湖水濁度高光譜定量反演模型

來(lái)源：http://www.ssygc.com/ 作者：余氯檢測(cè)儀 時(shí)間：2018-12-28

　　摘要：根據(jù)實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)和同步水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)識(shí)別反演水體濁度的高光譜敏感波段，分別建立了原始光譜反射率模型、歸一化光譜反射率模型、波段比值模型和一階微分模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，4種模型的決定系數(shù)R2均在075以上，其中825 nm處歸一化光譜反射率模型和波段比值模型估測(cè)濁度精度較高，均方根誤差RMSE分別為2879 NTU和2423 NTU。研究結(jié)果可以為南四湖水體濁度大面積遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化管理提供技術(shù)支持。

濁度儀
 

　　關(guān)鍵詞：南四湖;遙感;濁度;高光譜;反演

　　南四湖位于淮河流域北部，東、西、北三面承接蘇、魯、豫、皖4省32個(gè)縣(市)的來(lái)水，流域面積317萬(wàn)km2，是我國(guó)北方最大的淡水湖，同時(shí)也是南水北調(diào)東線工程重要的水源地和調(diào)蓄湖泊，具有防洪、排澇、灌溉、供水、養(yǎng)殖、通航及旅游等多種功能，其水質(zhì)好壞直接影響著“一湖清水向北流”調(diào)水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2014年以來(lái)，山東發(fā)生嚴(yán)重旱情，南四湖水位持續(xù)下降，甚至從六月份開始先后降至死水位和最低生態(tài)水位，水體自凈能力下降，水體渾濁度增加，水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響南四湖附近居民的生活和養(yǎng)殖業(yè)。全面監(jiān)測(cè)南四湖水體水質(zhì)對(duì)南水北調(diào)東線工程的順利實(shí)施和保障南四湖周邊居民的飲用水安全具有重要意義。

　　濁度是評(píng)價(jià)湖泊水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，濁度大小直接影響光在水體中的衰減，從而影響水體的初級(jí)生產(chǎn)力[12]。利用遙感方法監(jiān)測(cè)湖泊水體濁度具有范圍廣、時(shí)間短、成本低和便于長(zhǎng)期進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，克服了常規(guī)監(jiān)測(cè)手段存在的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、瞬間性和局部性等缺點(diǎn)[34]，可以對(duì)大面積水域進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)。常用的方法有物理方法、經(jīng)驗(yàn)方法和半經(jīng)驗(yàn)方法，由于物理方法理論基礎(chǔ)還不夠完善，經(jīng)驗(yàn)方法精度較低，所以半經(jīng)驗(yàn)方法應(yīng)用最多[5]。郭邵萌[6]對(duì)東昌湖水體實(shí)測(cè)高光譜反射率進(jìn)行歸一化處理，和濁度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)濁度與480 nm附近歸一化光譜反射率呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)，與670 nm附近歸一化反射率呈現(xiàn)出較高的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8;段洪濤[7]等對(duì)查干湖水體反射率和濁度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)濁度與400～900 nm的波段反射率都呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在04～06之間;Chen[8]等研究發(fā)現(xiàn)珠江河口水體520 nm處實(shí)測(cè)光譜反射率和濁度有較好的相關(guān)性。

　　本文通過(guò)分析南四湖水體反射光譜特征與濁度之間的關(guān)系，運(yùn)用目前湖泊水質(zhì)反演中常用的原始光譜反射率法、歸一化反射率法、波段比值法和一階微分法[7，1012，14]，分別建立相應(yīng)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸榻窈罄眠b感數(shù)據(jù)對(duì)南四湖水體濁度大面積定量反演提供建模基礎(chǔ)。 　　1 數(shù)據(jù)獲取

　　2014年7月22日至23日，在南四湖布設(shè)了15個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，測(cè)量了水面的反射光譜，同時(shí)對(duì)表層水進(jìn)行取樣。水體濁度用美國(guó)哈希HACH濁度儀1900C現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，數(shù)值在395～338 NTU之間，平均值為14797 NTU，變化范圍較大。采樣期間天空基本無(wú)云，風(fēng)速較小，水面平靜，無(wú)大面積藍(lán)藻爆發(fā)。光譜測(cè)量采用HR1024(波段范圍為345～2 5099 nm)地物光譜輻射計(jì)，測(cè)量在船上進(jìn)行，測(cè)量時(shí)垂直水面，借助白板量測(cè)，儀器自動(dòng)將水體的向上輻射率轉(zhuǎn)化為水體的反射率。剔除光譜異常值，選取11個(gè)樣點(diǎn)分析，其中8個(gè)樣點(diǎn)用于建模，剩下3個(gè)樣點(diǎn)用于驗(yàn)證。

　　圖1 采樣點(diǎn)分布

　　2 建模與分析

　　2.1 光譜特征分析

　　光譜測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。雖然不同采樣點(diǎn)光譜反射率變化很大，但都表現(xiàn)出內(nèi)陸水體的一般特征：在400～500 nm范圍內(nèi)，由于葉綠素a和黃色物質(zhì)的強(qiáng)烈吸收，水體呈較低的反射率;560 nm附近的反射峰是由于葉綠素a、胡蘿卜素吸收較弱以及細(xì)胞和懸浮物的散射作用形成的;該反射峰值與色素組成有關(guān)，可以作為葉綠素a的定量標(biāo)志;680 nm附近出現(xiàn)葉綠素a的又一小吸收峰，是藻類葉綠素在紅光波段強(qiáng)烈吸收的結(jié)果;700 nm附近反射峰的出現(xiàn)是含藻類水體最顯著的光譜特征，其存在與否是判定水體是否含有藻類葉綠素的依據(jù)之一[9];大于730 nm的波段范圍，純水吸收系數(shù)迅速增大，所以水體光譜反射率迅速降低;直到810 nm附近又出現(xiàn)反射峰，該反射峰是由懸浮物散射形成的。

　　圖2 水體采樣點(diǎn)光譜曲線

　　2.2 原始光譜反射率和歸一化反射率模型

　　水體實(shí)測(cè)高光譜在345～400 nm以及900 nm以上噪聲較大，選擇400～900 nm原始光譜反射率和濁度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，715～900 nm原始光譜反射率和濁度相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均大于08，其中838 nm處的原始光譜反射率和濁度的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0950 1，在001檢驗(yàn)水平下顯著相關(guān)。選擇838 nm處原始處光譜反射率和濁度建立線性回歸模型(Linear Regression Model，LRM)，模型見(jiàn)公式(1)。

　　y = 3827.3x-66.894 (n=8，p<0.01)

　　(1)

　　式中：x為838 nm處原始光譜反射率;y為濁度;n為樣本數(shù)。

　　圖3 光譜反射率和濁度的相關(guān)性

　　為了使不同時(shí)間、地點(diǎn)和大氣條件下測(cè)得的水體光譜具有可比性，同時(shí)尋找待測(cè)指標(biāo)的特征波段，對(duì)原始光譜反射率歸一化，即將太陽(yáng)移到測(cè)量點(diǎn)的正上方，去掉大氣的影響[10]。利用可見(jiàn)光波段400～750 nm對(duì)原始光譜反射率進(jìn)行歸一化處理，模型如式(2)所示，光譜曲線見(jiàn)圖4。經(jīng)歸一化處理后，光譜曲線變的相對(duì)集中，抑制或消除了環(huán)境因素對(duì)光譜曲線的整體性提高或降低[11]。

　　(λi)=R(λi)1n∑750400R(λi)

　　(2)

　　式中：(λi)為λi處的歸一化反射率;R(λi)為λi處的反射率;n為400～750 nm的波段數(shù)。

　　圖4 歸一化反射率曲線

　　利用經(jīng)歸一化處理之后的反射率與濁度進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)580 nm附近、731～900 nm波段歸一化反射率與濁度有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，最大正相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在825 nm處，相關(guān)系數(shù)為0890 2，在001檢驗(yàn)水平下顯著相關(guān)。這與郭邵萌[6]研究結(jié)果差異較大，可能是因?yàn)閮H根據(jù)反射率數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)濃度值建立的統(tǒng)計(jì)模型缺乏物理基礎(chǔ)支持，不同氣象條件和不同時(shí)間條件等因素對(duì)最終的模型建立有較大的影響[12]。用825 nm處的歸一化光譜反射率和濁度建立線性回歸模型，模型見(jiàn)式(3)。

　　y=473.94x-172.39 (n=8，p<0.01)

　　(3)

　　式中：x為825 nm處歸一化光譜反射率，其它符號(hào)含義同式(1)。

　　圖5 歸一化反射率與濁度的相關(guān)性

　　2.3 一階微分模型

　　對(duì)光譜的一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜的影響，微分光譜對(duì)信噪比非常敏感[13]。由于光譜儀測(cè)量數(shù)據(jù)為離散型數(shù)據(jù)，因此用公式(4)近似計(jì)算，光譜反射率經(jīng)一階微分處理后見(jiàn)圖6。

　　R′(λi)=R(λi+1)-R(λi-1)λi+1-λi-1

　　(4)

　　式中：λi-1、λi和λi+1為相鄰波長(zhǎng);R(λi-1)和R(λi+1)分別為波長(zhǎng)λi1、λi+1的反射率，R′(λi)為波長(zhǎng)λi處一階微分反射光譜。

　　選擇400～900 nm光譜反射率的一階微分值與濁度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，495 nm附近、750 nm附近、780 nm附近以及790～805 nm波段反射率和濁度有

　　圖6 反射率一階微分曲線

　　Fig.6 Firstderivative curves of reflectance 　　較高的正相關(guān)系數(shù);雖然870～885 nm波段反射率和濁度有較高的負(fù)相關(guān)系數(shù)，但該波段反射率變化較小，微分處理會(huì)放大噪聲[14]。最終選擇和濁度具有最大正相關(guān)系數(shù)的781 nm處反射率的一階微分值和濁度建立線性回歸模型，模型見(jiàn)公式(5)。

　　y=1263096.23x-182.02 (n=8，p<0.01)

　　(5)

　　式中：x為781 nm光譜反射率一階微分值，其它符號(hào)含義同式(1)。

　　圖7 一階微分與濁度相關(guān)性

　　2.4 波段比值模型

　　用波段比值可以部分消除水表面光滑度、周圍環(huán)境等背景噪聲的干擾[15]，并在一定程度上減少其他水色要素的影響[16]。在研究歸一化反射率與懸浮物濃度敏感性的基礎(chǔ)上，選擇和濁度具有最大正相關(guān)系數(shù)的825 nm處歸一化反射率和與濁度具有最大負(fù)相關(guān)系數(shù)的591 nm處歸一化反射率進(jìn)行比值，然后和濁度進(jìn)行相關(guān)性分析，825/591和濁度的相關(guān)系數(shù)為0896 3，用825/591和濁度建立線性回歸模型，模型見(jiàn)公式(6)。

　　y = 527.13x132.77 (n=8，p<0.01)

　　(6)

　　式中：x為825 nm處歸一化反射率和591 nm處歸一化反射率的比值，其它符號(hào)含義同式(1)。

　　3 模型驗(yàn)證

　　通過(guò)公式(7)的均方根誤差RMSE，利用剩余的三個(gè)樣點(diǎn)驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)精度，結(jié)果見(jiàn)圖8。

　　RMSE=∑ni=1(Xe，i-Xo，i)2/n

　　(7)

　　式中：Xe，i表示第i個(gè)反演值，Xo，i表示第i個(gè)實(shí)測(cè)值，n為評(píng)價(jià)個(gè)數(shù)。

　　圖8 模型驗(yàn)證

　　由圖8可以看出，波段比值模型驗(yàn)證精度最高，RMSE為24.23 NTU，其次是825 nm處歸一化反射率模型，RMSE為28.79 NTU，838 nm處原始光譜反射率模型和781 nm處一階微分模型驗(yàn)證誤差相對(duì)較大，分別為4049 NTU和4585 NTU。總的來(lái)說(shuō)，四種模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值散點(diǎn)均十分靠近1 ∶ 1線兩側(cè)，模型驗(yàn)證精度較好。

　　4 結(jié)論

　　利用南四湖水體實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)和同步水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，在分析南四湖水體光譜反射率和濁度相關(guān)性的基礎(chǔ)上，建立了反演南四湖水體濁度的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停〉萌缦陆Y(jié)果。

　　(1)基于光譜反射率和濁度之間的關(guān)系分析表明：838 nm處原始光譜反射率、825 nm處歸一化反射率、781 nm處一階微分和波段比值模型可以較好地用于南四湖水體濁度的反演，模型的均方根誤差RMSE分別為4049 NTU、2879 NTU、4585 NTU和2423 NTU。

　　(2)通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，波段比值模型和825 nm處歸一化反射率模型要好于838 nm處原始光譜反射率模型和781 nm處一階微分模型，這是因?yàn)閷?duì)原始光譜進(jìn)行歸一化處理以及波段比值能有效去除環(huán)境因素的干擾，可以明顯的提高模型精度。這為今后利用高光譜遙感數(shù)據(jù)在南四湖進(jìn)行大面積濁度反演提供了建模基礎(chǔ)。

　　為了增強(qiáng)模型的實(shí)用性和通用性，后續(xù)研究還應(yīng)在多個(gè)時(shí)間段對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)采樣和實(shí)測(cè)光譜獲取，進(jìn)一步完善模型。

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