代前程, 謝 勇*, 陶 醉, 邵 雯, 彭飛宇, 蘇 逸, 楊邦會(huì)

1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044 2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101

引 言

近年來(lái)，內(nèi)陸湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀況較為嚴(yán)重，2020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)(https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/[2021.5.26])顯示在開(kāi)展?fàn)I養(yǎng)狀況監(jiān)測(cè)的110個(gè)重要湖泊(水庫(kù))中，中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占61.8%，輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占23.6%，中度富營(yíng)養(yǎng)及重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占5.4%。面對(duì)嚴(yán)峻的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀，及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度變得極為重要。Chl-a濃度不僅能反映水中浮游生物和初級(jí)生產(chǎn)力的分布，還是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。分析近30年來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)大型湖泊富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)鍵指標(biāo)變化的特征及其驅(qū)動(dòng)因素，發(fā)現(xiàn)浮游植物Chl-a是最主要的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)貢獻(xiàn)因子之一[2]。

當(dāng)水體葉綠素濃度、固體懸浮物和有色可溶性有機(jī)物等光學(xué)組分濃度發(fā)生變化時(shí)，水體吸收和散射等光學(xué)特性也會(huì)隨之發(fā)生改變，進(jìn)而引起離水反射率變化[3]。而高光譜數(shù)據(jù)具有非常精細(xì)化的光譜通道分布，能夠敏感地捕捉到不同Chl-a濃度條件下水體反射率的差異[4]。其中，700 nm附近由于葉綠素?zé)晒庑?yīng)產(chǎn)生的熒光峰能夠很好地響應(yīng)Chl-a濃度變化[5]。基于葉綠素?zé)晒夥褰⒌南嚓P(guān)熒光算法利用更為精細(xì)的光譜特征來(lái)減少其他光學(xué)組分的影響，獲得了較高的Chl-a濃度反演精度[6]。熒光算法能夠最大限度地提取Chl-a的熒光信號(hào)，對(duì)水質(zhì)組分易發(fā)生變化的內(nèi)陸湖泊長(zhǎng)時(shí)間尺度Chl-a濃度反演具有重要意義。

本研究以南漪湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用同步采集的實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)與Chl-a濃度數(shù)據(jù)，分析不同Chl-a濃度條件下湖面的實(shí)測(cè)光譜特征，探索不同Chl-a濃度熒光反演方法在南漪湖的適用程度，并結(jié)合光譜特征分析結(jié)果對(duì)效果欠佳的方法進(jìn)行改進(jìn)。為了更好地評(píng)價(jià)各方法，采用k折交叉驗(yàn)證法減少驗(yàn)證集選取帶來(lái)的誤差，篩選出適用性較強(qiáng)、精度較高的反演算法，以期為內(nèi)陸湖泊Chl-a濃度的反演研究提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)

南漪湖屬于長(zhǎng)江下游外流淡水湖，是皖南第一大湖泊，位于安徽省宣城市。其地理位置為118°50.051′—119°2.653′E和31°1.279′—31°10.402′N(xiāo)，湖面呈扁“V”型，面積約為183 km2，湖心處湖床高程6～7 m，正常水位8.5～9.0 m。實(shí)驗(yàn)采樣要求天氣晴朗、無(wú)風(fēng)、大氣環(huán)境穩(wěn)定，采樣點(diǎn)的布設(shè)間隔約2 km，采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 2020年—2021年間8次南漪湖走航式采樣時(shí)間與采樣點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采取走航式的觀測(cè)方式，當(dāng)船只到達(dá)規(guī)劃采樣點(diǎn)處停穩(wěn)后，架設(shè)水面輻射移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(above-water radiance mobile measuring system，AWRMMS)獲取實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)，AWRMMS是一款德國(guó)TriOS公司生產(chǎn)的水色遙感表觀光學(xué)特性測(cè)量?jī)x器，其光譜波段范圍為320～950 nm，采樣間隔3.3 nm。為了提高光譜測(cè)量的準(zhǔn)確性，選擇水上法并應(yīng)用國(guó)際水色SIMBIOS觀測(cè)幾何，確保避開(kāi)船體遮擋和船舷陰影，每個(gè)樣點(diǎn)采集15條光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均和重采樣處理得到該采樣點(diǎn)1 nm間隔實(shí)測(cè)光譜曲線。同時(shí)布設(shè)EXO1型多參數(shù)水質(zhì)分析儀同步采集Chl-a濃度數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行不少于15次測(cè)量，對(duì)質(zhì)量合格的數(shù)據(jù)取平均得到每個(gè)樣點(diǎn)的Chl-a濃度數(shù)據(jù)。

1.3 南漪湖光譜特征分析

為了解南漪湖光譜特征，繪制歷次實(shí)驗(yàn)所有采樣點(diǎn)的光譜曲線(圖2)?？梢钥闯瞿箱艉哂械湫偷膬?nèi)陸湖泊光譜特征，在320～450 nm范圍內(nèi)水體反射率較低，之后逐漸增大并在550～580 nm范圍內(nèi)形成一個(gè)反射峰，這是由于葉綠素、胡蘿卜素弱吸收，細(xì)胞和總懸浮顆粒物的散射影響[7]。因?yàn)镃hl-a對(duì)紅光的強(qiáng)烈吸收作用，675 nm附近形成吸收谷。由于純水的高吸收，波長(zhǎng)超過(guò)650 nm時(shí)向上輻照度很小，700 nm附近的峰值受到Chl-a熒光效應(yīng)影響顯著，稱(chēng)為Chl-a熒光峰[8]。730 nm之后由于水的強(qiáng)吸收作用，反射率逐漸降低。761 nm處形成的微弱反射峰是因?yàn)槿~綠素?zé)晒庑盘?hào)在大氣中氧氣吸收譜線的填充效應(yīng)[9]。810 nm附近形成反射峰，可能與懸浮物濃度有關(guān)[10]。

圖2 2020年—2021年間八次南漪湖采樣實(shí)測(cè)光譜

根據(jù)南漪湖實(shí)測(cè)光譜曲線，單次采樣期間光譜曲線形態(tài)特征和反射率大小變化幅度很小，不同采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)的光譜曲線存在著較大的差異?？梢?jiàn)采樣時(shí)間和水質(zhì)組分等因素的變化對(duì)實(shí)測(cè)光譜的形態(tài)特征和反射率大小影響顯著。為了更好地探尋不同Chl-a濃度對(duì)光譜特征的影響，將每次實(shí)驗(yàn)獲取的Chl-a濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到實(shí)測(cè)Chl-a濃度特征如表1所示。

表1 2020年—2021年間八次南漪湖實(shí)測(cè)Chl-a濃度特征

不同采樣時(shí)間的南漪湖Chl-a濃度存在明顯的差異，單次采樣的Chl-a濃度變化范圍較小，這與南漪湖實(shí)測(cè)光譜曲線特征相一致。為了更直觀地比較不同采樣時(shí)間光譜變化趨勢(shì)，依照采樣時(shí)間將南漪湖實(shí)測(cè)光譜進(jìn)行平均，并標(biāo)注每次實(shí)驗(yàn)Chl-a濃度平均值(圖3)?？梢钥吹讲煌蓸訒r(shí)間實(shí)測(cè)光譜反射率差異十分明顯，僅從反射率大小很難與Chl-a濃度建立聯(lián)系，例如2021.07.15和2020.10.23兩次采樣平均Chl-a濃度近似，但光譜反射率卻十分懸殊。通過(guò)分析光譜形態(tài)特征變化，探尋實(shí)測(cè)光譜中與Chl-a濃度密切相關(guān)的變化特征，可以有效地消除水體反射率差異帶來(lái)的影響[11]。對(duì)照Chl-a濃度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)較低Chl-a濃度對(duì)應(yīng)的光譜曲線在675 nm附近僅有輕微的波動(dòng)，而隨著Chl-a濃度的升高，光譜曲線在675 nm附近的吸收谷變得更加明顯。對(duì)于不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、不同時(shí)相的水體，其熒光峰位置均會(huì)隨著Chl-a濃度的增加逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，同時(shí)反射率增大，稱(chēng)為熒光峰紅移現(xiàn)象。由于Chl-a吸收谷和熒光峰所在的光譜范圍受到固體懸浮物和有色可溶性有機(jī)物影響較小[12]，Chl-a吸收谷與熒光峰特征能更為有效地提取Chl-a濃度信息。

圖3 2020年—2021年間南漪湖每次采樣平均實(shí)測(cè)光譜

根據(jù)光譜分析的結(jié)果，選取與Chl-a吸收谷與熒光峰結(jié)合較為緊密的峰谷距離法、熒光基線高度法和峰面積法三種典型熒光算法，并基于峰面積法提出谷上峰面積法。利用四種方法共同反演南漪湖Chl-a濃度，旨在最大可能地凸顯Chl-a信息，減少不同時(shí)相反射率差異的影響，精確反演Chl-a濃度。

1.4 峰谷距離法

由于Chl-a熒光峰紅移現(xiàn)象，熒光峰隨著Chl-a濃度的增大向長(zhǎng)波方向偏移。峰谷距離為Chl-a吸收谷和相鄰的熒光峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差值，能夠反映Chl-a濃度[13]。

Dp-v=λp-λv

(1)

式(1)中，Dp-v為峰谷距離，λp為Chl-a熒光峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，λv為Chl-a吸收谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。南漪湖Chl-a濃度變化較大，Chl-a熒光峰有明顯的紅移現(xiàn)象，符合峰谷距離法的應(yīng)用條件。

圖4 峰谷距離示意圖

1.5 熒光基線高度法

熒光基線高度法利用Chl-a熒光峰相鄰的兩個(gè)吸收谷的連線作為基線，基線之上的熒光峰高度被稱(chēng)為熒光基線高度(fluoresce line height，F(xiàn)LH)[14]。

(2)

式(2)中，λp是Chl-a熒光峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，λv是Chl-a熒光峰左側(cè)吸收谷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，λv2是熒光峰右側(cè)吸收谷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，Rrs(λ)是λ波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)反射率。

圖5 熒光基線高度示意圖

1.6 峰面積法

峰面積法利用Chl-a熒光峰相鄰的2個(gè)吸收谷來(lái)計(jì)算Chl-a濃度在紅波段的反射峰面積(normalized peak area，NPA)，峰面積法綜合考慮了葉綠素散射效率，反演Chl-a濃度取得了很好的結(jié)果[15]。

(3)

式(3)中，NPA是指峰面積，λv是Chl-a熒光峰左側(cè)吸收谷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，λv2是熒光峰右側(cè)吸收谷對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，Rrs(λ)是λ波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)反射率。

圖6 峰面積示意圖

1.7 谷上峰面積法

研究發(fā)現(xiàn)峰面積法對(duì)于Chl-a濃度較低但反射率整體較高的的光譜曲線適用性不足，因此在南漪湖實(shí)測(cè)光譜特征的基礎(chǔ)上，將峰面積法進(jìn)行改進(jìn)，定義Chl-a吸收谷極小值處的水平切線L與熒光峰圍成的面積為谷上峰面積(peak area above valley，PAAV)。

(4)

圖7 谷上峰面積示意圖

2 結(jié)果與討論

利用k折交叉驗(yàn)證法對(duì)不同反演方法的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，k折交叉驗(yàn)證將樣本均勻地分成k份，依次選擇其中的k-1份進(jìn)行反演，利用余下的一份進(jìn)行驗(yàn)證，取k次驗(yàn)證誤差的平均值來(lái)評(píng)價(jià)不同反演方法的精度。k折交叉驗(yàn)證法可以保證所有數(shù)據(jù)均參與反演和驗(yàn)證，避免實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少時(shí)因?yàn)轵?yàn)證樣本選擇不當(dāng)而帶來(lái)的誤差。

依照4∶1的比例建立建模集和驗(yàn)證集，因此選擇5折交叉驗(yàn)證法，將98條數(shù)據(jù)分為5組，前三組各20條后兩組各19條。使用決定系數(shù)(R2)來(lái)評(píng)價(jià)不同樣本集建立算法的可靠程度和反演結(jié)果與真值的線性相關(guān)程度；均方根誤差(RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)用于衡量觀測(cè)值同真值間的偏差，兩者分別反映方法的穩(wěn)定性和精度。

表2列出5折交叉驗(yàn)證得到的四種方法分別對(duì)應(yīng)的五組驗(yàn)證集反演算法公式，其中自變量為各方法在光譜曲線上的提取值，因變量為反演的Chl-a濃度。峰谷距離與Chl-a濃度呈指數(shù)關(guān)系，其余三種方法均為線性關(guān)系。谷上峰面積法相較于峰面積法R2有明顯提升(平均值從0.430 4提高到0.748 9)。峰谷距離法和熒光基線高度法的R2平均值分別為0.767 8和0.735 5，可見(jiàn)除了峰面積法其余三種方法均與Chl-a濃度具有較好的相關(guān)性。

圖8中一到五行依次對(duì)應(yīng)五組驗(yàn)證集，比較各組的反演結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，不同組別的驗(yàn)證集對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果差異較大，第一組和第五組反演結(jié)果要優(yōu)于其余三組，第三組的反演結(jié)果最不理想。從不同評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，四種方法各驗(yàn)證集的R2極差范圍為0.1075到0.2358，平均極差0.154 0；RMSE極差范圍為0.286 1～0.684 5 μg·L-1，平均極差0.437 5 μg·L-1；MAPE極差范圍為15.15%～40.16%，平均極差28.27%。由此可見(jiàn)驗(yàn)證集的選取對(duì)反演結(jié)果有著顯著的影響，5折交叉驗(yàn)證利用五組驗(yàn)證集精度評(píng)價(jià)的平均值(表3)綜合評(píng)判各方法反演結(jié)果的優(yōu)劣，減小了樣本建模集與驗(yàn)證集選取不當(dāng)造成的精度評(píng)價(jià)誤差，最大程度地比較出各方法的優(yōu)劣。

表2 四種反演方法構(gòu)建算法結(jié)果

表3 五組驗(yàn)證集精度評(píng)價(jià)平均值

根據(jù)四種反演方法5折交叉驗(yàn)證精度評(píng)價(jià)平均結(jié)果，谷上峰面積法取得了最優(yōu)的反演結(jié)果，其精度和穩(wěn)定性均高于其余三種方法。峰谷距離法和熒光基線高度法的精度略差于谷上峰面積法，而峰面積法精度最差。根據(jù)光譜分析結(jié)果，峰面積法受到Chl-a熒光峰高度差異影響顯著，不能很好地將Chl-a濃度相似但熒光峰高度差異較大的采樣數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，對(duì)于Chl-a濃度較低但整體反射率較高的的光譜曲線也不能適用。谷上峰面積法能夠減少熒光峰高度差異的影響，更有效地提取Chl-a熒光峰信息，因此谷上峰面積法和峰面積法相比精度有顯著的提升。根據(jù)圖8可以看出谷上峰面積法精度優(yōu)于峰谷距離法和熒光基線高度法的原因是在中等Chl-a濃度(2～7 μg·L-1)具有最好的擬合效果，將2～7 μg·L-1范圍內(nèi)各方法反演精度進(jìn)行比較(表4)，可見(jiàn)谷上峰面積法在2～7 μg·L-1范圍內(nèi)相較于其他方法精度提升明顯。

圖8 四種方法Chl-a濃度反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表4 中等Chl-a濃度(2～7 μg·L-1)下四種方法精度比較

四種方法利用了Chl-a熒光峰的不同特性，峰谷距離法基于熒光峰的紅移現(xiàn)象、熒光基線高度法基于熒光峰的基線高度、峰面積法和谷上峰面積法基于熒光峰的面積，各方法從不同的角度盡可能地提取Chl-a熒光峰信息。谷上峰面積法優(yōu)化了峰面積法的計(jì)算方式，更好地利用了Chl-a熒光峰的面積，提高了反演的精度。盡管谷上峰面積法取得了較好的反演結(jié)果，增添了一種新的內(nèi)陸湖泊Chl-a濃度熒光反演方法，但是考慮到研究樣本缺少冬季和春季的數(shù)據(jù)，方法的普適性亟待進(jìn)一步研究。接下來(lái)將著重開(kāi)展冬春季節(jié)的實(shí)驗(yàn)，豐富研究樣本，更加深入的研究谷上峰面積法對(duì)于不同Chl-a濃度水體的適用性，提高方法的精度。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析南漪湖不同時(shí)相、不同Chl-a濃度條件下的光譜特征，利用5折交叉驗(yàn)證法比較不同熒光算法反演精度，得出以下結(jié)論：

(1)南漪湖Chl-a熒光峰特征顯著，隨著Chl-a濃度的增大，熒光峰出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象，Chl-a吸收谷和熒光峰分別有加深和升高的趨勢(shì)，成為反演Chl-a濃度最為關(guān)鍵的兩個(gè)譜段范圍。

(2)谷上峰面積法取得了最好的反演精度(R2=0.756 7，RMSE=1.653 1 μg·L-1，MAPE=40.77%)，相較于峰谷距離法、熒光基線高度法和峰面積法精度均有提升，為Chl-a濃度熒光反演提供了新的思路。