水體光譜測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

白 璟，彭 寬

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430000；2.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000）

1 概述

1.1 水體光譜特性研究的發(fā)展和現(xiàn)狀

近年來，遙感科學(xué)與技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，上到衛(wèi)星影像，下到航空攝影測(cè)量，遙感的發(fā)展正是對(duì)光譜數(shù)據(jù)利用能力的提高，水是生命之源，水體在自然界中重要地位也是毋庸置疑的，所以對(duì)水體的研究應(yīng)該從多方面多層次考慮，以前我們僅僅利用遙感科學(xué)技術(shù)來發(fā)現(xiàn)水域，隨著技術(shù)的不斷革新，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以利用遙感技術(shù)來識(shí)別水域并判斷水質(zhì)狀況。近年來，隨著對(duì)物質(zhì)光譜特征研究的深入、算法的改進(jìn)，遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)已從定性發(fā)展到定量，可通過遙感數(shù)據(jù)識(shí)別水質(zhì)情況，并對(duì)水體的各種參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)水體質(zhì)量的判斷有了明顯的提高。

1.2 水體的反射光譜特性

水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收率很強(qiáng)。

2 光譜數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

武漢市地處長(zhǎng)江中游，位于長(zhǎng)江、漢水的交匯處，素有“江城”之稱。市區(qū)江河縱橫，湖泊密布，僅長(zhǎng)江、漢江、府環(huán)河三條水系縱貫市區(qū)就長(zhǎng)達(dá)180.5 公里。武漢大多數(shù)湖泊呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，一些湖泊已接近甚至達(dá)到極富營(yíng)養(yǎng)化。為水體光譜研究提供了豐富的資源。

2.2 研究?jī)?nèi)容

2.2.1 光譜數(shù)據(jù)的采集

光譜數(shù)據(jù)主要來源于可見光和近紅外波段的地面光譜儀測(cè)量獲得的。在光譜的采集過程中，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素很多，有儀器因素，人為因素，環(huán)境因素，這些相互影響較為復(fù)雜，不但會(huì)產(chǎn)生誤差甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，有些誤差可以通過數(shù)據(jù)處理的方法解決，有些則無(wú)法彌補(bǔ)，所以光譜的采集至關(guān)重要，一定要按儀器的操作規(guī)程和對(duì)環(huán)境的要求來進(jìn)行。

2.2.2 光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理

利用光譜儀測(cè)量得到的數(shù)據(jù)由于各種原因的相互影響客觀上會(huì)存在較大的噪聲，這樣的數(shù)據(jù)在實(shí)際研究時(shí)意義不大，為地物反演研究的需要，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.2.3 光譜數(shù)據(jù)的分析

對(duì)采集來的水體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出水體光譜特征點(diǎn)，以及光譜特征與哪些因素有關(guān)。

2.3 研究方案

光譜數(shù)據(jù)主要來源于2020年5月間通過可見光和近紅外波段的地面光譜儀測(cè)量獲得的。

選取自然界中最具有代表性的水體作為光譜采樣目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中我們主要測(cè)量了有代表性的水域東湖，東湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度比較高，在做水質(zhì)反演方面有比較實(shí)際的作用。

3 水體光譜數(shù)據(jù)處理

我們利用光譜儀測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)由于每個(gè)點(diǎn)上環(huán)境因素的影響、人為操作的不同、測(cè)量次數(shù)的差異，造成了數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量都有差別，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能為后續(xù)的特征分析所使用。目前數(shù)據(jù)處理主要可以用求平均值、波段合并，歸一化和光譜微分等方法來處理，以提高數(shù)據(jù)的信噪比，本文主要介紹求平均值和光譜微分的處理方法。

3.1 光譜數(shù)據(jù)求平均值

通過大量的光譜測(cè)量得到較多的光譜曲線，有些數(shù)據(jù)能很好的反映地物的基本特征但是有些數(shù)據(jù)在某些波段效果比較差，需要選擇吻合較好的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在選擇吻合較好的光譜曲線的方法上可以選擇最小二乘法，他能比較有效的剔除誤差太大的光譜數(shù)據(jù)。最小二乘法比觀察法的精度要高一些但實(shí)現(xiàn)起來難度要大一些。

以下是2020年5月測(cè)得的東湖水體光譜數(shù)據(jù)：

圖1 吻合較好的7 組光譜數(shù)據(jù)

圖2 7 組數(shù)據(jù)平均后得到平均光譜

由以上效果圖可以看出，對(duì)同一點(diǎn)測(cè)量得到的光譜取平均值后能很好的反映該點(diǎn)的光譜特征的同時(shí)還可以減弱由于個(gè)別測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)引起的較大誤差。光譜測(cè)量中，在條件允許的情況下建議對(duì)每一點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量。

3.2 光譜曲線一階微分

對(duì)光譜的一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景、噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜的影響，R（λi）′光譜數(shù)據(jù)的一階微分可以用以下公式近似計(jì)算：

其中，λi-1，λi，λi+1為相鄰波長(zhǎng)，R（λi）′為波長(zhǎng)λi的一階微分反射光譜。計(jì)算得到的一階微分光譜如圖3 所示。一階光譜為反演水質(zhì)參數(shù)，植被參數(shù)，土壤含水量等工作提供了新的數(shù)據(jù)。

圖3 水體光譜反射率一階微分圖

4 水體光譜特征位置選取與影響因素分析

純凈的水體在可見光波段的反射率曲線是接近線性的，且隨著波長(zhǎng)向紅外波段的逐漸增大，反射率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，直線化特征明顯。自然狀態(tài)下的水體則會(huì)由于其中含有各種物質(zhì)對(duì)光輻射的吸收和散射性質(zhì)的不同而顯示出不同的光譜特性。在本次光譜測(cè)量測(cè)得的水體中，決定其光譜特征的物質(zhì)主要有：

（1）浮游植物（主要是藻類）和由浮游植物死亡而產(chǎn)生的有機(jī)碎屑。

（2）水體底泥經(jīng)再懸浮而產(chǎn)生的無(wú)機(jī)懸浮顆粒，簡(jiǎn)稱懸浮物。

（3）由黃腐酸、腐殖酸組成的有機(jī)物，通常稱黃色物質(zhì)。

可以用以下的簡(jiǎn)單模型近似描述各種物質(zhì)對(duì)水體光譜反射率RW的影響：

其中 RW為水面反射率，bW、bS和 bP分別為水、無(wú)機(jī)懸浮物和藻類物質(zhì)的后向散射系數(shù)，aW、aS、aP和 aY分別為水、無(wú)機(jī)懸浮物、藻類物質(zhì)和黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)。

本次測(cè)得的水體的光譜特征主要以浮游植物引起的富養(yǎng)化特征（如東湖）為主。為了進(jìn)一步研究這些特征參數(shù)，通過對(duì)水體光譜曲線的分析，得出了東湖水體光譜的幾個(gè)特征點(diǎn)。

由于各種物質(zhì)的影響，水體光譜曲線具有特征明顯且穩(wěn)定的特征峰谷。我們?cè)?00-800nm 波段范圍選擇了4 個(gè)峰谷表征水體的光譜特征。

圖4 典型水體光譜（2006年5月東湖）

（1）藍(lán)紫波段吸收峰B：為光譜在藍(lán)紫波段的反射率最小值，λ∈420-525nm。

（2）綠反射峰（綠峰位置）G：為光譜在綠波段的反射率最大值，λ∈520-560nm。

（3）紅波段吸收峰R：為光譜在紅波段的反射率最小值，λ∈660-690nm。

（4）紅波段反射峰N：為光譜在紅波段向近紅外波段過度區(qū)間的波段的反射率最大值，λ∈690-720nm。

以上是水體的4 個(gè)最基本的特征位置，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)都能很好的反映水體的以上波譜特征。

5 研究進(jìn)展

5.1 研究進(jìn)展

通過對(duì)水體光譜數(shù)據(jù)的分析，提出了水體的4 個(gè)相關(guān)特征位置。并對(duì)其產(chǎn)生的原因作了定性的分析。由于受條件限制，對(duì)地物采樣次數(shù)和采樣點(diǎn)數(shù)量較少，進(jìn)一步的工作需要加大采樣點(diǎn)的數(shù)量和范圍，對(duì)多個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

5.2 研究展望

（1）改進(jìn)和加強(qiáng)對(duì)地物光譜數(shù)學(xué)分析方法。以數(shù)學(xué)分析方法為基礎(chǔ)，結(jié)合物理方法，使對(duì)地物特征的定性分析向定量分析發(fā)展。

（2）對(duì)水體光譜的研究可以從可見光波段范圍向近紅外和熱紅外波段范圍發(fā)展。