基于實測光譜巢湖藻藍(lán)素濃度的反演模型研究.pdf

1、近些年以來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、工業(yè)化程度的加劇以及人類活動的影響，巢湖大部分湖區(qū)表現(xiàn)出中度及以上的富營養(yǎng)化水平，尤其是在夏季更為嚴(yán)重，這一問題受到廣泛關(guān)注。本文以巢湖為實驗區(qū)，借助野外采樣觀測，實驗室分析數(shù)據(jù)，分析浮游植物光譜吸收特性、水體反射光譜特征和水質(zhì)參數(shù)濃度之間的相互關(guān)系；系統(tǒng)的比較浮游植物光譜吸收aph(665)的三波段模型、改進(jìn)三波段模型、四波段模型和Simis的aph(665)模型；最終選擇aph(665)的四波段模

2、型，將其與Simis藻藍(lán)素模型結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，有效提高巢湖湖泊藻藍(lán)素濃度的反演精度。綜上，本文旨在分析巢湖湖泊含藻類水體的高光譜反射率特征和浮游植物光譜吸收特征的前提下，進(jìn)而分析其與藻藍(lán)素和葉綠素濃度之間的關(guān)系，建立適合巢湖湖泊特點的藻藍(lán)素反演遙感模型，為巢湖的藍(lán)藻暴發(fā)遙感監(jiān)測及保護(hù)管理提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴浮游植物光譜吸收系數(shù)aph(665)的反演建模：經(jīng)過室內(nèi)處理，得到高光譜數(shù)據(jù)和浮游植物

3、光譜吸收數(shù)據(jù)，分析浮游植物光譜吸收與對應(yīng)波段遙感反射率之間的相關(guān)關(guān)系，依據(jù)反演葉綠素a常用的三波段模型、改進(jìn)三波段模型和四波段模型分別建立對應(yīng)的aph(665)的三波段模型、改進(jìn)三波段模型和四波段模型，通過模型精度評價，并利用驗證數(shù)據(jù)對模型依次進(jìn)行了驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：浮游植物色素濃度的大小差異影響著浮游植物光譜吸收系數(shù)值的大小，隨色素濃度增大而增大。不同采樣點的浮游植物光譜吸收特性大致相同，主要包含波長為620nm處的藻藍(lán)素吸收峰，這是藍(lán)

4、藻的最顯著特征；波長為440nm和675 nm處的葉綠素a兩個特征吸收峰；aph(665)與aph(675)存在極高的相關(guān)性，可以代替aph(675)。模型驗證結(jié)果表明，在巢湖湖泊中，aph(665)的四波段模型的精度和穩(wěn)定性要明顯好于其他兩個模型，R2為0.8402，RMSE和MRE分別是0.394m-1、8.05％；三波段模型次之，改進(jìn)三波段模型精度最低。⑵巢湖水體反射光譜特征：處理后的巢湖水體遙感反射率光譜曲線，其光譜特征清晰反映

5、出典型的富營養(yǎng)化水體所共有的遙感反射率特性：反射率變化較大，但在相同波段各采樣點的遙感反射率表現(xiàn)出較為一致的變化，其主要的光譜特征包括：在可見光波段范圍中，出現(xiàn)了“三峰兩峽谷”的特殊現(xiàn)象，560nm、650nm和700nm的反射峰，該反射峰值與水體葉綠素濃度呈正相關(guān)，反射峰值隨葉綠素濃度增加而增加，其中，經(jīng)常用700nm附近的反射峰的存在與否來判定水體是否含有葉綠素；反射率低谷分別出現(xiàn)在625nm和675nm，經(jīng)常用625nm的反射率來

6、監(jiān)測富營養(yǎng)水體中的藍(lán)藻水華。在820nm附近的反射峰峰值與懸浮物濃度有關(guān)，通常將該波段作為懸浮物反演的主要波段。⑶藻藍(lán)素反演建模：利用2次采樣的遙感反射率和浮游植物光譜吸收數(shù)據(jù)建立了Simis模型的浮游植物光譜吸收aph(665)模型，并與其他幾種aph(665)模型進(jìn)行精度比較。結(jié)果顯示：浮游植物光譜吸收aph(665)的四波段模型精度最高，R2為0.8402，擬合程度更加優(yōu)越。其中，在利用驗證數(shù)據(jù)對模型精度進(jìn)行估算時，aph(665

7、)四波段模型的RMSE和 MRE分別是1.33m-1和62.01%，Simis的aph(665)模型中，RMSE和MRE分別是1.733m-1和74%，精度明顯劣于aph(665)的四波段模型?？梢姡诔埠磧?nèi)，使用Simis模型對藻藍(lán)素進(jìn)行反演是不合適、需要改進(jìn)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，對 Simis藻藍(lán)素模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。經(jīng)過驗證，這一優(yōu)化模型適用于巢湖這樣的渾濁