基于實測反射率光譜的太湖藍藻識別與定量估算研究.pdf

1、湖泊是地球上重要的淡水資源,但隨著經(jīng)濟高速發(fā)展和工業(yè)化程度的加劇以及人類生活的影響,湖泊污染和富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重。富營養(yǎng)化水體中日趨普遍的藍藻水華以及隨之而來的藻毒素污染嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟發(fā)展、居民生活以及危害人類健康,成為全球關(guān)注的環(huán)境問題。對內(nèi)陸水體、特別是飲用水源地水體藍藻識別以及其生物量的動態(tài)監(jiān)測具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的基于生物形態(tài)學(xué)的藍藻識別和生物量估算方法耗時費力,對于大而積的水域應(yīng)用具有一定的局限性。而利用遙感技術(shù)對水體

2、中的藍藻進行識別,并對其生物量進行遙感定量估算可以快速、及時的對水體中藍藻的變化進行動態(tài)監(jiān)測,并能夠提供藍藻的時空分布特征,是藍藻監(jiān)測以及藍藻水華爆發(fā)預(yù)警、預(yù)測的有效手段。
　　 本文以水體輻射傳輸方程為理論依據(jù),在基于生物光學(xué)模型的基礎(chǔ)上,以太湖作為研究區(qū),利用地物光譜儀實測的水面以上遙感反射率,對利用遙感技術(shù)進行內(nèi)陸水體中的藍藻進行遙感識別,并對其進行遙感定量估算的機理和方法進行研究。本文的研究內(nèi)容和得到主要結(jié)論包括以下幾方

3、面:
　　 (1)分析了太湖水體固有光學(xué)特性及其季節(jié)差異性
　　 利用“定量濾膜法”測定太湖水體有色可溶性有機物(CDOM)、非色素顆粒物和浮游藻類的吸收系數(shù)光學(xué)特性,并利用生物光學(xué)模型的模擬水體的后向散射系數(shù),對這些固有光學(xué)參數(shù)的光譜特征以及參數(shù)化方案進行了研究,并對其季節(jié)差異性進行分析。結(jié)果表明:CDOM和非藻類顆粒物的吸收系數(shù)以及水體的后向散射系數(shù)具有相似的光譜特征,隨著波長的增加呈指數(shù)遞減,浮游藻類的吸收系數(shù)具有

4、明顯的吸收峰。后向散射系數(shù)主要是由無機懸浮物引起的,浮游藻類對后向散射系數(shù)的貢獻率很小,可以忽略。對于不同季節(jié),CDOM和非藻類顆粒物的吸收系數(shù)光譜特征無明顯變化,對其進行參數(shù)化得到的參數(shù)變化較??；浮游藻類吸收系數(shù)的季節(jié)差異性很大。
　　 (2)研究了監(jiān)藻水華優(yōu)勢藻種——微囊藻的生物光學(xué)特性及其影響因子
　　 利用室內(nèi)純種浮游藻類培養(yǎng)實驗,培養(yǎng)了藍藻的優(yōu)勢藻種微囊藻和太湖水體中常見的柵藻,研究了藍藻的生物光學(xué)特性,并對其

5、光學(xué)特性的影響因素進行分析。結(jié)果表明:藍藻具有特殊的吸收光譜特征,在620nm附近處的吸收峰可以作為識別藍藻的標(biāo)志；在不同的生長周期,在620nm附近的峰值的高度具有較大的變化,是影響藍藻光學(xué)特性的一個重要因素；水體中的其他藻類和懸浮物對藍藻的光學(xué)特征在遙感反射率中表達具有較大的影響。
　　 (3)根據(jù)水—氣界面輻射傳輸方程和生物光學(xué)模型,實現(xiàn)了基于實測反射率光譜數(shù)據(jù)的水體固有光學(xué)特性提取
　　 根據(jù)太湖水體的固有光學(xué)特

6、性,利用水—氣界面輻射傳輸方程和生物光學(xué)模型,研究了水體遙感反射率和固有光學(xué)特性的定量表達關(guān)系,建立適合于太湖水體的固有光學(xué)參數(shù)光譜特征提取半分析模型。結(jié)果表明:利用本文建立的半分析模型可以很好的從水面以上遙感反射率中提取水體的固有光學(xué)參數(shù)光譜特征。提取的水體總系數(shù)吸收與實測水體總系數(shù)具有較高的光譜相似度。但對于不同的季節(jié),在模型的參考波段選擇上具有一定的變化。
　　 (4)提出了太湖水體浮游藻類吸收系數(shù)分離方法
　　

7、根據(jù)有色可溶性有機物和非藻類顆粒物具有相似光譜特征的特點,提出了適合于太湖水體的從水體總吸收系數(shù)中分離出浮游藻類吸收系數(shù)的方法。該方法將非藻類顆粒物和CDOM的吸收系數(shù)作為一個參量進行參數(shù)化,并利用浮游藻類自身吸收系數(shù)的特點,較好的從水體總吸收系數(shù)總分離出浮游藻類的吸收系數(shù),從而實現(xiàn)了基于遙感反射率的浮游藻類吸收系數(shù)光譜特征提取。
　　 (5)根據(jù)生物光學(xué)模型,構(gòu)建了適合于太湖渾濁水體藍藻定量估算新模型
　　 利用藻青蛋

8、白色素作為藍藻生物量的衡量指標(biāo),通過對水體中藻青蛋白的定量估算,間接實現(xiàn)水體中藍藻生物量的估算。本研究根據(jù)水體固有光學(xué)特性與遙感反射率之間的定最表達關(guān)系,研究了水體各水色因子固有光學(xué)特性對遙感反射率的作用機制,并研究了這些固有光學(xué)特性在遙感反射率表達中相互影響,建立了適合于太湖水體的藻青蛋白濃度半分析遙感定量估算模型。結(jié)果表明,本文建立的半分析藻青蛋白色素濃度反演模型能夠去除懸浮物對反演精度的影響,能夠很好的反演出太湖水體中藻青蛋白色素