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关键词：
开放光路,傅里叶变换红外光谱仪,臭氧,合成背景光谱,非线性最小二乘,检测限
发表时间：
2012-02-06 15:20:01
基于光谱相关关系的海水总悬浮颗粒物吸收光谱的分解
章旭峰 | -> | 781| 1| 0.470871MB |光谱相关关系,悬浮颗粒物,吸收光谱分解,南海北部
摘 要 基于吸收光谱相关关系建立了一种海水总颗粒物吸收光谱( ap (λ) ) 分解模型, 利用有约束的非线性优化算法实现了浮游植物( aph (λ) ) 和非藻类颗粒物吸收光谱( aNAP (λ) ) 的分离。采用2004 年南海北部航次调查水体的实测数据分析发现, 在短波波段( aph (λ) ) 可以较好地表示为aph (443) 的二次多项式形式, aNAP (λ) 遵循普遍的指数衰减规律。基于这种光谱变化规律本文建立了ap (λ) 分解模型, 并采用2005 年同一海区实测数据进行验证, 发现模型计算光谱与实测数据有较好的相似性, 在主要的吸收波段如443 , 490 和683 nm 处的平均相对偏差值在17 %以内, 两者之间线性关系拟合的决定系数( R2 ) 均在0197 以上, 斜率接近于110 。与现有的分解方法相比, 该模型具有明显的区域优势, 这种基于光谱相关关系的分解思想可进一步应用于水色遥感信息的反演和海水总吸收系数的分解。
海水中浮游植物的吸收系数大小和光谱变化对于建立水色遥感反演模型、估算海洋初级生产力、反演浮游植物种群结构等具有重要意义[124 ] 。浮游植物吸收光谱的测量一般采用定量滤膜技术[5 , 6 ] , 将海水中所含的总悬浮颗粒物过滤到滤膜上, 再利用甲醇萃取或次氯酸钠漂白的方法得到[7 ] 。
近年来已有一些现场仪器(如Wetlabs 公司的ac29 和ac2s) 可用于同时测量水体的光谱衰减系数和光谱吸收系数; 这些仪器又可用于浮标平台, 实现水体光谱衰减和吸收系数的连续观测[8 ] 。人们逐渐发展了水色遥感反演水体光谱吸收系数的多种方法和模型, 为获取大范围、长时间序列的海洋光学参数提供了条件[9 ] 。但是, 这些方法目前只能得到海水的总吸收系数, 还需要进一步从中分离出浮游植物、非藻类颗粒物和黄色物质等各自的吸收光谱, 才能更精确地反演得到海水中各种组分的信息。
国内外学者做了大量的工作, 以期实现悬浮颗粒物吸收光谱中浮游植物和非藻类颗粒物吸收系数的分离。Morrow等[10 ] 根据马尾藻海的测量数据分析建立了一个双组分模型。Bricaud 等[11 ]根据浮游植物吸收光谱表现出来的特定波段吸收比值恒定的特点和非藻类颗粒物吸收光谱的指数衰减规律, 实现了两者吸收光谱的分离, 这种方法后来得到了较多的应用[12 ,13 ] 。采用类似的原理, Oubelkheir 等[14 ]根据世界不同海区表层水体的测量数据, 发现特定波段的浮游植物吸收光谱的比值与海水叶绿素a 浓度表现出较好的相关性, 并基于此方法实现了水体吸收系数的分解, 这种方法又可应用于遥感数据的处理[15 ] 。另外, 有些学者根据实测的色素成分浓度, 对浮游植物的吸收光谱进行重组, 或是根据测量得到的叶绿素a 浓度和脱镁色素浓度对总悬浮颗粒物吸收光谱进行分解[16219 ] 。Varela 等[20 ] 曾对当时已经建立起来的颗粒物吸收光谱分解方法进行了综述, 发现有些方法需要同步测量的色素或脱镁色素浓度的数据, 另有些分解方法对浮游植物的光谱吸收变化规律进行了某些假设, 比较后发现Bricaud等[11 ]的方法具有较好的分解效果, 但是应用到非藻类颗粒物贡献较小的水体时也会产生一定的偏差。Gallegos 等[21 ] 通过求解一系列数学方程的方法对二类水体中浮游植物、非色素颗粒以及有色溶解有机物的吸收贡献进行了分离。
由已有的研究报道可以看出, 在海水悬浮颗粒物吸收光谱的分解过程中, 浮游植物和非藻类颗粒物吸收光谱的变化规律是关键。本文的研究目的, 就是基于对南海北部水体中浮游植物和非藻类颗粒物吸收光谱变化规律的分析, 建立一种分解模型, 实现对总悬浮颗粒物吸收光谱的分解。通过比较, 对目前现有的两种分解模型在南海北部水体颗粒物吸收光谱分解中的适用性进行评价。
近年来已有一些现场仪器(如Wetlabs 公司的ac29 和ac2s) 可用于同时测量水体的光谱衰减系数和光谱吸收系数; 这些仪器又可用于浮标平台, 实现水体光谱衰减和吸收系数的连续观测[8 ] 。人们逐渐发展了水色遥感反演水体光谱吸收系数的多种方法和模型, 为获取大范围、长时间序列的海洋光学参数提供了条件[9 ] 。但是, 这些方法目前只能得到海水的总吸收系数, 还需要进一步从中分离出浮游植物、非藻类颗粒物和黄色物质等各自的吸收光谱, 才能更精确地反演得到海水中各种组分的信息。
国内外学者做了大量的工作, 以期实现悬浮颗粒物吸收光谱中浮游植物和非藻类颗粒物吸收系数的分离。Morrow等[10 ] 根据马尾藻海的测量数据分析建立了一个双组分模型。Bricaud 等[11 ]根据浮游植物吸收光谱表现出来的特定波段吸收比值恒定的特点和非藻类颗粒物吸收光谱的指数衰减规律, 实现了两者吸收光谱的分离, 这种方法后来得到了较多的应用[12 ,13 ] 。采用类似的原理, Oubelkheir 等[14 ]根据世界不同海区表层水体的测量数据, 发现特定波段的浮游植物吸收光谱的比值与海水叶绿素a 浓度表现出较好的相关性, 并基于此方法实现了水体吸收系数的分解, 这种方法又可应用于遥感数据的处理[15 ] 。另外, 有些学者根据实测的色素成分浓度, 对浮游植物的吸收光谱进行重组, 或是根据测量得到的叶绿素a 浓度和脱镁色素浓度对总悬浮颗粒物吸收光谱进行分解[16219 ] 。Varela 等[20 ] 曾对当时已经建立起来的颗粒物吸收光谱分解方法进行了综述, 发现有些方法需要同步测量的色素或脱镁色素浓度的数据, 另有些分解方法对浮游植物的光谱吸收变化规律进行了某些假设, 比较后发现Bricaud等[11 ]的方法具有较好的分解效果, 但是应用到非藻类颗粒物贡献较小的水体时也会产生一定的偏差。Gallegos 等[21 ] 通过求解一系列数学方程的方法对二类水体中浮游植物、非色素颗粒以及有色溶解有机物的吸收贡献进行了分离。
由已有的研究报道可以看出, 在海水悬浮颗粒物吸收光谱的分解过程中, 浮游植物和非藻类颗粒物吸收光谱的变化规律是关键。本文的研究目的, 就是基于对南海北部水体中浮游植物和非藻类颗粒物吸收光谱变化规律的分析, 建立一种分解模型, 实现对总悬浮颗粒物吸收光谱的分解。通过比较, 对目前现有的两种分解模型在南海北部水体颗粒物吸收光谱分解中的适用性进行评价。
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