基于实测光谱巢湖藻蓝素浓度的反演模型研究

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近些年以来,随着社会经济的高速发展、工业化程度的加剧以及人类活动的影响,巢湖大部分湖区表现出中度及以上的富营养化水平,尤其是在夏季更为严重,这一问题受到广泛关注。本文以巢湖为实验区,借助野外采样观测,实验室分析数据,分析浮游植物光谱吸收特性、水体反射光谱特征和水质参数浓度之间的相互关系;系统的比较浮游植物光谱吸收aph(665)的三波段模型、改进三波段模型、四波段模型和Simis的aph(665)模型;最终选择aph(665)的四波段模型,将其与Simis藻蓝素模型结合进行优化改进,有效提高巢湖湖泊藻蓝素浓度的反演精度。综上,本文旨在分析巢湖湖泊含藻类水体的高光谱反射率特征和浮游植物光谱吸收特征的前提下,进而分析其与藻蓝素和叶绿素浓度之间的关系,建立适合巢湖湖泊特点的藻蓝素反演遥感模型,为巢湖的蓝藻暴发遥感监测及保护管理提供一定的理论基础和技术支撑。  本研究主要内容包括:⑴浮游植物光谱吸收系数aph(665)的反演建模:经过室内处理,得到高光谱数据和浮游植物光谱吸收数据,分析浮游植物光谱吸收与对应波段遥感反射率之间的相关关系,依据反演叶绿素a常用的三波段模型、改进三波段模型和四波段模型分别建立对应的aph(665)的三波段模型、改进三波段模型和四波段模型,通过模型精度评价,并利用验证数据对模型依次进行了验证。结果发现:浮游植物色素浓度的大小差异影响着浮游植物光谱吸收系数值的大小,随色素浓度增大而增大。不同采样点的浮游植物光谱吸收特性大致相同,主要包含波长为620nm处的藻蓝素吸收峰,这是蓝藻的最显著特征;波长为440nm和675 nm处的叶绿素a两个特征吸收峰;aph(665)与aph(675)存在极高的相关性,可以代替aph(675)。模型验证结果表明,在巢湖湖泊中,aph(665)的四波段模型的精度和稳定性要明显好于其他两个模型,R2为0.8402,RMSE和MRE分别是0.394m-1、8.05%;三波段模型次之,改进三波段模型精度最低。⑵巢湖水体反射光谱特征:处理后的巢湖水体遥感反射率光谱曲线,其光谱特征清晰反映出典型的富营养化水体所共有的遥感反射率特性:反射率变化较大,但在相同波段各采样点的遥感反射率表现出较为一致的变化,其主要的光谱特征包括:在可见光波段范围中,出现了“三峰两峡谷”的特殊现象,560nm、650nm和700nm的反射峰,该反射峰值与水体叶绿素浓度呈正相关,反射峰值随叶绿素浓度增加而增加,其中,经常用700nm附近的反射峰的存在与否来判定水体是否含有叶绿素;反射率低谷分别出现在625nm和675nm,经常用625nm的反射率来监测富营养水体中的蓝藻水华。在820nm附近的反射峰峰值与悬浮物浓度有关,通常将该波段作为悬浮物反演的主要波段。⑶藻蓝素反演建模:利用2次采样的遥感反射率和浮游植物光谱吸收数据建立了Simis模型的浮游植物光谱吸收aph(665)模型,并与其他几种aph(665)模型进行精度比较。结果显示:浮游植物光谱吸收aph(665)的四波段模型精度最高,R2为0.8402,拟合程度更加优越。其中,在利用验证数据对模型精度进行估算时,aph(665)四波段模型的RMSE和 MRE分别是1.33m-1和62.01%,Simis的aph(665)模型中,RMSE和MRE分别是1.733m-1和74%,精度明显劣于aph(665)的四波段模型。可见,在巢湖湖泊内,使用Simis模型对藻蓝素进行反演是不合适、需要改进的。因此,本文用高精度的aph(665)的四波段模型代替Simis模型的aph(665)模型,对 Simis藻蓝素模型进行优化改进。经过验证,这一优化模型适用于巢湖这样的浑浊浅水湖泊内藻蓝素的反演。
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