富营养化水体中氮磷物质与光谱反射率的相关性分析

第8卷第6期

2009年11月杭州师范大学学报(自然科学版)Journal o f Hangzhou N ormal University(Natural S cience E dition)V ol.8N o.6N ov.2009收稿日期:2009 09 01

基金项目:浙江省教育厅计划资助项目(0686XP67).作者简介:王晓玥(1971 ),女,浙江湖州人,副教授,硕士,主要从事污染生态学研究.E mail:w angxy419@.文章编号:1674 232X (2009)06 0453 04

富营养化水体中氮磷物质与光谱反射率的相关性分析

王晓玥

(杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江杭州310036)

摘 要:利用F ieldSpec H andH eld 地物光谱仪对不同的富营养化水体进行反射光谱测量和同步水质采样

分析,通过研究水体反射光谱的特征,分析了光谱反射率与总氮、总磷浓度之间的关系.结果表明:光谱反射率比

R 640/R 447与总氮浓度、R 703/R 447与总磷浓度的线性相关程度较好,并以此分别建立了两者的反演模型.

关键词:富营养化水体;氮磷浓度;光谱反射率;反演模型

中图分类号:X832 文献标志码:A

随着经济和城市化的迅速发展,水体富营养化趋势日益严重.及时准确地了解水体富营养化的状况及其变化趋势,对于正确评价水体质量,寻求改善生态环境的途径和措施,具有重要意义.国内外大量实践表明,遥感监测因其监测范围广、速度快、成本低、便于长期动态监测等特点,逐渐成为水质监测的有效手段[1 6]

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水质遥感监测是通过研究水体反射光谱特征与水质参数浓度之间的关系,建立水质参数反演算法进行的[7].目前可遥感的水质参数包括叶绿素、悬浮物及与之相关的水体透明度、浑浊度,但对可溶性有机物、化学需氧量、总氮、总磷等富营养化表征参数的光谱特性分析和定量遥感监测研究较少[8].在此选取总氮(T N)、总磷(TP)作为研究对象,旨在通过分析水体光谱反射率特征,建立水体反射率与TN 、T P 浓度之间的反演模型,为水体污染的遥感分析及监测提供理论基础和方法依据.1 采样与分析

研究区域位于杭州市下沙经济开发区.此处汇集造纸、橡塑、食品、制药等众多工厂企业,水体富营养化比较严重.经前期大量采样及水质分析,选取了水质比较稳定的7个采样点,进行水体反射光谱测量和同步水质采样分析.光谱测量采用美国ASD 公司的FieldSpec H andheld 地物光谱仪,在每个采样点进行水面离水辐射率的测定.该光谱仪光谱范围为325~1075nm,光谱采样间隔为1.6nm,分辨率为3.5nm.测量时天气阴,无风,水面基本平静.水面离水辐射率由仪器在距离水面约60cm 处测得,观测平面与太阳入射平面的角度为90度,仪器与水面法线方向的夹角为45度,每一水样在同一波长处扫描15次.每一采样点分别测定水面、天空和参考板的反射率.

在每一采样点使用标准采样器,从水面至水下20cm 处同步进行水质采样.在实验室中分析水样参数,其中TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、TP 采用钼酸铵分光光度法[9].结果显示,各采样点

TN 浓度变化较大,从1.49~6.95mg /L,T P 浓度为0.22~2.13mg/L,已达中度至重度富营养状态

[10].

2 结果与讨论

2.1 水体光谱反射率特征

在光谱测量时,为避免天气、采样点周围环境的细微变化、光谱仪的移动等对测量结果造成影响,便于不同采样点光谱值之间的比较,对每条反射光谱在可见光范围内(400~800nm )的波长反射率进行了归一化处理.依据公式R rs =[S sw -r S sky ] p / S p 计算归一化的离水辐射率(光谱反射率),式中Rrs 为光谱反射率,S sw 、S sky 、S p 分别为光谱仪面向水体、天空和标准板时的测量信号码值(r =0.028)

[11]

.图1 富营养化水体的光谱反射率Fig.1 The spectral reflectance of eutrophic water

图1所示为试验中各采样点光谱反射率曲线.可

见各水体的反射率变化大致相同,并呈现内陆水体光

谱的一般特征.由于藻类色素及黄色物质在450~500

nm 波段有强烈的吸收作用,因此水体在该范围内的反

射率较低;550~590nm 波段出现第一个反射峰,这是

由叶绿素、胡萝卜素弱吸收和悬浮颗粒物散射共同作

用形成的;在675nm 处因叶绿素 a 的强烈吸收而导致

反射率出现谷值;700nm 附近的反射峰,其原因可能

是由于水和叶绿素a 吸收系数之和在该处达到最小所

致,这个峰常被作为叶绿素 a 的特征波谱[7].图1中

700nm 处的反射峰虽然存在,但不明显,可见各水体

中藻类浓度并不高.760nm 处呈现明显的反射峰,应与

水体中悬浮物含量有关[5].

2.2 TN 的遥感定量模型水质定量遥感反演方法包括经验法、半经验法、物理法等,其中半经验法是将非成像光谱仪(如地物光谱仪)测得的水质光谱特征与同步实测样点的数据进行统计分析,选择估算水质参数的最佳波段或波段组合,并选用适当的数学方法建立光谱数据和水质参数间的反演模型.该方法自20世纪90年代后常被采用,在叶绿素a 、悬浮物、黄色物质等水质参数的监测和评价上得到了较为理想的结果[12]

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图2所示为各采样点光谱反射率与T N 浓度相关性分析的结果.可见,在不同波长处,反射率与TN 浓度相关性差异较大,但都未表现出显著相关性,因此仅以单波长反射率构建定量模型的意义不大.张凤丽等曾选取两波段的反射率比值(R 728/R 523)对COD 浓度进行相关性分析,在叶绿素遥感中也常采用波段比值法来提取叶绿素浓度信息[6,13 14].该试验中,笔者选取R 640/R 447的比值与TN 浓度进行回归分析,所得结果见图3,由图所得反演模型为:y =-9.408x +19.932.其中y 为T N 浓度(mg /L),x 为R 640/R 447.454杭州师范大学学报(自然科学版)2009年