重金属污染水体背景下的底质反射率光谱特征及其对离水反射率贡献影响分析

水体重金属遥感反演是水环境遥感领域中的难题,目前仍有相当多的基础性问题有待解决,而浅水区底质对离水反射率贡献规律是将来遥感反演模型精度其中一个重要影响因素,尤其在重金属污染这种特殊的背景下,揭示其贡献规律对提升水体重金属遥感模型精度有重要作用,测量结果对研究重金属尾矿底泥的反射率光谱特征以及区分常见水底底质有参考意义。首先利用光谱仪测量获得广东大宝山尾矿底质反射率,发现其在波长755、 1 280、 1 620和2 200 nm存在反射峰,有明显光谱特征,并与河床常见的粗沙、淤泥和石头三类底质反射率进行了对比分析,结果表明：一方面,粗沙和淤泥反射率呈一缓慢上升的曲线,与存在多个特征反射峰的矿区底泥有明显区别;另一方面,石头反射率则在波长范围550～650 nm出现一个宽而扁平的反射峰后随即在波长675 nm处出现波谷然后增大至波长750 nm后趋于平缓,其特征波长与矿区底泥均不一样。上述特征波长可作为重金属污染背景下底泥光谱的重要区分波段。测量水深为1 cm、 10 cm和深水区的离水反射率,结合水质遥感模型计算出1 cm水深情况下底质反射光、水体散射光,并将其对离水反射率贡献进行讨论...     

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900nm)测量

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度,通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数,最终得到其400~900nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量,为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明,硫化镉在675nm出现极大值,在550和830nm出现极小值;氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势;两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明,硫化镉的反射率从500nm开始快速增大至650nm后趋于平缓;氧化镉从525nm开始呈近线性递增至900nm;二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作,并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线,是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一,为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口,测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据,同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。     

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。     

杭州湾混浊水体表面光谱测量及光谱特征分析

悬浮泥沙是近海水体的主要光学活性物质之一,了解其光谱特征是建立准确遥感反演算法的基础。在我国典型高含沙海域——杭州湾的南北岸分别布设连续监测站位,采用水面之上光谱观测方法,利用美国ASD便携式地物光谱仪测量混浊水体的反射光谱,并且同步采集表层水样获取含沙量数据。研究结果表明：杭州湾水体表层含沙量较高,且随潮汐发生显著变化;水体反射率光谱曲线随含沙量浓度增大也相应升高,不同波长处升高幅度不同;通过光谱微分的方法分析水体反射率光谱特征,发现第一个反射峰出现“红移现象”;表层含沙量和对应MODIS各光谱通道的遥感反射率有不同的相关性,大于650 nm的长波通道的相关系数较大,400～550 nm短波通道的则较低;选取MODIS第2通道对应的遥感反射率利用最小二乘法进行回归分析取得了较好的拟合效果,可以作为杭州湾水体含沙量遥感反演的主要波段。     

类标准化土壤样品Cd含量高光谱定量反演

针对土壤Cd高光谱遥感反演精度低、特征波段难以有效识别的问题,以湖南省某典型重金属污染矿区为例,开展类标准化Cd污染土壤样品和自然污染土壤样品Cd含量高光谱定量反演对比研究。创新之处主要在于以相对清洁的背景土壤作为内控样本,通过实验室定量添加Cd标准溶液制备符合自然污染规律的类标准化Cd污染土壤样品方案的提出与对比实验的开展,研究实验过程还包括自然污染土壤样品野外采集,类标准化样品与自然样品土壤重金属、有机质含量及350～2 500 nm光谱反射率等的测定,光谱全要素主成分逐步回归土壤Cd含量反演建模。研究发现,类标准化土壤样品Cd含量高光谱反演模型精度(adjR2=0.87)明显高于野外自然污染土壤样品Cd含量高光谱反演建模结果(adjR2=0.39)。土壤Cd含量与土壤光谱反射率间确实存在一定的响应关系,但各光谱波段对土壤Cd含量及其变化产生响应的程度存在差异,其中1 000,2 000以及2 300 nm波段光谱响应信号较强。该研究创新引入的类标准化Cd污染土壤样品制备方法有助于深入探索重金属Cd污染土壤光谱特征响应规律并发现重金属Cd含量及其变化的真正指示性特征波段,可为多要素混淆污染模式下模拟反演土壤重金属含量提供先验知识。     

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。     

以改进的半分析光谱模型反演近海岸透明度

针对近海岸混浊水体透明度的分析和半分析算法中吸收系数和散射系数难以获得的难题,试图构建一个不需要计算吸收系数和散射系数且适用于近海透明度的半分析反演模型。基于Preisendorfer(1986)和Tyler(1968)提出的Zsd(Secchi depth)反演理论,综合490 nm处垂直漫衰减系数K_d(490)和光束衰减系数c(490)与遥感反射率的关系,建立了以两波段遥感反射率比值和潮汐系数修正的适用于近海岸海水透明度反演的简易半分析光谱模型。将此半分析光谱模型应用于珠江口生态区(2012年10月21日—23日、2012年11月2日)和徐闻珊瑚礁自然保护区(2013年1月13日—14日)的透明度反演。利用同步实测数据验证发现,大潮期间,该模型计算的透明度与实测值整体偏高0.4 m左右,小潮期间,该模型计算的透明度比实测值比较吻合。因此对该模型做了潮汐系数修正,潮汐修正后反演的透明度与实测数值的决定系数为0.663,绝对平均误差为0.14 m,相对平均误差为19.5%。综合表明,该模型只需要490与560 nm两个波段处遥感反射率的比值即可完成透明度的反演,且模型相对简便,透明度反演精度相对较高。     

重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb, 460 nm;Zn, 560 nm;Cu, 660 nm;As, 1 100 nm)、归一化植被指数(Pb, NDVI_{(510, 810)};Zn, NDVI_{(510, 870)};Cu, NDVI_{(660, 870)};As, NDVI_{(510, 810)})和“红边”位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与“红边”位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及“红边”位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的“光谱临界值”概念, 并计算出研究中各重金属对应的“光谱临界值”。     

渤海固有光学量高光谱遥感反演

水体固有光学量是重要的海洋光学参数,是辐射传输模型最基本的输入参数,对于海洋光学遥感和水色研究具有重要意义。基于2005年渤海高光谱实测遥感反射率和总吸收系数数据,首次利用非线性最小化优化模型,反演水体总吸收系数等固有光学量。经过实测数据的检验,412,440,510,555,650和676 nm波段总吸收系数的反演平均相对误差分别为33.8%,20.4%,27.7%,37.5%,9.5%和10.8%。模型误差源主要为模型参数的不确定性和测量误差,通过讨论发现,光谱斜率S对总吸收系数的反演影响相对较少,而光谱指数Y导致的反演误差是不可忽略的。模型适用于高光谱数据,填补渤海固有光学量的最优化反演研究的空白,并可用于高光谱遥感数据的固有光学量遥感反演研究。     

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.     

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。     

光谱分辨率对黑土有机质预测模型的影响

高光谱遥感以其高光谱分辨率适于反射光谱特征复杂的地物识别与参数反演,但对于反射光谱特征平滑的地物,高光谱数据可能存在数据冗余问题。本研究对实验室测定的黑土高光谱反射率进行重采样,基于统计分析方法研究了光谱分辨率对黑土有机质预测模型精度的影响,结果表明:黑土有机质含量高,土壤有机质的光谱作用范围宽(445～1 380nm);黑土有机质光谱预测模型精度随光谱分辨率降低,呈现先增后减的趋势,最优模型的光谱分辨率为50nm,低于高光谱遥感波段设置,略高于多光谱传感器波段设置;黑土有机质光谱预测最优模型以倒数对数微分为自变量,模型决定系数R2=0.799,RMSE=0.439,研究成果为土壤有机质遥感反演、光谱速测仪器的研制,以及传感器波段设置提供理论基础与技术支持。     

亚热带土壤铬元素的高光谱响应和反演模型

高光谱遥感技术已成为当前遥感领域的前沿技术,因其高分辨率的特点,可利用地物反射光谱特征定量反演地物的物理化学性质。目前土壤环境质量愈来愈受到关注,土壤重金属含量与土壤环境质量安全密切相关,以往土壤高光谱遥感技术研究多注重于土壤有机成分如土壤碳氮的光谱反演模型,对土壤重金属含量的高光谱反演研究普遍较少。土壤重金属污染已经成为影响土壤质量安全的关键因素,对土壤重金属尤其是污染元素普查是当务之急。传统土壤重金属的测试方法要求条件较高,测试周期较长,试图建立土壤高光谱与土壤铬元素(ICP-MS测定)含量之间的定量预测模型,以实现土壤铬元素的快速准确预测。采集福州市土壤样品135个,对土壤样品在350～2 500 nm的光谱反射率进行倒数、对数、微分等六种变换,筛选出对土壤总铬含量敏感的光谱波段,最后获得福州土壤铬元素高光谱反演优化模型。研究结果表明：亚热带红壤总铬的敏感光谱波段为：可见光520～530 nm和近红外1 440～1 450,2 010～2 020,2 230～2 240 nm;亚热带地区土壤总铬—高光谱反演的优化模型为: y=120.768e-7.037x(相关系数R为0.568,均方根误差为0.619 μg·g-1,检验相关系数R为0.484,均方根误差为1.426 μg·g-1),该模型可以用于福州地区土壤全铬的光谱快速监测。     

鄱阳湖总悬浮物浓度高光谱定量模型

以鄱阳湖为研究对象,利用地物波谱仪在湖区进行高光谱测量和同步的水体采样实验,通过研究鄱阳湖水体的光谱反射率特征和实测总悬浮物(TSS)浓度之间的关系,建立了TSS浓度的遥感定量模型.结果表明,由于悬浮物的反射作用出现双峰特征,红光与近红外部分波段是TSS的敏感区域,敏感性红光波段大于近红外波段;一阶微分处理的593nm处一阶导数数据和TSS浓度的一元二次方程为反演的最佳模型.研究成果可为今后卫星遥感大面积监测鄱阳湖TSS浓度奠定基础.     

利用反射与透射光谱测量GaN外延层的光学参数

GaN是一种理想的紫外发光和探测材料,其光学特性参数是光学器件设计的重要依据。采用紫外反射与透射光谱相结合的方法对国产GaN外延层进行光学特性测量,利用反射率与折射率之间的关系和薄膜干涉效应,建立了GaN外延层厚度、表面反射率、光谱吸收系数的光谱测量公式。测量结果表明,GaN外延层在紫外波段存在三个吸收区,其中364nm以下波段为强吸收区,吸收系数接近10^5cm^-1,364～375nm为吸收过渡区,375nm以上波段为弱吸收区;GaN表面反射率在三个吸收区的变化不大,为0．2～0．25之间。     

纳米GaP粉体反射光谱的测量及其分析

通过测量纳米磷化镓(GaP)粉体在紫外可见光波段(200-800nm)的反射光谱,运用三流理论由反射光谱计算出纳米GaP粉体的吸收系数(Ea)和散射系数(Es)的比值(Ea/Es)。纳米GaP粉体的反射光谱的形状主要受吸收的影响,即GaP禁带结构的影响。     

太湖水体反射率的光谱特征波长分析

水体反射率的光谱特征波长分析是解决内陆水色遥感难题的一项重要的基础工作.该文分析了2006-2009年七次太湖综合实验获取的312个采样点遥感反射率,找出反射率曲线出现极大值、极小值、由凹向凸转变的拐点、由凸向凹转变的拐点对应的特征波长,给出了太湖水体反射率350～900nm范围内的光谱特征波长:359,440,464,472,552,566,583,628,636,645,660,676,689,706,728,791,806和825 nm.最后用浮游植物色素的吸收光谱、太湖水体特有的组成成分解释了特征波长.文章分析特征波长的方法,对于各种光谱曲线的特征波长分析都适用,该方法能够有效地区分曲线峰值所在波长和谷值所在波长重叠的情况.该文的研究成果有利于建立反演水质参数的算法,从而提高反演算法的精度.     

矿业废弃地重构土壤重金属含量高光谱反演

矿产资源对工业和国民经济的发展有重要的作用,但是随着矿业开采规模的扩大,资源枯竭、经营不善而形成的矿业废弃地越来越多。由于长时间受到采矿的影响,矿业废弃地土壤中存在大量的重金属元素,高浓度重金属可能会对环境和人体产生影响。土地复垦是整治污染、退化土壤再利用的重要方法,对重构后的土壤进行重金属含量检测是衡量土地复垦成效的重要指标,需要长期进行跟踪监测。传统的化学检测方法效率低、成本高、无法实现重金属大范围检测。高光谱是一种新兴的、发展潜力巨大的技术,在环境保护,资源利用,区域可持续发展等方面有着广泛的应用。经过近几十年的快速发展,仪器精度逐渐提高,检测方法逐渐成熟,为实现土壤重金属高效、便捷检测提供了可能。正常土壤重金属含量一般相对较低,采用光谱测量重金属含量较为困难,但铁矿开采区矿业废弃地由于土壤中的铁元素较多,会使土壤中的重金属的存在和聚集形式发生变化,影响重金属对光谱的响应,从而使土壤光谱反射率与重金属含量之间关系更加明显。以湖北省大冶市复垦矿区研究区,采样化学检测方法获取土壤重金属（As,Cr,Zn）含量;借助于美国ASD公司生产的FieldSpec4地物光谱仪（350～2 500 nm）获取土壤反射率,应用一阶微分、倒数对数、连续统去除法分别对反射率曲线进行预处理,提取出光谱特征波段,分析三种重金属元素与光谱特征间的相关性并建立逐步回归模型。研究表明,光谱数据预处理可使光谱特征波段更加明显,其中一阶微分和连续统去除法的效果最为明显。3种重金属元素的特征波段为495,545,675,995,1 425,1 505,1 935,2 165,2 205,2 275和2 355 nm。将土壤重金属含量与光谱特征波段之间做相关性分析,三种重金属都表现出了与光谱曲线的相关性,相关系数大部分都达到了0.5以上,最大相关系数为0.663,由于重金属种类和预处理方式的不同会导致相关性系数存在明显的差异。利用与土壤重金属相关性最大的特征波段建立三种重金属反演模型,并以反演模型r大小选择每种重金属的最优反演模型。由于重金属种类的不同,模型的选择也有差异,Cr和Zn一阶微分逐步回归为最佳反演模型,重金属As连续统去除法逐步回归为最佳反演模型。通过检验,三种重金属中Cr反演效果最好,RMSE为2.67,其次是Zn和As。对比当前不同检测手段可知,基于土样和光谱数据预处理的土壤重金属含量地物光谱仪高光谱反演是比较理想的。可为矿业废弃地土壤重金属高光谱反演提供参考。     

苹果花期的冠层高光谱特征研究

系统分析苹果花期冠层高光谱特征,探明其敏感光谱波段,为大面积苹果树信息提取与营养状况的遥感反演等提供理论依据。利用ASD Field Spec 3便携式地物光谱仪实测的120个苹果花期的冠层高光谱数据,在分析了不同累计样本容量对花期冠层高光谱特征影响的基础上,采用方差分析的方法,明确了苹果花期的冠层高光谱特征及反映花期冠层高光谱的敏感波段。结果表明,随着累计样本容量的增加,苹果花期的高光谱曲线趋于稳定、平滑。在550 nm绿峰处和760～1 300 nm的反射高原区,反射率随着花量的增多而减小,在670 nm的红谷处,反射率随着花量的增多而增大;在350～400 nm,400～500 nm,600～680 nm,760～1 300 nm波段的方差分析结果极显著,是反映花期冠层光谱的敏感波段;随着花量的增多,红边位置、红边斜率和红边面积有逐渐减小的趋势。     

水中油对水体上行辐亮度光谱的影响

目前,学者主要关注利用遥感技术探测海面油膜。然而,经海洋物理过程或人为喷洒化学分散剂处理形成的水中油对海洋生境也具有危害作用。水体上行辐亮度是水色传感器的重要信号源,通过分析含油水体的上行辐亮度光谱特征,探索快速有效地遥测水中油的方法对保护海洋生境具有重要意义。基于大连港海域现场实测数据及Hydrolight模拟含油水体水下光场,通过分析上行辐亮度随波长、水深及太阳天顶角的变化特征,剖析水中油对上行辐亮度光谱的影响及水中油的敏感光谱特性。结果表明水中油的主要波谱响应区间位于可见光波段（380~760 nm）。随着水中油浓度的增加,上行辐亮度光谱峰值有逐渐向长波方向移动及蓝光波段辐亮度量值逐渐降低的趋势,这些变化处于水色遥感的探测光谱范畴,为利用水色遥感技术探测水中油提供了光谱依据。其次,上行辐亮度随水深逐级递减,并在接近水体下界面前不降反升的现象说明刚好在水面之上的上行辐亮度由各深度水体组分的后向散射及下界面的反射共同贡献,再经水汽界面上行透射而得,属于水体辐射传输的核心机理。这与水面油膜通过油类物质改变海表反射率而产生与自然海表不同反射光谱的探测机理具有本质上的差别。再者,与含水中油水体后向散射产生的上行辐亮度相比,海表对太阳光的反射属于强信号,会掩盖水体组分信息。水色卫星搭载的水色传感器具有一定的侧摆能力,能避开太阳辐射反射信号并接收到含水中油水体的上行辐亮度;水色卫星的当地过境时间一般为10至14点,且水色传感器具有高信噪比特征,满足含水中油水体的暗像元探测要求。该研究揭示了水色遥感探测含水中油水体的光谱和机理依据,表明可以视水中油为一种新的水体组分,基于光在水体中的辐射传输过程,开展含水中油水体的水色遥感反演研究。