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...     

典型重金属污染水体光谱特征分析———以广东省大宝山尾矿水为例

目前水体重金属遥感反演相关研究仍比较薄弱。自然界中重金属污染水体的光谱特征研究是重要的基础性工作,是将来实现卫星遥感反演时波段选择的重要理论依据,也是遥感反演模型所必须的基础参数。首先利用Analytical Spectral Devices（ASD）光谱仪,测量获得以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体在两种水深和两种光照条件下的离水反射率光谱曲线,发现在600~700 nm（红波段）均有稳定的反射峰,然后进一步与自然界常见的两类水体（浑浊水体和富营养化水体）的反射峰位置进行对比,发现：以长湖水库石英砂厂附近为例的浑浊水体反射峰在550~700 nm（绿、红波段）,以北江韶关冶炼厂附近为例的富营养化水体反射峰在550~600 nm（绿波段）,3种水体的反射峰位置各异,说明该重金属污染水体反射率光谱与这两类水体具有很好的可分性。然后在测量水体反射率基础上,结合水质遥感模型和进行室内消光系数测量,反演得到大宝山尾矿水体的总散射系数和总吸收系数光谱,并进一步分离水分子吸收作用,最终得到水中成分的综合吸收系数光谱曲线,结果表明：在紫光波段吸收最强,在红光波段吸收最弱;具体表现为：从400 nm开始,吸收系数快速递减,在蓝绿光波段递减速度变缓,从黄光波段又开始快速递减,到676 nm达到极小值,然后又快速增强至750 nm,随后变化减缓。最后结合水样的水质化验结果,对该重金属污染水体的光谱成因进行分析,发现现场水色和水中成分的综合吸收系数光谱特征皆与作者前期研究测量获得的硫酸铁溶液颜色及其吸收系数光谱特征吻合,因此认为水中成分的光谱特征是由硫酸铁及其水解产物所引起。以上说明该重金属污染水体的光谱特征明显,反射峰和强吸收波长位置明确,这是将来利用卫星遥感手段反演水中重金属浓度的重要特征波段。该研究获得了以大宝山尾矿水为例的典型重金属污染水体反射率、消光系数、散射系数和吸收系数的光谱结果,为日后推广至其他种类重金属矿的尾矿水体及水中成分光学参数反演提供方法依据,也为将来利用卫星遥感技术对水中重金属浓度进行定量提取打下良好的理论基础。     

水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明：(1)岸上沙质的BRDF特征：在400～700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°, 40°或60°),不同方位角(?=0°, 45°, 135°, 180°, 225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(?=0°, 45°, 135°, 180°, 225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征：在400～700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着...     

三亚鹿回头海域珊瑚、石莼和碎石反射率光谱分析

以南海三亚湾鹿回头海域八种常见造礁石珊瑚优势种的反射率光谱为代表,用光谱仪测量它们和此海域常见底质石莼以及碎石的反射率光谱。通过反射率、导数光谱法研究了三亚鹿回头海域造礁石珊瑚、石莼和碎石的光谱差异。石莼于561.4 nm处出现反射率高达48%左右的显著波峰,在500～700 nm波长范围和造礁石珊瑚反射率差异较大;碎石反射率明显高于造礁石珊瑚反射率,整体差异显著。导数分析结果表明造礁石珊瑚、石莼和碎石可区分波段为：造礁石珊瑚与石莼主要为一阶导数在485～487,505～510,515～529,559～578,587～593,598～603和667～670 nm等波段。二阶导数在494.4～505.7,524～534.5,543.6～561.4和567.2～579.7 nm波段。四阶导数在515.8～430,621～627.1,628.8～635.6,639.3～645,661.8～669.8和678.4～682.4 nm等波段。造礁石珊瑚与碎石一阶导数反射光谱,主要为400～413.7,414～418,484.8～486.9,506～509.6,514.5～528.9,576.9～587.6和602.7～653.4 nm波段。二阶导数主要为,451.6～461.6,564.5～570.7和677～685 nm。四阶导数主要为,412.6～425.3,459.8～467,467.7～470.6,535.6～540.8,583.8～591.4,654.4～659.8和670.8～680 nm等波段。     

基于野外实测数据的珊瑚礁不同底质光谱可分性及珊瑚色素影响分析

珊瑚礁遥感监测的任务之一是获取底栖物质的组成及分布,但由于珊瑚礁存在较强的空间异质性及复杂的光谱,使得目前利用遥感技术进行底栖物质信息提取还存在较大难度。珊瑚礁不同底栖物质的光谱特性是开展珊瑚礁遥感监测的基本先验知识,但目前关于不同珊瑚种类的光谱特性分析研究较为匮乏。本研究基于野外实测光谱数据和模拟卫星遥感数据,开展珊瑚礁不同底质类型的光谱特性研究,特别是针对不同造礁石珊瑚种间及种内的光谱差异进行比较分析,并探讨不同珊瑚体内色素组成对珊瑚光谱特性的影响研究,最后甄选了四种常用卫星数据,通过数值模拟探讨了不同底质类型的光谱可分性。结果显示,利用反射光谱曲线值的大小能较好的识别沙和白化珊瑚,而利用蓝绿红波段反射率的一阶微分值能有效识别出海藻、海草和健康珊瑚。对于不同种类的珊瑚而言,科、属、种、珊瑚形状、珊瑚颜色的不同均会对珊瑚的反射光谱造成影响。叶绿素含量（包含叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c）与珊瑚反射光谱值相关性较好,是影响珊瑚光谱反射率的主要因素之一,虫黄藻密度在一定程度上也能影响珊瑚光谱反射率,但不如叶绿素影响明显,其密度的高低会影响珊瑚光谱在局部波段的峰值特征。在目前常用的多光谱卫星数据中,Landsat8数据具有可观测近岸的蓝波段,具备识别沙、白化珊瑚、海藻、健康珊瑚、海草的能力,而IKONOS和Quickbird可识别沙、白化珊瑚和海草。相对而言,SPOT5表现较差,仅能识别沙和白化珊瑚。在不同种类珊瑚的识别方面,多光谱遥感数据由于无法捕捉特征波段,需要采用具有高空间分辨率的高光谱遥感数据进行有效识别。在今后的工作中,将进一步扩大珊瑚礁底质样本数据集,并建立珊瑚礁光谱库,为今后我国珊瑚礁遥感监测体系建立提供数据支撑。     

三亚鹿回头海域盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚反射率光谱分析

为了进一步深入研究不同形状和不同颜色珊瑚的光谱特征,选择三亚湾鹿回头海域两种常见造礁石珊瑚(褐色片状珊瑚：盾形陀螺珊瑚(Turbinaria peltata)和蓝灰色块状珊瑚：精巧扁脑珊瑚(Platygyra daeda))为样本进行测量和分析。于2015年7月22日上午采集两种珊瑚样品各7组。样品块大小~6 cm,并将其暂养于中国科学院海南热带海洋生物重点实验站岸基实验室珊瑚养殖缸,养殖缸内水温控制在~26 ℃。待样品块暂养≥4小时后用光纤光谱仪测量其反射率,光谱采集条件为无云遮挡的晴天。所用光纤光谱仪(海洋光学USB2000+),波段为200～850 nm,光谱分辨率1.34 nm,步长0.6 nm,视场角为25°。珊瑚样品置于缸内的平台上,过滤后恒温~26 ℃的海水持续注入以保证缸内水温恒定;多余的海水自动从养殖缸上壁溢出以排除因光线折射入水体后引起的“汇聚现象”;养殖缸内壁采用黑色尼龙布贴壁,以避免玻璃缸壁光线反射对测量结果的影响。光纤光谱仪的探头与样品间距保持在5 cm,每个样品重复测量10次取平均值以代表该样品的光谱反射率。测量光源为太阳光,每次测量前校正一次光谱仪,选用可见光波段的反射率光谱进行数据分析。反射率光谱导数分析可以放大光谱间的差异,四阶导数光谱法在提高检测灵敏度、改善分辨率和加强抗干扰力等方面具有独特的优点,故此对所测珊瑚光谱反射率数据进行反射率光谱数据一阶导数、二阶导数和四阶导数分析,根据盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚反射率光谱导数之间的差异确定两种珊瑚光谱的敏感可区分波段。分析结果发现,可见光范围内两种珊瑚反射率差异明显;后者反射率光谱明显高于前者,仅~700 nm出现类似较高反射率。盾形陀螺珊瑚反射率介于4%～15%之间,波峰和波谷明显。400～450 nm反射率相对较低约为4%～5%;480 nm后急升至~10%,502,578,604和652 nm附近为明显波峰;随后激增至700 nm的~36%。精巧扁脑珊瑚反射率介于6%～16%之间;400～420 nm波长附近反射率值相对较低,为~6%;420～470 nm急剧升高至~15%,486 nm附近出现宽大波峰,为该珊瑚的特征峰;486,577,607和650 nm处也存在四个明显波峰;随后剧增至700 nm的~37%。光谱反射率导数分析结果表明盾形陀螺珊瑚和精巧扁脑珊瑚可区分波段为：一阶导数483.7～492.6,496.2～500和533.5～540.5 nm。二阶导数414～422.7,499.4～504,520.2～523.3,534.2～536.6,557.5～561和671.8～675 nm。四阶导数414～417.6,427.4～430.3,433.4～436.5,452.3～455.5和657.1～659.1 nm。     

三亚鹿回头海域珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱分析

以海南三亚湾鹿回头附近海域常见的8种优势造礁石珊瑚的反射率光谱代表该海域珊瑚的反射率光谱,用光纤光谱仪测量它们和此海域常见底质团扇藻、砂的反射率光谱。利用反射率、导数光谱法分析研究了该海域造礁石珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱的差异。分析表明500～ 700 nm和珊瑚反射率差异相对较大;珊瑚反射率光谱明显低于砂反射率光谱,反射率谱线整体差异显著。导数分析结果显示造礁石珊瑚、团扇藻和砂的可区分波段为：石珊瑚与团扇藻的一阶导数,主要为415.1～425.6,482～487,514.5～529,577～587.6和631.9～644 nm等波段。二阶导数主要为,413～418.7,427.4～432.5,462.3～470.6,494.4～503.6,551.6～561.4,590～594和639～643 nm波段。四阶导数主要为,412.2～418.4,420.5～425.3,470.9～480.2,481.3～486.9,540.8～545.7,560～568.3和635.6～639.6 nm等波段。石珊瑚与砂的一阶导数,主要为400～413.7,514.5～529.6,576.9～587.6和602.7～667 nm波段。二阶导数主要为,420.5～430.7,446.9～458.8,467.3～472.3,537～544.3,556.8～561.4,582.8～587.2和637.6～649.4 nm。四阶导数主要为,414.4～418.7,419.5～430.3,486.9～495.8,534.2～540.1,579～583.1,622.7～627.5,640～645和665.4～672.8 nm等波段。     

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。     

三亚鹿回头海域疣状杯形珊瑚反射率光谱分析

珊瑚礁地物光谱特征是珊瑚礁遥感研究的理论基础,可以作为遥感定性和定量研究珊瑚礁的依据。采用我国南海三亚湾鹿回头海域的优势物种疣状杯形珊瑚(Pocillopora verrucosa)为研究对象,用光纤光谱仪测量其反射率光谱。利用珊瑚反射率光谱和导数分析的方法研究了健康和白化两种状态下疣状杯形珊瑚的反射率光谱的差异。研究分析的结果显示:健康疣状杯形珊瑚的反射率光谱,在波长580,604.7和647 nm处出现了特征波峰,在波长669 nm处出现一个显著的波谷;白化疣状杯形珊瑚的反射率光谱明显高于健康疣状杯形珊瑚的反射率光谱,但是其波形相对较为平缓,在波长663 nm处存在一个相对较弱的波谷。反射率光谱导数分析发现健康与白化疣状杯形珊瑚存在多个可区分波段,其中主要可区分波段包括:一阶导数,404~425,456~466,513~532,563~568和661~667 nm等;二阶导数,408~420,542~556,563~573,615~634和687~695 nm等;四阶导数,402~418,466~472,478~481,617~622和684~689 nm等。     

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。     

人膀胱粘膜/粘膜下层组织病变致组织漫反射光谱的变化

研究了人正常膀胱和浅表性膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织在300～900nm光谱范围的漫反射光谱特性及其差异,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱.结果表明,在300～900 nm,正常膀胱的粘膜/粘膜下层对任一个波长的漫反射率都明显地较癌变的粘膜/粘膜下层对相应波长的要大.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在370 nm、520 nm、550 nm和660nm,其峰值分别为52.4%、60.7%、56.1%和75.5%.而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在320 nm、520 nm、550 nm和660 nm,其峰值分别为43.7%、33.4%、30.6%和70.2%.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处有一个峰,而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处没有峰,320 nm处有一个峰.而正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在320 nm处没有峰.膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的漫反射光谱在520 nm、550 nm和660 nm处的峰的峰值分别减小了45.0%、45.5%和7.02%.说明膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的组分和结构尤其足组织中的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量发生了明显的改变.     

多种薄油膜光谱反射率特性外场测试方法及结果分析

水面溢油机载航测工作需要以全面的溢油模拟目标的光谱反射率特性数据作为支撑,选择合适的工作波段,并通过获得的数据对溢油情况进行分析与判断。针对汽油、柴油、润滑油、煤油与原油五种目标样本,油膜从紫外波段到近红外波段进行了反射光谱测量,并将结果与相同实验环境下的水的反射光谱对比。实验结果表明油膜的光谱反射特性与油品类型以及油膜的厚度相关。不同种类的油膜在相同厚度的情况下,光谱反射率曲线的差异很大,而同一种类的油膜,随着油膜厚度的改变,光谱反射率曲线亦随之发生改变,因而就单一油膜而论,可以通过反射率曲线区分不同的油膜厚度。以相同的油膜厚度而论,柴油,煤油,润滑油在380 nm附近存在反射率峰值,与水的反射率差异明显,原油在大于340 nm波长的反射率远小于水,所得到的反射光谱能够在一定程度上区分不同类型油膜。实验涉及主要溢油油种,数据全面覆盖探测常用的光谱波段,定量化描述了油膜光谱反射率特性,为机载水面溢油探测工作的波段选择与水面溢油的早期发现与分析提供了全面的理论与数据支持。     

浅海空气声入水传播特性分析

结合射线和波数谱积分方法,对空气声入水传播途径进行了分析,利用海上试验数据进行了比较检验。结果表明,在浅海环境中,对水下声场有主要贡献的空气声入水传播途径,主要是透射穿过海面边界的折射直达声以及后续的海底反射声途径,其中折射直达声途径的贡献主要集中在声源正下方附近区域,当距离较远时,由于声线扩展损失效应以及直达声影区两方面的限制,折射直达声传播损失显著增加,对接收声场起主要贡献的是可以到达更远水平距离上的海底反射声,包括海底海面多次反射声。      

水分环境梯度下野鸭湖湿地典型植物光谱特征分析

湿地植物在生态水分、物质能量循环中起到重要作用,能够综合反映湿地的生境特征。分别选取典型沉水植物、浮水植物、挺水植物、湿生植物和中生植物,采用导数法和包络线去除法,分析不同水分环境梯度下植物的光谱特征和变化趋势。挺水植物、湿生植物和中生的反射率值最高,其次为浮水植物类型,沉水植物受到水体的强烈影响,反射率值最低。导数法能够将原始光谱曲线的变化趋势放大,呈现出更多的特征波段。光谱曲线在520和710nm附近达到增长最快点,并可作为区别沉水植物与其他植物类型的特征波段。挺水植物香蒲和湿生植物三叶鬼针草的绿峰值最高。依照水分环境由高到低变化,沉水植物、浮水植物和挺水植物的红边值逐渐上升,湿生植物和中生植物的红边值略低。包络线去除法将原始的光谱曲线转化成吸收曲线,吸收深度变化表现为沉水植物<浮水植物<挺水植物<湿生植物,而中生植物值要略低于湿生植物。除中生植物外,植物在500和675nm附近的吸收面积随着水分环境梯度的降低而升高。