水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

吴刚 | -> | 1097| 0| 0.464301MB |叶绿素-a,反射光谱,红波段反射峰,荧光峰,光谱模拟

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摘 要 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1~50μg ·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 000μg ·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。
    叶绿素是二类水体水色反演的主要水质参数之一。水体组分中叶绿素浓度的遥感反演取决于叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射特性。经典的表层水体叶绿素浓度反演采用蓝绿波段比值算法[1 , 2 ] , 但是对于光学属性复杂的海岸带及内陆二类水体, 由于非色素悬浮物( Tripton) 及有色可溶性有机物( colored dissolved organicmat ter : CDOM) 的吸收和散射的影响[3 ] , 蓝绿波段比值算法对于叶绿素浓度的反演精度较低[4 , 5 ] 。对于二类水体叶绿素浓度的反演, 许多较为成功的算法都与藻类颗粒在700 nm左右的光谱反射峰属性有关[6 , 7 ] , 如红波段比值算法、荧光峰算法、及导数光谱算法[8 ] 。Ruddick 等[9 ] 分析了近红外和红波段比值算法中波长的选择对反演误差的影响, 发现叶绿素的反演精度取决于近红外波段的波长位置, 因此近红外和红波段比值算法的一个应用前提就是700~740 nm 之间足够的光谱分辨率和精确的近红外波段位置。在利用红波段及近红外波段遥感反射率反演叶绿素浓度时, 常利用叶绿素在700 nm 左右的反射峰特征, 包括叶绿素的荧光峰和由藻类颗粒光学弹性散射形成的红波段反射峰。
    目前, 许多学者尝试对水体藻类叶绿素在红波段的荧光峰(非弹性散射) 特性进行研究, 但对藻类颗粒由于弹性散射而引起的700 nm 左右的红光反射峰特征研究相对较少, 水体弹性反射峰在该波段与荧光峰的部分重叠, 导致了目前荧光峰和红波段弹性反射峰的识别不清, 也对利用红波段反射峰特征的叶绿素反演算法带来误差和不确定性。本文通过分析叶绿素在红波段的固有光学属性, 研究了叶绿素在红波段的遥感反射率响应特性, 即水体在红波段反射峰强度和反射峰波长随叶绿素浓度的变化规律。本研究结果有助于识别水体红波段光谱本质特征、改进利用红波段的叶绿素遥感反演算法, 为区分藻类叶绿素的红光反射峰和荧光峰奠定基础。
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