珠江口水质高光谱反演

【摘要】： 通过在珠江口水域进行的多个航次的水质与光谱测量,对水体船基现场光谱测量的技术要求进行了探讨,分析了该海区的水质、高光谱特征及其之间的联系,对导数光谱去除水面菲涅耳反射效应的原因进行了探讨;利用MODTRAN大气辐射传输模型的模拟结果等数据,分析了导数光谱去除大气效应的可行性,提出了导数光谱大气窗口的概念;并最终基于导数光谱建立了珠江口水质高光谱反演的模式。本研究工作主要结论如下。 对于二类水体的现场光谱测量,特别是在珠江河口水域,宜采用水面以上光谱测量法;采用船基水体光谱现场测量,探头在合理的高度(如5米)范围内变化,大气的影响可忽略不计。 高分辨率(1nm)光谱经重采样成低分辨率(10nm)光谱时,对原始光谱无明显影响,在同一波长处的高、低分辨率的原始光谱值与水质要素的相关性可相互适用;对于一阶、二阶导数光谱,高、低分辨率导数光谱值与水质要素的相关性一般不可相互适用;应先将高分辨率的原始光谱重采样后,再做导数光谱处理。 导数光谱与各水质要素间的最大相关系数均高于原始光谱,导数光谱对水体水质特征变化更为敏感,特别是对光学敏感性水质参数,如叶绿素、悬浮物、浊度等。我们通常认为的非光学敏感性水质参数,溶解氧、硝态氮、活性磷与光谱间的相关性相对较低;化学需氧量是一个综合指标,它兼有光学敏感性与非光学敏性水质参数的特点,在水体污染成分不同的水域其光谱响应敏感程度不同。针对珠江口叶绿素、化学需氧量、溶解氧、总悬浮物、浊度、硝态氮以及活性磷等水质要素,采用一元线性和非线性回归,建立了基于现场导数光谱(模拟Hyperion波段)的简单反演模型,其主要特点是: 叶绿素模型的拟合精度较高(R20.7),预测范围由几个到几十个单位(μg/L),但估算的误差较大,特别当叶绿素的含量相对较低时。 化学需氧量及活性磷模型的拟合精度一般(R2均介于0.5-0.7间),但估算的平均相对误差可低于30%;溶解氧及硝态氮的反演模型拟合精度较差(R2低于0.5),估算结果的平均相对误差也低于30%。 总悬浮物与浊度之间有高度的相关性,其反演模型也基本一致,拟合精度高,反演精度较高,平均相对误差低于30%,预测范围从几个到一百多个单位(mg/L, NTU),其模型可望得到实际应用。