二龙湖水质参数特性与遥感反演研究

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水圈是地球圈层结构中将大气圈、生物圈和岩石圈紧密联系的一个圈层,而湖泊以其独特的功能和结构成为水圈的重要组成部分。由于近年来湖泊水环境接连地遭受污染和损坏,其面积在逐年的减小,功能也在逐渐萎缩。东北老工业基地的振兴,对于湖泊的影响是举目可见的,故区域性的湖泊治理显得尤为重要。遥感技术作为湖泊水环境的一种监测手段,正在迅猛的发展,而最初应用于海洋水色遥感的技术正在逐渐被内陆湖泊水质遥感研究采用。湖泊水质遥感目前的反演算法主要是经验和半分析算法。本文以二龙湖为研究对象,经过野外测量和实验室试验,获取了三期水体光谱数据和水质参数的浓度数据及吸收数据,用单波段原始反射率段算法和波段比值算法建立了叶绿素a浓度和总悬浮物浓度的模型。同时利用Landsat TM影像数据对其进行反演,得到了这两个参数浓度的时空分布图,进而对其变化进行分析。得到了如下结论:1.9月份二龙湖水体中的叶绿素a浓度和悬浮物浓度最高,叶绿素a浓度随着月份变化范围较大;CDOM在440nm波长处的吸收波动范围较小,6月份出现最大值。2.6月份在水体吸收中占主导作用的是CDOM和浮游植物色素,9月份贡献率最大的是浮游植物色素,而10月份三种物质的贡献率差不多均等。三者之间的共变关系与色素之间的共变性一致,这与藻类的生长以及人类的农作活动有关,侧面反映出CDOM的来源还有自源。3.水体在300~500nm波段反射率值偏低,500~600nm波段反射率值波动较大,且反射率值要明显大于300~500nm波段的反射率值。600~700nm范围内,光谱呈现多个特征:在620nm附近形成一个反射谷,该反射谷是由于水体中藻类藻青蛋白的吸收造成的;在690~710nm之间存在一个明显的反射峰,通常称为荧光峰,该峰随着叶绿素a含量的增加向长波方向移动,它是含藻类水体最显著的光谱特征。在700~750nm的近红外波段,反射率也有较大的变动,此波段的反射率主要是受颗粒物散射影响,说明二龙湖水体中悬浮物浓度有一定的波动性。4.非色素颗粒物的吸收和CDOM的吸收随着波长呈指数衰减变化。通过研究非色素颗粒物的吸收斜率,发现非色素颗粒物的吸收指数与非色素颗粒物中有机物所占的比重没有明显关系。通过研究CDOM的吸收斜率,得到随着CDOM含量的增加其光谱吸收系数呈指数形式递减的结论。胡敏酸主要是水中浮游植物降解的产物,富里酸则主要受陆源物质的影响。CDOM吸收斜率Sg值越大,富里酸所占的比重越大,胡敏酸所占的比重越小。由于Sg-10>Sg-9>Sg-6,可见CDOM的来源随着季节发生变化。5.在利用实测光谱数据进行参数反演时,单波段算法精度普遍较低,反演叶绿素a浓度时,单期数据反演方程的决定系数最高的仅为0.39,反演总悬浮物浓度时,最高的决定系数达0.66;波段比值法反演叶绿素a浓度和总悬浮物浓度时,方程最高的决定系数分别达到0.73和0.89。可见,波段比值算法反演效果要好于单波段算法。6.利用遥感影像对水质参数进行反演时,建立了主要参数与波段反射率或波段反射率比值之间的多元回归模型,反演的结果较为理想。从参数的空间分布图可以看出,叶绿素a浓度从湖泊沿岸到湖泊东北角到湖区中心呈减小的趋势;而总悬浮物浓度在整个湖区则显示出较小的数值,且数值分布较为均匀,说明二龙湖水体较为清澈。
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