水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900 nm)测量

梁业恒、邓孺孺,2,3*、刘永明、林 梨、秦 雁、何颖清

1. 中山大学地理科学与规划学院、广东 广州 510275 2. 广东省水环境遥感监测工程技术研究中心、广东 广州 510275 3. 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室、广东 广州 510275 4. 珠江水利科学研究院、广东 广州 510611

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900 nm)测量

梁业恒1、邓孺孺1,2,3*、刘永明1、林 梨1、秦 雁1、何颖清4

1. 中山大学地理科学与规划学院、广东 广州 510275 2. 广东省水环境遥感监测工程技术研究中心、广东 广州 510275 3. 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室、广东 广州 510275 4. 珠江水利科学研究院、广东 广州 510611

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置、利用Analytical Spectral Devices (ASD) 光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度、通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数、最终得到其400～900 nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量、为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明、硫化镉在675 nm出现极大值、在550和830 nm出现极小值； 氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势； 两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明、硫化镉的反射率从500 nm开始快速增大至650 nm后趋于平缓； 氧化镉从525 nm开始呈近线性递增至900 nm； 二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作、并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线、是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一、为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口、测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据、同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。

水体重金属污染； 镉化合物粒子； 消光系数； 反射率； 测量； 水质遥感

引 言

随着我国工业化的快速发展、对水体造成重金属污染的企业越来越多、而镉污染是其中一种重金属污染的表现形式、在自然界中镉元素通常以化合物状态存在、当环境受到镉污染后、镉可在生物体内富集、通过食物链进入人体引起慢性中毒、而水是人类生命之源、所以对水体中镉含量的监测尤为重要。根据《2013—2017年水体镉污染治理行业竞争格局与投资战略研究咨询报告》指出、“水体中镉的污染主要来自地表径流和工业废水。硫铁矿石制取硫酸和由磷矿石制取磷肥时排出的废水中含镉较高、大气中的铅锌矿以及有色金属冶炼、燃烧、塑料制品的焚烧形成的镉颗粒都可能进入水中； 用锅作原料的触媒、颜料、塑料稳定剂、合成橡胶硫化剂、杀菌剂等排放的镉也会对水体造成污染。”可见、水中镉污染来源途径很多且影响空间范围越来越广、利用具有覆盖范围大这一特点的遥感图像进行水体镉含量监测、具有很大应用前景。目前尚未见利用遥感手段对水体镉含量进行反演报道、其原因主要是：(1)对镉元素在水体中存在形式了解不深入。对该元素进行遥感提取的信息基础是其对水体光谱的变化能在遥感影像上得到体现、所以、能被卫星传感器探测出来的镉元素应该是在传感器工作波段的波段范围内存在吸收特征或反射特征的化合物(有颜色的)； (2)对镉化合物的光学参数、如单位浓度消光系数和反射率等、未被系统测量出来。邓孺孺等[1-2]根据辐射传输原理建立了水中各水质参数浓度与遥感反射率之间的函数关系式、该模型中含有待反演水质参数的单位浓度消光系数、散射系数等光学参数、所以需要测量出包括重金属在内的各种水质成分的光学参数、才能对镉元素浓度进行遥感提取。

本文选取了两种自然界水体常见并具有光活性的镉化合物进行消光系数光谱和反射率光谱测量、分别是氧化镉和硫化镉。硫化镉、即硫镉矿、是自然界镉元素的主要存在方式、常用于制备光电池、也用于制备镉黄颜料、颜色鲜明。而氧化镉是镉元素在潮湿空气中缓慢氧化形成的、常用于制备蓄电池电极、电器触头镀镉等、颜色为棕红色。两种化合物的颜色鲜明、若在河流含量较高、则能令河流颜色发生改变、从而在遥感影像上得到反映。

许多学者在一些非水质遥感领域的实际应用上都需要对硫化镉的吸收光谱进行测量研究、如Nayereh等[3]为了研究不同混合比例的硫化镉和硫化锌纳米粒子在光催化作用下对威胁生态系统的常见染料亚甲蓝(Methylene blue)的降解效率时、测量了硫化镉在450～520 nm的吸光度。Liu等[4]为了硫化镉在生物成像上得到应用、测量了硫化镉纳米晶体375～600 nm的吸光度。Manickathai等[5]在研究半导体纳米粒子合成后的特征时、测量了硫化镉纳米粒子200～800 nm的吸光度。均发现其吸收光谱从短波波段开始快速递减的趋势。对于氧化镉的吸收光谱研究有：Feng等[6]研究了太阳能电池上添加氧化镉纳米尖端涂层前后对阳光的反射和吸收影响。Dong等[7]和Manickathai等[5]分别测量了橙色、淡黄色和棕红色氧化镉纳米粒子在300～800 nm的吸光度。

而对于该两种镉化合物的反射率光谱测量则在国内尚未见相关文献报道。

综上所述、前人研究指出镉的两种化合物粒子吸收光谱特征和吸收峰所在的波长位置、对镉元素遥感探测波段选择提供了一定参考、但是存在以下问题：首先、前人测量得到的硫化镉的吸收光谱主要应用在化学、生物等领域、他们的研究对象均是纳米晶体或纳米线的镉化合物、是由实验室制备的超细粒子、自然界中并不存在。在自然界的水体中、硫化镉大部分是未经处理排到河流中、所以其粒径会大很多、光学性质会存在明显差异、如大颗粒发生的散射作用有可能掩盖了吸收作用、或者是二者的叠加结果。其次、前人测量结果只给出了相对吸收光谱曲线(吸收度或光密度)、虽然交代了吸收峰波长位置、但并没有具体交待其吸收作用与镉元素浓度之间的关系(即单位浓度消光系数光谱)、前人测量结果难以用于邓孺孺等建立的水质定量遥感反演模型。总而言之、目前还没有专门针对水体重金属遥感领域开展的镉元素化合物的光学参数测量、缺乏对其浓度进行遥感反演的基础参数(单位浓度消光系数等)。

鉴于上述存在问题、本文采用自主设计的实验装置、通过测量常温下不同浓度的单一镉化合物溶液的透射辐亮度。通过比值法可以很好消除水和水中极少量悬浮物质的影响。本装置已成功测量出400～2 500 nm纯水吸收系数、350～920 nm悬浮泥沙消光系数和400～900 nm铜离子和铁离子溶液单位浓度吸收系数光谱[8-12]、其测量结果稳定可靠、本文将沿用这套测量装置测量可见光波段和近红外波段(400～900 nm)两种常见镉化合物溶液的单位浓度消光系数光谱。另外、由于这两种常见的镉化合物均不溶于水、在水中以颗粒态存在、所以其散射作用不能忽略、为了将来进一步计算其单位浓度吸收和散射系数、本文还分别测量了这两种镉化合物在户外晴好干燥环境下的反射率光谱。本文测量得到的这两个光学参数适用于利用辐射传输理论建立的水质遥感反演模型。

1 实验原理

1.1 消光系数测量装置

利用邓孺孺等测量纯水吸收系数的测量装置进行[8]。如图1所示、该装置通过探照灯强光源和加了滤波器的透镜组获得平行光束。该光束从上至下穿过盛有待测溶液的玻璃缸、照射到底部的标准板上形成光斑、溶液的散射绝大部分被缸底的黑板所挡住。用ASD连续光谱仪测量得到标准板上该光斑的反射辐亮度。然后根据不同浓度溶液光斑的反射辐亮度可计算溶液的光学厚度、进而计算出镉化合物的单位浓度消光系数光谱。

图1 水体镉化合物粒子消光系数测量装置

本文所用光谱仪为ASD FieldSpec3、探测波长范围为350～2 500 nm、其光谱分辨率为2 nm、测量结果稳定、被广泛用于辐亮度、反射率等参数的测量。

1.2 消光系数测量方法

实验使用两种镉化合物纯度为99.99%的试剂、分别是CdS(硫化镉)和CdO(氧化镉)。将它们分别与纯水形成对应的混合物、然后分别对光源穿透不同浓度的溶液后在标准板形成的光斑进行辐亮度测量。实验用的纯水、是以蒸馏水为水源、由Research超纯水机制备。

为使探测到的信号位于ASD光谱仪的最佳范围内、使测量结果噪声尽可能小、本文测量了不同溶液浓度下的光斑辐亮度、寻找最佳测量浓度范围、硫化镉测量的溶液浓度范围为0.048～0.494 g·L-1； 氧化镉测量的溶液浓度为0.011 5～0.129 0 g·L-1。实验得到ASD最佳浓度探测范围为：硫化镉在0.145 2～0.305 0 g·L-1的浓度范围得到的辐亮度曲线噪声最小； 氧化镉在浓度为0.106 3～0.129 0 g·L-1时测量结果最佳。

另外、溶液的厚度也会影响ASD光谱仪测量结果的信噪比、测量厚度对结果精度的影响可参考邓孺孺等测量红外波段纯水吸收系数中的相关论述[9]、故本文不再赘述。实验过程我们需要进行多次实验选择最佳测量厚度、使得光谱仪探测的信号最佳。经多次试验、氧化镉溶液厚度为0.15 m时ASD测量得到的原始辐亮度曲线最佳、硫化镉溶液厚度为0.03 m时最佳。

测量实验具体操作步骤为：

(1)ASD光谱仪需要预热1 h、以消除仪器内部可见光和近红外传感器的系统误差。在测量装置上放上清洗干净的玻璃缸和标准板、往玻璃缸缓慢加入特定厚度的纯水；

(2)待水面平静后用ASD光谱仪测量直射光穿透纯水后经过标准板反射的辐亮度；

(3)往纯水中逐次加入等量质量的同种试剂粉末、充分让粒子悬浮在水中、然后测量直射光穿透溶液后投射到标准板上的反射辐亮度。

(4)进行数据处理、将噪声大的辐亮度数据剔除后、根据纯水和不同浓度溶液测量的辐亮度结果、通过比值法分别计算出两种镉化合物的单位浓度消光系数光谱曲线。

1.3 反射率测量方法及原理

本文根据常用地物反射率标准方法进行测量、即选择在户外晴好无云天气、测量时间为中午11点、利用ASD光谱仪先后对标准板和样品进行辐亮度测量(垂直观测)、用比值法计算这两种粉末的反射率、即

(1)

其中、R为待测镉化合物反射率；R0为标准板反射率、由ASD厂家提供、为已知参数；L为ASD探测得到的待测样品辐亮度；L0为同一测量环境下ASD探测得到的标准板辐亮度。

2 消光系数的数据处理

根据邓孺孺等、ASD光谱仪接收到的辐亮度可用下式表示[8]

(2)

可见、测量得到的辐亮度L与距离衰减因子cd、光源直射光辐照度E0、水表面透过率Tws、玻璃容器底部的透过率Tg、标准板的反射率Rb、待测溶液的透过率e-τ有关。除了待测溶液的透过率e-τ、其余变量都是取决于实验环境和装置本身的物理量、在实验中保持不变、但是直接对其测量极其困难、本文通过测量两组辐亮度数据、利用比值法便可将实验中相同的物理量约掉。

2.1 光学厚度的计算

对于待测溶液的光学厚度τ认为其由水分子光学厚度τw、可能存在的悬浮物质等其他杂质光学厚度τS和第n次添加的镉化合物粒子光学厚度τCdn三部分所组成。

对于第1次的纯水测量、即τCd1=0、经标准板反射的辐亮度可表示为

(3)

对于第n次测量、经标准板反射的辐亮度可表示为

(4)

式(3)与式(4)作比值运算、然后取自然对数、可以得到(τn-τ1)、其中变化的只有镉化合物粒子光学厚度τCdn、故该值即为第n次测量的镉化合物粒子光学厚度为

(5)

2.2 单位浓度消光系数的计算

根据比尔定律[13]、式(5)中的镉化合物粒子的光学厚度τCdn可以表示为

τCdn=hDnkCd

(6)

其中、h为待测溶液的厚度、氧化镉取值为0.15 m、硫化镉取值为0.03 m；Dn为第n次测量镉化合物粒子浓度、g·L-1；kCd即为镉化合物粒子单位浓度消光系数、(g·L-1·m)-1。即

(7)

2.3 实验结果

通过上述方法、得到两种镉化合物粒子单位浓度消光系数kCd随波长λ变化函数表(400～900 nm)如表1所示。将来便可以根据不同遥感图像(尤其是高光谱遥感图像)的工作波段、从表1中选取相对应波长的光学参数、为水质遥感反演模型提供了重要的基础参数。

图2为水中氧化镉粒子单位浓度消光系数光谱曲线(400～900 nm)、从图2可以看出该化合物粒子在蓝紫光波段吸收作用最大、然后逐渐减弱、呈下降趋势、跟Manickathai等[5]的测量得到该化合物的吸光度光谱趋势一致、但本文的测量参数是单位浓度消光系数、比前人更进一步地考虑了溶液浓度而得到的固有光学参数、是将来遥感定量提取该化合物浓度的基础参数。图3是在户外晴好干燥情况下测量得到的氧化镉粒子的反射率光谱曲线(400～900 nm)。氧化镉反射率从400 nm开始缓慢上升、至525 nm开始快速线性增大、可见氧化镉对红光波段反射较蓝绿光要强(与氧化镉呈现棕红色吻合)。从两个光学参数的测量光谱形状来看、在455～850 nm内二者存在一定的“互补”现象(反射低、则消光强； 反射高、则消光弱)、说明氧化镉粒子在水中消光作用以吸收作用为主。

图4为水中硫化镉粒子单位浓度消光系数光谱曲线(400～900 nm)。从图4看出、其单位浓度消光系数从400 nm的最大值然后减少至550 nm出现极小值、然后又缓慢上升到675 nm达到极大值、接着又缓慢减少至830 nm出现第二个极小值、最后缓慢增大至900 nm、从光谱曲线来看、硫化镉粒子在水中主要吸收紫蓝光、红光次之(与其鲜黄色的颜色相符)。图5为硫化镉粒子的反射率光谱曲线(400～900 nm)、从结果看出、硫化镉粒子对蓝光波段反射最低、波长增至500 nm后反射率快速增大、波长增至650 nm后、反射率呈平缓直线、从反射光谱可见、硫化镉对橙、黄、红反射较强(与硫化镉呈现鲜黄色吻合)。从两个光学参数的光谱测量形状来看、二者形状并不是完全的“互补”、说明硫化镉粒子在水中是散射和吸收二者共同在起影响作用、使得消光系数光谱曲线不完全与反射率光谱形状互补。

表1 两种镉化合物单位浓度消光系数kCd和标准差σ随波长λ变化函数表

图2 氧化镉粒子单位浓度消光系数

图3 氧化镉反射率光谱曲线

图4 硫化镉粒子单位浓度消光系数

图5 硫化镉反射率光谱曲线

3 结果与讨论

3.1 对比分析及机理探讨

从本文测量得到的水中两种镉化合物粒子的单位浓度消光系数光谱曲线(图2和图4)、可对比发现：(1)在400～900 nm波长范围内、硫化镉的消光作用均比氧化镉大； 硫化镉的消光光谱存在两个波谷一个波峰、而氧化镉则是呈现逐渐减少的单调趋势； (2)两种镉化合物粒子的消光作用主要在紫蓝光波段。

从本文测量得到的两种干燥镉化合物的反射率光谱曲线(图3和图5)、可对比发现：(1)两种化合物都对紫蓝光反射较弱、而对红光反射较强； (2)二者对黄橙光(575～625nm)反射具有较大区别、硫化镉对该波段反射较为强烈、因而呈现出鲜黄色、而氧化镉则对该波段反射较弱、主要以红色为主。

比较同种化合物的两个光学参数、发现存在一定“互补”现象、但硫化镉互补现象不明显、说明其消光作用不仅仅由吸收作用决定、与散射作用还有关(即大颗粒的硫化镉可能对光有遮挡作用)、而氧化镉的两种光学参数的互补现象较为明显、说明其消光作用主要由吸收作用引起。

氧化镉的光谱特征主要是氧元素和镉元素之间的电荷迁移引起的[14]、镉元素最外层有两个自由电子(最外层电子排布式为5s2)、而氧元素外有六个自由电子(最外层电子排布式为2s22p4)、二者最外层电子都不是稳定结构、金属镉元素原子半径较氧元素大、对最外层两个自由电子的吸引力较弱、电子容易吸收辐射能量向氧元素最外层电子轨道迁移、从而使镉元素形成4d10稳定结构、变成二价镉离子、电子迁移过程需要吸收能量、其等同于两个元素最外层电子轨道之间的能级差、宏观表现为对某些特定波长的光进行吸收。

硫化镉的光谱特征主要是“禁带跃迁”造成的[14]、由于硫化镉是良好的半导体、当自由电子不受激发时、则会存在于“价带”(valence band)、而当电子接受到辐射能量时、会从“价带”跃迁至“导带”(conduction band)、价带与导带之间就是“禁带”、两个带之间存在能级差(带隙能)、电子吸收不小于带隙能的波长光子能量发生跃迁。根据硫化镉的带隙能为2.41 eV(等同于513.49 nm光子的能量)、而不小于该带隙能的光子波长能量会被电子吸收、宏观表现为对波长小于513 nm的光子吸收作用较强、这与本文测量得到的结果吻合(图4)。

3.2 测量结果在水质遥感的应用

在自然界水体中、具光活性的镉元素来源主要是硫化镉和氧化镉、如果硫化镉浓度很高、会使河流水体呈现鲜黄色、氧化镉浓度高则会呈现棕红色、均区别于正常水体的颜色、所以会在遥感影像上得到明显反映。通过本文的测量得到的水中镉化合物粒子的光学参数、我们可以建立适当的模型将河、库、湖中的镉含量从遥感影像反演出来。根据邓孺孺等的推导、在不考虑多次散射和水底反射光时、水中杂质浓度和遥感反射率可用(8)式表达[1-2]

(8)

其中、R为遥感反射率、P(Θ)为散射相函数、μ为与观测几何有关的参数、kw和βw分别为纯水的消光系数和散射系数；D1、D2、…是我们要提取的包括重金属在内的各种水质成分的浓度； 而k1、k2、…就是本文测量的单位浓度消光系数； 另外、可以发现仍需测量出单位浓度散射系数β1、β2、…、本文测量的反射率与其存在一定关系、这也是本文还要测量反射率的原因、但有待后面深入研究二者关系。可见、重金属的遥感反演仍处于初级阶段、还需要测量出重金属的更多光学参数才能实现各种重金属的遥感反演。

实际上、一般硫镉矿矿山尾矿水、电镀厂废水和印染厂废水均大多含有本文选取的这两种镉化合物。所以、利用遥感影像发现一些镉污染型工业废水的偷排行为有很大潜力。但由于有颜色的镉化合物一般在水中以颗粒态存在、故随着时间的推移、可能在一些不流通的水域发生沉积、此时建立的水质遥感模型、需考虑底质反射光、河床底泥中的镉会改

变底质成分、从而改变水底反射光的光谱、这是发生沉积的情况下反演镉含量的光谱信息基础。

4 结 论

专门针对水质遥感领域开展了重金属镉化合物的光学参数测量工作、获得了硫化镉和氧化镉的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线。采用邓孺孺等测量透射光的实验装置进行实验、使得每次独立实验环境客观上得到更好的一致性、避免了实验装置和水中不可避免的少量杂质带来的系统误差、获得的光学参数精度更高。同时、本文还测量了它们的反射率光谱曲线、为日后计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。并对两种不同镉化合物粒子的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线进行了对比分析及机理探讨。

实验结果表明、两种镉化合物粒子的消光作用主要在紫蓝光波段、而硫化镉的单位浓度消光作用比氧化镉大、说明遥感对硫化镉浓度变化的探测较氧化镉敏感。本文测量得到两种镉化合物粒子消光系数光谱曲线和反射率光谱曲线是日后利用辐射传输理论建立的遥感反演模型中所必需的参数、为将来对水体镉元素含量遥感反演打下基础。

[1] DENG Ru-ru,HE Zhi-jian,CHEN Xiao-xiang,et al(邓孺孺、何执兼、陈晓翔、等). Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni(中山大学学报·自然科学版),2002,41(3): 99.

[2] Deng Ruru,Liu Qinghuo,Ke Ruipeng,et al. Acta Oceanologica Sinica,2004,23(1): 119.

[3] Nayereh Soltani,Elias Saion,Mohd Zobir Hussein,et al. International Journal of Molecular Sciences,2012,13(10): 12242.

[4] Liu Liwei,Hu Siyi,Pan Ying,et al. Beilstein Journal of Nanotechnology,2014,5: 919.

[5] Manickathai K,Kasi Viswanathan S、Alagar M. Indian Journal of Pure and Applied Physics,2008,46(8): 561.

[6] Feng Wuliang,Liu Jie、Yu Xibin. RSC Advances,2014,4(93): 51683.

[7] Dong Wenting,Zhu Congshan. Optical Materials,2003,22(3): 227.

[8] DENG Ru-ru,HE Ying-qing,QIN Yan,et al(邓孺孺、何颖清、秦 雁、等). Journal of Remote Sensing (遥感学报),2012,16(1): 174.

[9] DENG Ru-ru,HE Ying-qing,QIN Yan,et al(邓孺孺、何颖清、秦 雁、等). Journal of Remote Sensing(遥感学报),2012,16(1): 192.

[10] HE Ying-qing,DENG Ru-ru,CHEN Qi-dong,et al(何颖清、邓孺孺、陈启东、等). Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni(中山大学学报·自然科学版),2011,50(3): 134.

[11] DENG Ru-ru,LIANG Ye-heng,GAO Yi-kang,et al(邓孺孺、梁业恒、高奕康、等). Journal of Remote Sensing(遥感学报),2016,Accepted.

[12] LIANG Ye-heng,DENG Ru-ru,GAO Yi-kang,et al(梁业恒、邓孺孺、高奕康、等). Journal of Remote Sensing(遥感学报),2016,Accepted.

[13] August Beer. Annalen der Physik,1852,162(5): 78.

[14] Roger G. Burns(任 觉,郭其悌、译). Mineralogigal Applications of Crystal Field Theory(晶体场理论的矿物学应用). Beijing: Science Press(北京：科学出版社),1977.

*Corresponding author

Measuring the Spectrum of Extinction Coefficient and Reflectance for Cadmium Compounds from 400 to 900 nm

LIANG Ye-heng1,DENG Ru-ru1,2,3*,LIU Yong-ming1,LIN Li1,QIN Yan1,HE Ying-qing4

1. School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China 2. Guangdong Engineering Research Center of Water Environment Remote Sensing Monitoring,Guangzhou 510275,China 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Urbanization and Geo-simulation,Guangzhou 510275,China 4. Pearl River Hydraulic Research Institute,Pearl River Water Resources Commission,Guangzhou 510611,China

The key to extract the contents of cadmium in water by using remote sensing technique is to measure the spectrum of extinction coefficient per g·L-1and reflectance for its compounds. So in this paper,firstly,we choose two kinds of cadmium compounds,cadmium sulfide (CdS) and cadmium oxide (CdO),which are most commonly exsit in natural water,to measure the spectrums of extinction coefficient and reflectance for them. We use the equipment,designed on our own,which can adjust the path length of light passing and make our measuring results more accurate at visible and near-infrared wavelength range than others. Then we use Analytical Spectral Devices (ASD) spectrometer to measure the radiance of the light spot,which is from the direct light passed through cadmium compounds solutions of different concentrations reflected by the standard board. Using the ratio method to eliminate environmental errors and the effects of the thimbleful of suspended solids in water,we obtain the extinction coefficient per g·L-1of these two kinds of cadmium compounds from 400 to 900 nm. Secondly,we use ASD spectrometer to measure the reflectance spectrum of them in the sunny day at outdoor. The reflectance we obtain in this paper can help us to calculate the absorption and scattering coefficient per g·L-1in the future. The measuring results show that the extinction coefficient spectrum of CdS has two troughs at 550 and 830 nm and one peak at 675 nm. And the extinction coefficient spectrum of CdO decrease from purple to near-infrared. Both of their coefficient spectrums in blue are larger than green and red. And the value of the extinction coefficient per g·L-1of CdS is larger than CdO in the whole measuring wavelength range. The reflectance of CdS in yellow and red is larger than purple and blue,which increases rapidly from 500 to 650 nm and then leveling off. While the reflectance of CdO increase linearly from 525 to 900 nm. Both have obvious spectral characteristic. According to our results,the largest extinction coefficient appear at blue color,while the largest reflectance appear at yellow and red,which means that those bands are the most sensitive wavelength to detect the change of cadmium concentration in water. This study carries out with optical parameters measurements for optical activity of cadmium compounds specifically for water quality remote sensing for the first time. We conclude that the extinction coefficient and reflectance spectrums we obtained are reasonable,and the results can be used as the base parameter in the remote sensing inversion model for cadmium contents in water,which provides a breakthrough on using remote sensing technique to extract the heavy metal contents in water. Obtained these two optical parameters in this paper can provide powerful reference for band selection of the remote sensing image,which is used to extract cadmium contents in water,as well as provide the necessary important parameters of the remote sensing inversion model of cadmium contents in water.

Heavy metal pollution in water; Cadmium compounds; Extinction coefficient spectrum; Reflectance spectrum; Measuring; Water quality remote sensing

Nov. 3,2015; accepted Mar. 5,2016)

2015-11-03、

2016-03-05

国家科技支撑计划项目(2012BAH32B03),广东省水资源节约和保护资金项目(FLXGL2014-D41),海洋公益性行业科研专项(201205040),国家自然科学基金项目(41301452,41204332),广州市珠江科技新星项目(2013J2200073)资助

梁业恒、1987年生、中山大学地理科学与规划学院博士后 e-mail：liangyeheng@163.com *通讯联系人 e-mail：eesdrr@mail.sysu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4006-07