高光谱遥感技术在东风渠水污染分析的应用

粟君莲，何政伟，潘佩芳，简 季

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059；2.成都理工大学 旅游与城乡规划学院,四川 成都610059； 3.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都610059)

1 采样点分布

本实验利用ASD Fieldspce(R) Pro FR全波段野外光谱仪(350～2 500 nm)获得东风渠水波谱数据，在现有的光谱数据处理方法基础上，对高光谱数据处理及在水体信息提取中的应用进行研究。采样时间于2010年4月14日开始，4月26日结束，为期12 d，每次取样间隔为1～2 d。样品采集时间在下午4点～5点。水样采集点一共有6个，其中4～6号点位于东风渠理工大学段上游重庆市江北区宏河化工厂材料批发部附近，该地段水质可能受化工厂影响较大。而1～3号点沿成都理工大学后校门小吃街分布，该地段水质应该受生活垃圾污染较重，具体位置见图1。

图1 研究区及采样点的分布图

2 光谱数据处理

2.1 光谱数据库的建立

本文对东风渠水体进行了反射光谱测量，采用ENVI软件的光谱库功能建库，其文件为ASCll格式。利用此数据库可以进行各种光谱分析与处理，如图2所示。

图2 建立光谱数据库流程图

2.2 光谱平均

将得到的每个样点的多个光谱反射率曲线进行平均计算，以平均值作为该样点的光谱。测量的不稳定性通过对同一目标的多次测量来消除，得到的结果更接近自然和具有代表性、可信性。直接在Envi的“Spectral Math” 中计算，计算公式为（s1+s2+s3）/3,其结果如图3所示。

3 东风渠水的基本光谱特征

图4为4月18日所取6个采样点的光谱曲线，呈现了东风渠水体谱特征。从图上可以看出，在350～550 nm波段范围内，由于藻类色素及黄色物质在该范围的强烈吸收作用，使水体的反射率较低。在蓝紫光波段（400～500 nm）和670 nm附近都有吸收峰，主要是由于叶绿素的影响。当藻类密度较高时，水体光谱反射率曲线在这2处出现谷值，但同时由于散射作用的影响，对藻类密度变化不敏感。550～570 nm范围的反射峰是由于叶绿素和胡萝卜素对弱吸收和细胞的散射作用形成的，该反射峰值与色素组成有关，可以作为叶绿素定量标志。因为藻青蛋白的吸收峰在624 nm处，所以630 nm附近出现反射率谷值或呈肩状。660 nm附近是叶绿素a的吸收峰，所有的藻类中都含有叶绿素a，因此当藻类密度较高时，水体光谱反射率曲线在该处出现谷值。685～715 nm范围反射峰的出现是含藻类水体最显著的光谱特征，其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据，反射峰的位置和数值是叶绿素a浓度的指示，其出现原因是由于水和叶绿素a的吸收系数之和在该处达到最小[1]。东风渠水体在该处没有显著的反射峰且反射率值较小，说明藻类密度较低。光谱反射率在750～950 nm之间强烈增加，峰值为807 nm，说明东风渠悬浮物浓度大于250 mg/L。

图3 光谱平均(4月18日1号点123～125号文件平均)

图4 东风渠4月18日采样点光谱

4 光谱的对比分析

图5为东风渠4月18日6个采样点光谱。从图上可以看出，光谱的最大反射率约为0.375，表明东风渠悬浮物含量较高，以此可以分析东风渠中藻类及黄色物质含量、叶绿素a含量及悬浮物浓度各点之间的变化关系。

4.1 藻类及黄色物质

黄色物质（CDOM）主要是由黄腐酸、腐殖酸组成的溶解性有机物，其影响集中在550 nm之前的短波区域，在这一波段吸收率大，但在近红光区已经很小，长波区域的吸收系数接近为零。结合水体反射率曲线，由于黄色物质的强吸收作用，400～550 nm之间反射率很低（同时也受叶绿素a浓度的影响），而在其他波段，黄色物质的影响很小。因此，进行黄色物质的遥感监测的波段范围是短波区域。Richard 测得CDOM吸收峰在440 nm附近。Boderick 等分析250～650 nm的光谱与CDOM的关系，发现380 nm处吸收光谱反演CDOM较适用[2]。

图5 东风渠4月18日6个采样点光谱反射率

从图5可以看出，在350～450 nm波段范围内，由于藻类色素及黄色物质在该范围的强烈吸收作用，使水体的反射率较低。从光谱在462 nm处出现反射峰可以看出，生活区3个采样点中，反射率最高的为2号采样点，推断其藻类色素及黄色物质含量最低；反射率最低的为3号采样点，其藻类色素及黄色物质含量最高。工业区3个采样点中，反射率最高的为6号点，最低的为5号点。同理，可以推断出6号点藻类色素及黄色物质含量最低，5号点藻类色素及黄色物质含量最高。由此推测，藻类色素及黄色物质含量关系为：5号点>3号>4号点>1号点>6号点>2号点。

4.2 叶绿素a

根据Gitelson的研究，当叶绿素a的浓度从一个很低的值增加到100μg/L时，叶绿素的诊断波段向长波方向移动，反射峰从685 nm附近移动到715 nm附近[3]。从图5中东风渠各采样点光谱曲线在660 nm出现吸收峰可以推断，东风渠水的叶绿素a浓度小于100 μg/L。从图6包络线去除后的特征吸收波段出现在约670 nm处推测，叶绿素a含量越多，其吸收越强，反射率越低。据此推测东风渠6个采样点叶绿素a含量关系为：2号点>4号点>1号点>3号点>6号点>5号点。

4.3 悬浮物

悬浮物（TSM）主要是浮游植物死亡产生的有机碎屑以及陆生或湖体底泥再悬浮而产生的无机、有机悬浮颗粒，在可见光波段对光谱有影响，增加了反射率。David Doxarm等对法国西南部Ginronde河口地区6个不同悬浮物浓度水体进行了反射率测定，得出当悬浮物浓度在35～250 mg/L,反射率在400～700 nm之间增加；当悬浮物浓度大于250 mg/L时，反射率在400～700 nm之间趋向饱和，但在750～950 nm之间强烈增加，峰值为800 nm。一般来说，对可见光遥感而言，580～680 mm对不同悬浮泥沙浓度出现辐射峰值是遥感监测水体混浊度的最佳波段。通过地物光谱仪或地面辐射计开展黄河口及长江口悬浮泥沙反射率波谱特性和最佳波段的研究表明[3]，对于低浓度含沙水体，反射峰位于510～600 nm；对于中浓度含沙水体，反射峰位于630～690 nm；对于高浓度含沙水体，反射峰位于760～900 nm。一般地，随着水体含沙量增加，各波段的反射率都普遍增大，但其幅度不同，反射率增大幅度最大的波长与反射率最大峰值位置基本吻合。在可见光波段，对悬浮泥沙含量最为敏感的波长为550 nm和670 nm[3]。

图6 东风渠4月18日6个采样点的包络线去除曲线及670 nm处特征吸收波段放大图

从图5东风渠各采样点光谱曲线中可以看出，光谱反射率在807 nm处出现最大值，表明东风渠悬浮物浓度高，大于250 mg/L；分析生活区3个采样点之间反射率关系为：2号点>1号点>3号点。由于在690～900 nm范围内，反射率与悬浮物浓度呈正相关，故推测出生活区3个采样点悬浮物浓度关系为：2号点>1号点>3号点；工业区悬浮物浓度关系为：6号点>5号点>4号点；而东风渠6个采样点之间悬浮物浓度关系为：6号点>2号点>1号点>5号点>4号点>3号点。

4.4 同一点不同时间光谱对比

图7为不同时期1号点光谱，图8为不同时期6号点光谱。将同一地点不同时间测得的光谱数据作对比分析，分别在生活区和工业区选取1点作对比。由图7曲线中807 nm波段光谱推测，东风渠悬浮物浓度关系为：18日>21日>16日>26日；从350～724 nm波段范围光谱曲线推测，东风渠藻类色素及黄色物质和叶绿素a含量在生活区范围关系为：16日>26日>21日>18日。

图7 东风渠1号采用点不同时间光谱

由图8曲线中807 nm波段光谱推测，悬浮物浓度关系为：18日>16日>26日>21日；从350～660 nm波段光谱曲线推测，藻类色素及黄色物质和叶绿素a含量在工业区关系为：21日、26日含量约相同但高于16日含量，而16日含量高于18日含量。

图8 东风渠6号采样点不同时间光谱

总的来看，1号点不同时期的反射率（约0.3）要低于6号点不同时期反射率（约0.375），说明生活区悬浮物浓度要低于工业区，而藻类色素及黄色物质和叶绿素a含量则要高于工业区，其原因可能是生活区产生的污染物较工业区含有更多的有机物。

5 标准光谱和原始光谱的对比分析

本次实验测得的光谱数据横轴单位为nm，纵轴反射率用小数表示，而标准光谱数据横轴单位为μm，纵轴反射率用百分数表示。原始光谱图如9、10所示。从图11～图14中可以看出，硼酸盐、硼酸酯和氢氧化物标准光谱在1μm附近出现明显的吸收峰，对比原始光谱在1 000 nm处出现的光谱突变，推测东风渠水污染物中可能含有硼酸盐、氢氧化物。从图12、图13可以看出，碳酸盐、卤化物标准光谱在约730 nm处出现明显吸收峰，对比原始光谱图9、图10在此处光谱出现吸收峰推测，东风渠水污染物中可能含有碳酸盐和卤化物。从图15中可以看出，俦硅酸盐标准光谱在约1 060 nm处出现反射峰，约在1 560 nm处出现吸收峰，对比原始光谱在此处光谱的反射峰和吸收峰可以推测，东风渠水污染物中可能含有俦硅酸盐。

图9 东风渠4月18日原始光谱

图10 东风渠4月26日原始光谱

图11 硼酸盐、硼酸酯标准光谱

图12 碳酸盐标准光谱

综上所述，东风渠污染物中可能存在硼酸盐、氢氧化物、碳酸盐、卤化物以及俦硅酸盐等。

6 结 语

本文通过实验得出以下结论：

1）通过对同一时期不同点和同一点不同时期的光谱曲线进行对比得到，悬浮物浓度工业区段高于生活区段,而藻类及黄色物质含量、叶绿素a含量变化则不一定，但能确定工业区段含量略高于生活区段。

2）通过原始光谱与标准光谱的对比推测，东风渠污染物中可能存在硼酸盐、氢氧化物、碳酸盐、卤化物以及俦硅酸盐等物质。

图13 卤化物标准光谱

图14 氢氧化物标准光谱

图15 俦硅酸盐标准光谱

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