湖泊水体叶绿素偏振高光谱反演模型研究

光进入水体中,经反射、 散射和吸收后,出射的偏振光与水体的物理、 化学特性密切相关,能够反映水体成分浓度的变化,可以作为高光谱遥感的有益补充,有利于动态定量监测湖泊复杂水体成分的变化。研究工作以巢湖为例,利用水面高光谱偏振多角度测量数据,在偏振光学理论和生物光学模型的基础上,建立了湖泊水体叶绿素三波段偏振高光谱半分析模型,并对模型进行检验。结果显示,偏振高光谱三波段组合与叶绿素浓度拟合的相关系数为0.844,均方根误差5.14 μg·L-1,平均相对误差31.44%,比传统的三波段辐射强度模型分别提高了4.1%,2.05 μg·L-1和5.46%,表明三波段偏振半分析模型对叶绿素a浓度具有较强的预测能力,体现出运用偏振高光谱信息监测湖泊水质的优势。     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

在不考虑叶绿素荧光效应的前提下,基于水体光学活性因子藻类叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射系数,根据前向辐射传输模型模拟水面以上遥感反射率,分析了藻类叶绿素红光峰强度和波长位置随浓度的变化规律。结果发现：叶绿素浓度为1～50 μg·L-1时,红光峰强度和叶绿素浓度呈较好的线性关系,随叶绿素浓度的增加,线性关系越来越不明显。当叶绿素浓度为1～1 000 μg·L-1时,则呈现较好的对数关系;随叶绿素浓度的增加,红波段反射峰波长位置按对数规律逐渐向长波方向移动,不同水色组分的水体,其叶绿素在红波段的光谱反射特性随浓度的变化规律是一致的;此外,对比研究显示红波段反射峰特征不同于荧光光谱。     

基于生物光学模型的水体叶绿素浓度反演算法

文章提出了一种基于生物光学模型的二类水体叶绿素浓度反演算法.本算法根据生物光学模型,利用一系列已知各组分浓度的反射光谱计算各组分的吸收和后向散射系数,然后采用非负最小二乘法解得叶绿素浓度.研究是在实验室内进行了绿藻的培养,且在暗室内测定了具有不同叶绿素和非藻类悬浮物浓度的水体样本的反射光谱.并把实验室测得的反射光谱重采样到Landsat TM对应的波段以检验该算法在TM数据中的适用性,同时比较了利用不同TM波段组合反演叶绿素浓度和非藻类悬浮物浓度的精度.结果表明,对于绿藻而言,利用TM第二、三、四波段反射率数据的组合反演时的效果最好,叶绿素浓度反演结果的均方根误差为4.7 ug·L-1,其精度明显优于传统的回归分析算法.     

基于珠海一号高光谱卫星的巢湖叶绿素a浓度反演

叶绿素a是重要的水质参数,可以衡量水体的富营养化程度。遥感技术可以实时、快速、大范围地获取水体中叶绿素a的浓度与分布,对于水生态环境的评价及治理具有重要意义。内陆水体的光谱特征复杂,宽波段的多光谱遥感难以精确获取水体的光谱信息。国产珠海一号高光谱卫星因其光谱分辨率高,波段多等优势在内陆湖泊的遥感监测中具有广阔的应用前景。基于珠海一号高光谱数据,充分发挥其高光谱分辨率的优势,对巢湖的叶绿素a浓度进行反演,从影像中提取实测点处的遥感反射率曲线,筛选具有显著光谱特征的波段,并以OIF指数衡量不同波段组合获取水体组分信息的能力,以此构建与实测叶绿素a浓度相关性较高的波段组合。结果表明珠海一号OHS-2A星影像的14,16和19波段所构建的三波段模型[R_rs(700 nm)-1-R_rs(670 nm)-1]×R_rs(746 nm)在巢湖的叶绿素a浓度反演中取得了较高的精度,相对误差和均方根误差分别为19.97%和10.85 mg·m-3。由模型反演巢湖2019年5月10日的叶绿素a浓度空间分布图可知,叶绿素a浓度自东向西呈上升趋势,全湖南部和东北部的叶绿素a浓度较低,西巢湖的北部叶绿素a浓度最高。西巢湖的整体叶绿素a浓度是全湖最高的,尤其是其北部水域,水质情况较差,已经出现了一定面积的水华,其主要原因在于该地区紧邻合肥市,人类活动强烈,污水废水排放量大。珠海一号高光谱卫星对于内陆湖泊的水质反演具有一定的优势,但也存在着数据处理困难,波段利用率低,反演模型普适性差等局限,今后仍需借助珠海一号高光谱数据开展更多的湖泊遥感研究,不断提出高光谱遥感影像处理的新方法,提高反演模型的精度与普适性,充分挖掘数据源的潜力,使其更好地服务于水质的遥感监测工作。     

近红外波段二类水体悬浮物生物光学反演模型研究

通过野外高光谱仪对二类混浊水体进行光谱测量,分析了400～1 200 nm范围内的水体光谱特性。显示高浓度悬浮物含量对水体总的反射率贡献较大,在近红外波段处的808和1 067 nm存在较为明显的悬浮物反射峰。基于对水体固有光学特性参数在近红外波段范围内的简化条件,建立了反演悬浮物浓度的生物光学模型经验公式,并通过与线性和指数反演公式的对比,进行了模型反演精度评价。分析结果表明,基于近红外波段的生物光学模型反演精度较高,可有效地提取二类混浊水体的悬浮物浓度信息。     

不同水体中有色可溶性有机物质荧光光谱定量分析研究

有色可溶性有机物(CDOM)是指水体中对紫外及可见光均有光吸收的溶解有机物,能对水色产生影响,是自然生态系统、水色光学遥感、水体碳循环研究中必不可少的环境因素。由于CDOM具有荧光特性,荧光光谱技术已成为开展CDOM研究的重要手段,被用于CDOM的来源、分布及其变化规律的研究。文章主要利用荧光检测技术,研究了不同水体CDOM的发射荧光光谱峰面积、荧光峰强度与其浓度间的变化关系,发现在低浓度范围内,发射光谱峰面积和荧光强度与CDOM浓度具有良好的线性关系(r2＞0.98);不同浓度的CDOM水溶液的发射光谱峰面积及其荧光强度随浓度的变化趋势是一致的。文章首次利用低浓度下CDOM的发射光谱峰面积与浓度间的线性关系,建立了适合于水体中组成复杂的CDOM的定量分析方法,拓展了荧光分析技术在CDOM研究中的应用。     

黄浦江上游遥感监测溶解氧模型与时空变化

溶解氧含量是反映水体有机污染的重要水质指标。文章选择黄浦江上游水源中的典型水质参数——溶解氧为研究对象,利用地面高光谱遥感数据、多光谱遥感数据和现场水质监测数据来研究水体反射光谱特征与水质参数浓度之间的关系,发现溶解氧含量与641 nm波段的光谱反射率相关性最高,由Landsat5 TM第3和4波段的遥感反射率比值变量所建立的对数模型相关性最高,达到0.829。在此基础上,基于多时相遥感影像对溶解氧模型的通用性和准确性进行验证,并探讨了溶解氧的时空变化规律。结果表明,该模型具有较高精度,估测值与地面实测值在时间变化规律上保持一致,同时根据该模型得出的黄浦江上游溶解氧含量空间分布规律与该区域的有机污染实际分布情况是相互吻合的。     

汉石桥湿地水质参数光谱分析与遥感反演

水质可见光近红外遥感监测是通过研究水体反射光谱特征与水质参数之间的关系,建立水质参数反演算法进行的。与传统水质监测方法相比,遥感技术监测水质可以快速反映区域水质在空间和时间上的分布情况和变化。文章以汉石桥湿地水体水质为研究对象,通过在可见光近红外波段分析光谱仪和ASTER遥感影像的水质参数特征光谱,建立了水质参数与最佳波段及其组合的多元线性回归方程。研究结果表明,基于地面光谱仪的光谱特征分析可为航天遥感特征波段的选择提供依据,但估算模型不能通用。基于AS-TER遥感的水质参数特征光谱其波段比值相对向长波方向移动,研究最终在分析ASTER遥感特征波段基础上,构建水质参数估算模型,并通过该模型得到目标水质参数空间分布图,实现了对湿地水质时空变异的遥感监测。     

厦门湾溶解有机物的三维荧光光谱特征及其来源解析

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术,研究了2009年春、秋季厦门湾有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征,并利用主成分分析方法对影响该海域CDOM分布的主控因素及其相对贡献进行了解析。厦门湾CDOM中含有3个类腐殖质荧光组分(C1,C2和C5)及2个类蛋白质组分(C3和C4)。所有类腐殖质组分之间、以及所有类蛋白质组分之间均有很好的相关性,表明同一类型的荧光组分具有相似的来源属性及地球化学行为。类腐殖质组分的高值区分布在九龙江河口区上游,而类蛋白质组分的高值区则位于厦门西海域北部,低值区都位于东部的厦金海域。排污口附近的局部海域存在污染输入的贡献。对荧光组分进行的主成分分析结果显示,陆源径流输入是厦门湾水体中CDOM荧光组分的主要来源;海区现场生物活动的贡献不大。这表明对PARAFAC识别的荧光组分进行主成分分析,有助于实现对水环境中CDOM的不同来源及其相对贡献率的定量解析。     

Environmental Applications of Excitation-Emission Spectrofluorimetry: An In-Depth Review II

Abstract: This part is devoted to the environmental applications of excitation-emission spectrofluorimetry (EES): Characterization of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in drinking waters, rivers, fog waters, lakes, oceans, leachates, wastewaters, sluge, bioreactor membrane foulants, and soils; characterization of extracellular polymeric substances in sludges; study of interactions between CDOM and organic pollutants in soils; and quantification of organic pollutants in waters and soils. This part includes the pretreatment of samples, and the environmental applications of the technique are discussed, including its application to bioremediation of wastewaters.

More than 200 references (focusing mainly on the last 10 years) from all kinds of journals (environment, analytical chemistry, biotechnology) have been carefully revised and included in this part of the article.     

黄海北部CDOM近紫外区吸收光谱特性研究

有色溶解性有机物(CDOM)近紫外区吸收光谱包含CDOM分子结构、组成等重要理化信息。利用2009年3月黄海北部海域CDOM吸收系数的实测数据,分析了该海域CDOM近紫外区的吸收光谱特性,结果表明:由于近岸陆源输入的影响,黄海北部海域CDOM构成差异较大,属于典型的二类水体;特定拟合波段范围的光谱斜率及特定波段处的吸收系数对CDOM分子量相对大小均具有一定的指示作用,250~275,350~400,300~350,275~300 nm波段的光谱斜率Sg,250~275,Sg,350~400,Sg,300~350,Sg,275~300与CDOM分子量相对大小指示参数M值的相关性依次递增,最高可达0.95,吸收系数ag(λ)与M值的相关性随波长增大逐渐变大,400 nm波段处相关性可达0.92;光谱斜率与吸收系数存在相关性与否由光谱斜率拟合波段范围及吸收系数获取波长共同决定,Sg,275~300与ag(400)的相关性最大,可达0.87。     

基于CDOM光学特性的近海环境富营养化监测

富营养化是河口港湾一个重要的生态环境问题。传统的富营养化监测与评价需要依靠费时费力的人工采样、实验室分析测定,周期较长,难以实现现场实时快速监测与评价。本文依据2009年2月、5月、8月和10～11月在厦门湾海域的有色溶解有机物(CDOM)与主要环境要素的调查资料,探讨了利用CDOM的光学性质反演COD,TN,TP等富营养化参数的可行性。结果表明：(1)厦门湾表层水体CDOM存在明显的空间和季节性变化,九龙江河口区的丰度最高;(2)陆源输入及浮游植物的现场生产是水体中CDOM的主要来源,因此可建立利用盐度和叶绿素a浓度估算厦门湾CDOM丰度的经验算法,该经验算法的相关系数达0.96,经验算法估算值与实测CDOM之间的相对误差为11.1%±0.71%,精度较高;(3)厦门湾各个季节COD,TN,TP与CDOM吸收系数、荧光组分之间有很好的相关性,总体表现春夏较高、秋季次之、冬季最差;(4)结合上述研究成果,利用厦门湾已建立的水质自动监测系统实时获取的盐度、叶绿素a以及经验公式推导出的CDOM荧光资料,有望克服COD,TN和TP等富营养化指标只能通过人工采样和实验室分析获取的缺点;实现对海域富营养化程度的快速监测与评价。     

不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征。结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40) mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19) mg·L-1无显著差异(t-test, p>0.05),丰水期S_275～295均值(21.48±1.56) μm-1显著大于枯水期均值(19.24±0.98) μm-1(t-test, p<0.001)。平行因子分析得到了4个荧光组分,分别为短波类腐殖质组分C1、类色氨酸组分C2、类酪氨酸组分C3和长波类腐殖质组分C4。TP,TN,Chl-a和DOC浓度与短波类腐殖质组分C1、长波类腐殖质组分C4都呈显著正相关(p<0.01);DOC与类色氨酸组分C2也存在一定正相关(p<0.05)。此外巢湖CDOM的组成与来源有明显的季节差异性,丰水期陆源类腐殖酸输入是巢湖西部湖区CDOM库主要贡献源;平水期湖泊藻类生物降解为重要贡献源。为有效保护巢湖水质,应对十五里河及南淝河流域实施一定的管控措施。     

大型丝状绿藻生长过程中有色溶解有机质光谱特征的变化

通过室外模拟实验研究崇明岛北湖滩涂大型丝状绿藻常见种-刚毛藻在生长过程中有色溶解有机质(CDOM)的光谱特征变化。利用三维荧光光谱(EEMS)检出的类蛋白和类腐殖酸荧光峰在对照实验中变化不大,而在培养实验中明显增加。采用平行因子模型(PARAFAC)结合三维荧光激发-发射矩阵数据分析得到的CDOM的4个组分: C₁, C₂, C₃, C₄,分别与类腐殖酸荧光峰A(C),M和类蛋白荧光峰B和T有关。培养实验中,4组分分别增加了211.5%,255.8%,75.3%和129.3%;对照实验中除C₁降低34.3%外,其他组分无明显变化。吸收系数a(355)在培养实验中增加了92.9%,并且与4组分显著正相关(P<0.01);对照实验中a(355)降低了59.8%,仅与C₁显著相关(P<0.05)。此外对表征分子量和组成的M值和S值进行比较发现,培养实验中M值和S值均低于对照实验。这说明在刚毛藻生长过程中可能有大分子和较强芳香性的CDOM产生。所有结果表明,刚毛藻的生长过程能够引起CDOM含量和组成结构的变化。     

基于Landsat/TM影像提取太湖CDOM浓度空间分布

在湖泊生态系统中,CDOM(colored dissolved organic matter)是营养物质的重要来源,也是碳循环过程的主要物质组成.作者在2003年10月27日-28日太湖水质实验数据的基础上,研究与探讨了从Landsat/TM影像中提取太湖CDOM浓度分布状况的方法.通过研究可知,利用CDOM在TM1波...     

Absorption and Fluorescence Properties of Chromophoric Dissolved Organic Matter Produced by AlgaeSCIEI北大核心CSCD

Four kinds of diatom (Chaetoceros curvisetus, Phaeodactylumtricornutum, Nitzschia closterium f. minutissima and Navicula halophile) and two kinds of dinoflagellates (Prorocentrum donghaiense and Gymnodinium) were cultured under laboratory conditions. Variations of optical properties of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) were studied with absorption and fluorescence excitation-emission matrix spectroscopy(EEM) during growth of marine microalgae in incubation experiment. Absorption spectrum revealed absorption coefficient a(355) (CDOM absorption coefficients at 355 nm) of 6 kinds of marine microalgae above increased by 64.8%, 242.3%, 535.1%, 903.2%, 836% and 196.4%, respectively. Simultaneously, the absorption spectral slope(Sg), determined between 270 and 350 rim, representing the size of molecular weight of CDOM and humic-like composition, decreased by 8.7%, 34.6%, 39.4%, 53.1%, 46.7%, and 35.7%, respectively. Applying parallel factor analysis (PARAFAC) together with EEM got four components of CDOM: C1(Ex/Em=350(260) nm/450 nm), C2 (Ex/Em=260 (430) nm/525 nm) 03 (Ex/Em=325 nm/400 nm) and C4(Ex/Em=275 nm/325 nm), which.were relative to three humic-like and one protein-like fluorescent components of Nitzschia closterium f. minutissima and Navicula halophile. In incubation experiment, fluorescence intensity of these four components during growth of Nitzschia closterium f. minutissima increased by, respectively, 8.68, 24.9, 7.19 and 39.8 times, and those of Navicula halophile increased by 2.64, 0.07, 4.39 and 12.4 times, respectively. Significant relationships were found between the fluorescence intensity of four components of CDOM, a(355) and Sg. All results demonstrated that both content and molecular weight of CDOM produced by diatom and dinoflagellate studied in incubation experiment increased, but these two parameters changed more obviously of the diatom than those of dinoflagellate; the proportion of humic-like components in the composition of CDOM also increased clearly with the growth of marine microalgae, but protein-like fluorescent component had only a slow growth. Furthermore, the absorption spectrum of CDOM produced by different species of algae changed obviously and the relative composition fluorescence intensity of CDOM produced by different microalgae were found to vary among different composition from EEM, which suggested CDOM produced by different microalgae make quite different contributions to CDOM in natural seawater.