質(zhì)參數(shù)對不同儀器性能參數(shù)的敏感程度。 最終分別測試了不同光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率下， 水質(zhì)參數(shù)反演模型的準確度和穩(wěn)定性， 給出了內(nèi)陸河湖水質(zhì)遙感監(jiān)測需要滿足的傳感器性能參數(shù)， 可為未來內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測傳感器的制備提供參考與借鑒， 進一步促進水質(zhì)遙感監(jiān)測的推廣應用。

1 實驗部分

1.1 水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征構(gòu)建方法

水質(zhì)參數(shù)遙感反演機理在于水質(zhì)參數(shù)變化會改變水體理化性質(zhì)， 間接影響水體光譜反射特性。 基于此， 本文提出了一種基于光譜變異系數(shù)和噪聲占比指數(shù)的水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征構(gòu)建方法， 從光譜差異性角度提取潛在特征， 進而構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征。 具體方法流程見圖1。

圖1 水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征構(gòu)建方法流程圖

(1)變異系數(shù)C計算。 水質(zhì)參數(shù)濃度的變化會間接反映在水體光譜反射率的差異性上。 根據(jù)實測光譜的各波段標準差與均值計算變異系數(shù)， 計算見式(1)。 變異系數(shù)值越大， 表明該波段各水體樣本反射率差異性越大， 屬于反演特征波段的可能性就越高。

(1)

式(1)中，N為水體樣本總數(shù)，Ri(λ)為第i個水體樣本在波長λ處的反射率。

(2)噪聲占比指數(shù)(noise ratio index, NRI)計算。 反射率光譜的波動差異性并不僅僅由水質(zhì)參數(shù)的不同導致， 也可能是噪聲引起的。 采用Savitzky-Golay濾波[8]對原始反射率曲線進行平滑處理， 計算噪聲和信號的比值。 噪聲占比指數(shù)越高， 說明該波段的反射率差異更多是由噪聲引起的。

(2)

(3)計算水質(zhì)反演特征指數(shù)(variable coefficient and noise ratioindex, CNRI)。 基于變異系數(shù)和噪聲占比指數(shù)定義水質(zhì)參數(shù)反演特征指數(shù)CNRI， 表征與水質(zhì)參數(shù)有關的潛在特征， 同時排除了噪聲的干擾， 計算見式(3)。

(3)

(4)局部峰值提取。 基于差分思想滑動窗口提取局部極大值點， 考慮到平滑濾波影響以及波段相關性等因素， 去除峰值附近的無關極值點， 最終得到候選特征。

(5)特征交叉篩選。 對候選特征進行兩兩交叉， 通過加減乘除運算分別得到組合特征， 并計算水質(zhì)參數(shù)和各組合特征的Spearman相關系數(shù)， 降次排序篩選出最適特征波段組合。

1.2 傳感器參數(shù)與水質(zhì)敏感微分指數(shù)構(gòu)建

理論上， 光譜分辨率越高、 探測目標特征的能力就越強， 但從儀器設計的角度而言是不現(xiàn)實的， 因此還需要綜合考慮信噪比、 輻射分辨率等性能參數(shù)。 通過光譜仿真模擬實驗分別測試不同儀器參數(shù)對水質(zhì)參數(shù)反演模型的影響， 具體實驗內(nèi)容分為(1)光譜分辨率： 假設光譜儀的光譜響應函數(shù)符合高斯函數(shù)分布， 通過光譜重采樣得到不同光譜分辨率下的水體反射率數(shù)據(jù)； (2)信噪比： 根據(jù)不同信噪比向水體反射率光譜曲線疊加高斯白噪聲； (3)輻射分辨率： 對當前動態(tài)范圍內(nèi)的水體光譜曲線按照不同量化級別進行向上取整量化采樣。

(4)

(5)

式(4)中，R0和Y0分別為初始條件下模型輸入值、 輸出值， ΔR和ΔY分別為儀器參數(shù)改變后模型輸入改變量、 輸出改變量。 式(5)中，a為水質(zhì)參數(shù)反演模型系數(shù)，RB1和RB2分別為水質(zhì)參數(shù)反演模型選用的特征波段反射率， ΔRB1和ΔRB2分別為儀器參數(shù)改變后特征波段反射率改變量。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)參數(shù)反演特征構(gòu)建及建模

針對上海市主要超標水質(zhì)參數(shù)： 溶解氧、 氨氮和總磷， 于2018年9月至2019年5月分批開展了8次水質(zhì)采樣以及同步水體光譜測量實驗， 共獲得了81條有效水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)。 圖2為實測水體高光譜反射率曲線。

圖2 水體高光譜反射率曲線圖

根據(jù)式(3)最終得到CNRI曲線圖， 如圖3所示。 利用本文方法可得到DO， TP和NH3-N的最佳反演光譜特征波段比值分別為689/660 nm， 740/636 nm和740/632 nm。

圖3 水質(zhì)參數(shù)反演特征指數(shù)CNRI曲線圖

在此基礎上構(gòu)建了水質(zhì)參數(shù)反演模型， 結(jié)果見表1， 實驗結(jié)果進一步證實了雙波段比值在一定程度上能夠消除測量誤差和環(huán)境影響[9]。

表1 水質(zhì)參數(shù)反演模型擬合結(jié)果表

2.2 敏感性分析

根據(jù)式(5)分別計算了水質(zhì)參數(shù)DO， TP和NH3-N的敏感微分指數(shù)CI， 計算結(jié)果如圖4所示。 不同的水體樣本用不同顏色曲線表示， 橫坐標分別為半峰寬度(FWHM)、 信噪比(SNR)和量化級別(Quantization level)， 縱坐標是水質(zhì)敏感微分指數(shù)CI。 結(jié)果顯示隨著光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率的提升， CI指數(shù)絕對值逐漸減小， 說明水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果的變化量逐漸減少。 水質(zhì)參數(shù)變化量小于0.01%時， 光譜分辨率要達到2.3 nm， 信噪比要達到56 dB， 輻射分辨率要達到9 bit。

圖4 不同儀器指標仿真下水質(zhì)參數(shù)CI指數(shù)

按式(4)測試了水質(zhì)參數(shù)反演模型對不同光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率的敏感度S， 見圖5。 隨著光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率的提升， 敏感度值S逐漸降低， 最終接近0。 當固定三項儀器參數(shù)不變時， 敏感度按大小排列分別是： 溶解氧>總磷>氨氮， 因此， 對儀器指標最敏感的水質(zhì)參數(shù)是溶解氧。

圖5 不同儀器指標與水質(zhì)參數(shù)敏感度S關系

2.3 儀器指標對模型影響

選擇平均絕對百分比誤差(mean absolute percentage error, MAPE)和絕對百分比誤差標準差(standard deviation of absolute percentage error, SAPE)為評價指標， 使用20個樣本的實測水質(zhì)參數(shù)值和模型反演結(jié)果， 評價儀器指標對于模型準確度和穩(wěn)定性的影響， 誤差曲線如圖6所示。 從模型反演結(jié)果來看， 模型精度按大小排列是： 溶解氧>總磷>氨氮。 總體來看， 光譜分辨率的變化對三項水質(zhì)參數(shù)反演模型的影響較小， 而信噪比和輻射分辨率則與模型的準確度和穩(wěn)定性關系密切。 隨著信噪比的提升， 模型的MAPE和SAPE整體呈波動下降趨勢， 而輻射分辨率增加， 反演模型的MAPE下降， 氨氮和總磷模型SAPE下降， 這表明兩者的提升能到一定程度上提高反演模型的準確度和穩(wěn)定性。 當信噪比達到56 dB， 輻射分辨率達到9 bit時， MAPE和SAPE趨于穩(wěn)定不變。

圖6 不同儀器指標的MAPE和SAPE

3 結(jié) 論

針對內(nèi)陸水體水質(zhì)高光譜遙感反演， 提出了基于光譜變異系數(shù)和噪聲占比指數(shù)的水質(zhì)參數(shù)反演光譜特征構(gòu)建方法， 進行了傳感器參數(shù)敏感性分析和水質(zhì)模型誤差分析后得到以下結(jié)論: (1)隨著光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率的提高， 敏感性逐漸減小， 對儀器參數(shù)最敏感的水質(zhì)參數(shù)是溶解氧。 (2)光譜分辨率對比值型水質(zhì)參數(shù)模型的精度和穩(wěn)定性影響較小， 而信噪比和輻射分辨率的提升能一定程度上提升模型的準確度和穩(wěn)定性。 在水質(zhì)監(jiān)測遙感傳感器性能參數(shù)設置時， 信噪比和輻射分辨率的優(yōu)先級要高于光譜分辨率。 (3)綜合儀器指標敏感性分析， 可知信噪比優(yōu)于56 dB， 輻射分辨率不低于9 bit， 光譜分辨率適宜， 能夠較好地應用于內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測。 本文分別對光譜分辨率、 信噪比和輻射分辨率進行獨立研究， 尚未考慮三者之間的內(nèi)在聯(lián)系以及對水質(zhì)參數(shù)反演的綜合影響， 在后續(xù)研究中將針對這一問題進行深入研究。