MODIS巢湖水体叶绿素a浓度反演模型

据， Ｔ ｅ ｒ ｒ ａ Ｍ０ Ｄ Ｉ ｓ的定 位精度 为 Ｏ ． ５个 像 素［ 。通
过基 于 ６ ｓ 的 大气 校正 模 型可 以得 到 ＭＯＤ Ｉ Ｓ １ ～７ 波段 的地 面反射 率 ＨＤ Ｆ格 式 资 料 。以上 的所有 处
理 采 用 ＮＡｓ Ａ — Ｅ ｓ Ｅ 发 布 的 标 准 算 法 和 处 理 程
ＭＥ Ｉ 『 ３ １ ８自动 太 阳光 度计 ， 用于 太 阳辐射 度测 量 。
和玻 璃瓶 密闭封装 ，巢湖市 环境 监测 站负 责水 质 采 样 和处理 。由于 目前 国家标准 中没有水 质 叶绿素 测
量标 准 ， 所 以 采 用 国 际标 准 组 织 的 （ Ｉ Ｓ Ｏ １ Ｏ ２ ６ Ｏ — ｌ ９ ９ ２ ） 《 水质； 生化 参 数测 量 ；叶绿 素 ａ浓度 的 光谱
该采样 时 间的站 点经纬度 从 ＭＯＤ Ｉ Ｓ数 据 中提 取 反
与水 面或反 射参考 板距 离＞ １ ｍ。
１ ． ２ 卫 星 数 据 获 取
射率 。表 １为 ２ Ｏ ０ ３年 １月 １ ０日巢 湖水 质 实 测 数
据。
与试验 同 日 ＭＯ ＤＩ Ｓ资 料 为 ２ Ｏ Ｏ ３年 １ 月 １ Ｏ日
荀 尚培Ｄ 翟 武 全。 范 伟
”（ 安徽省气象科学研究所 ， 合肥 ２ ３ ０ Ｏ ３ １ ） （ 安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室 ， 合肥 ２ ３ ０ Ｏ ３ １ ） ”（ 安徽省气象局 ， 合肥 ２ ３ 。 ０ ３ １ ）
摘
要
对 大 面 积 水体 进 行 水 质 遥感 监 测 是 比 较典 型 的 水 体 环 境 监 测 手 段 。该 文 利 用 地 物 光 谱 仪 测 定 了 巢 湖 水 面 的 光谱 反射 率 ， 收 集 了 相 应 时 间 的 ＭＯＤ Ｉ ｓ数 据 ， 经 过 预 处理 之后 ， 首 先 分 析 了巢 湖 水 面 光谱 特 征 ， 并 对 实 测 水 体 反 射 率 与 实测 叶绿 素 ａ之 间 的关 系 进 行 统 计 拟 合 计 算 。在 经 过 Ｍ（ ） Ｄ Ｉ ｓ大 气 校 正 后 ， 得到 １ ～ ７通 道 的 地 表 反 射 率 。 利 用 大 气校 正 后 的 Ｅ ０ ｓ ／ Ｍ０ Ｄ Ｉ ｓ数 据 ， 选择最佳通道组合 ， 定 义 了 叶绿 素 ａ 指数 Ｉ ｃ ｍ， 建 立 了 Ｍ（ ） ＤＩ ｓ巢 湖 叶 绿 素 ａ 浓
１ 期
苟 尚培 等 ： ＭＯ Hale Waihona Puke Baidu Ｉ ｓ 巢 湖水 体 叶绿 素 ａ 浓 度 反 演 模 型
９ ７
表 １ ２ ０ Ｏ ３年 １月 １ ０日巢 湖 水 质 参 数
Ｔ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ ｌ Ｔ ｈ ｅ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ Ｃｈ ａ ｏ ｈ ｕ Ｌａ ｋ ｅ ｏ ｎ Ｊ ａ ｎ ｌ Ｏ 。２ Ｏ ０ ３
点一 中旱 乡一造船 厂一 巢湖 坝 口。水质样 本分 析依
据： ＧＢ ／ Ｔ６ ９ ２ Ｏ 一 ８ ６ ， ＧＢ ／ Ｔ１ １ ９ Ｏ １ — ８ ９ ，Ｇ Ｂ ／ Ｔ７ ４ ８ ４ — ８ ７ ，
ＧＢ ／ Ｔ７ ４ ８ ８ — ８ ７， ＧＢ／ Ｔ７ ４ ７ ９ — ８ ７ ， ＧＢ／ Ｔ１ １ ８ ９ ３ — ８ ９， ＧＢ ／
地 区生产 、 生 活用 水 的主 要 来 源 。巢 湖 西 半 湖 水 质 为 劣 Ｖ类 ， 东半 湖水 质 为 Ｖ类 ， 全 湖 平 均 为 劣 Ｖ类 。
西半 湖为 中度 富营养 ， 东半 湖为 轻度 富 营养 ， 全 湖平 均 为 中度 富 营 养 ｌ １ ］ ， 并 且污染有持续加 重的趋势 。 水 质 富营 养 化 的一 个 重 要 特 征 是 藻 类 物 质 大 量 繁 殖， 而 叶绿 素 ａ在 藻类 物质 中所 占的 比例 比较稳 定 ， 并且 易于在 实验 室 测 量 ， 因此 叶 绿 素 ａ浓 度 常 作 为 反 映湖水 营养 化程 度 的一个重 要 参数 。内陆 水体 由 于浮游植 物 、 黄色物 质和 颗粒悬 浮 物相 互 混合 ， 光 学 特 征复杂 ， 所 以选 择 受 其他 物 质 光 学 干 扰 小 的 波 段 组 合算法 是 叶绿 素遥 感 的关 键 。
叶绿 素 ａ ， 使用仪 器为 ７ ５ １型分 光光 度 计 ， 工作 于 紫
外、 可见 、 近红 外光 谱 区， 波长范围 ２ Ｏ Ｏ ～ｌ ０ Ｏ Ｏ ｎ ｍ， 采用 ３ ０ 。 角 的利特 罗石英 棱镜作 色散元 件 ， 光程 １ ｍ 长， 其狭缝 ０ ～２ ｍｍ 连续可 调 。 巢 湖水 体 采样 和水 面测 量站点示 意 图如 图 １ 。
第 ２ ０卷 １期 ２ Ｏ Ｏ ９年 ２月
应 用 气 象 学 报
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＡＰＰ ＬＩ ＥＤ Ｍ ＥＴＥ ０Ｒ０Ｌ０ＧＩ ＣＡＬ Ｓ ＣＩ Ｅ ＮＣＥ
Ｖｏ １ ． ２ Ｏ，Ｎ ｏ． １ Ｆｅ ｂｒ ｕａ ｒ ｙ ２ ＯＯ ９
ＭｏＤ Ｉ Ｓ巢 湖水 体 叶绿 素 ａ浓 度 反 演模 型
的 内陆二 类 水 体 进 行 ， 或 未 使 用 ＭＯ Ｄ Ｉ ｓ数 据 进 行 水 体 叶绿素 ａ反演 。
本 研究利 用地 物光谱 仪测 定 了巢 湖水 面 的光谱 反 射率 ， 并在分 析光 谱 反 射 率 与 同步 水 质 检 验 叶绿 素 ａ浓 度 之 间 关 系 的 基 础 上 ， 利 用 大 气 校 正 后 的 Ｅ ＯＳ ／ ＭＯＤ Ｉ Ｓ数 据 ， 选择最佳波段组合， 建立 了 ＭＯＤ Ｉ Ｓ巢湖 叶绿素 ａ浓 度 的反演模 型 。
序 踟］ 。
１ ． ３ 数 据 匹 配 与 分 析
强 反射 体和 阴影 的影 响 ， 选 择 自然状态 的水 面 ， 同时
水 平放置 反射 参考 板 ， 反 射参 考 板 与水 平 面 夹 角应 小于 １ Ｏ 。 。对 每一测 量 目标 测量 ３ ～５个 测 点 ， 并 根 据 天气 情况 采用先测 参考 板或前 后测 量参考 板 巾间 测 量水 面的 方 法 ， 观测角 ０ 。 （ 垂 直 向下 观测 ） ， 探 头
２ ０ Ｏ ７ １ １ １ ４收 到 ， ２ ０ Ｏ ８ Ｏ ８ ２ ２收 到再 改稿 。
２ Ｏ ０ ３年 １月 １ Ｏ日在 巢 湖水 面 进行 星地 同步观
测。 观 测 时间 为０ ｇ ： ０ Ｏ 一１ ５ ： ３ Ｏ （ 北京时， 下 同） ， 主 要
应
用
气
象
学
报
２ Ｏ卷
式（ １ ） 中， 忌 （ ， ． ； ， ） 是 反 射 参 考 板 的标 准 光 谱 反射 比吲 ， （ ， ） 是测 量 反射参 考板 时仪器输 出 的信 号值 ， （ ， ） 是测 量 水体 时 仪器 输 出的信 号
值， Ｖ （ ， ） 和 Ｖ （ ， ） 须 在 相 同测 量 条 件 下 获 取， 先对着 反射 参考板 测量 ， 获取 （ ， ） 值， 然后 对 着水体 测量 ， 获得 （ ， ） 值 。测量 时 注意 避开
光谱 仪在 巢湖进 行 了反射 光谱测 量 和 同步水 质 采样
分析， 利 用反射 率 比值 法 和一 阶微 分 法分 别建 立 了 叶绿 素 ａ的遥 感 定 量 模 型 ， 结 果 表 明 反 射 率 比值 Ｒ 。 ／Ｒ 。 。 和 ６ ９ Ｏ ｎ ｍ 反射 率 的一 阶微 分均 与 叶 绿素 ａ浓 度有 较 好 的相 关 性 ， 且 用 反射 率 比值 法 估 算叶绿 素 ａ效果 较好 。以上研究 或未 针对 富 营养 化
Ｉ ｅ ｆ ｅ ｌ ｉ ｅ ｒ 等 使用 叶绿 素 荧 光 波 段 的辐 射 率估 算海 洋表 面（ 一 类水 体 ） 叶 绿 素 ａ的浓 度 变 化 ， 研 究
结果显 示 ： 在 最 适 宜 的 观 测 条 件 下 ＭＯＤ Ｉ Ｓ荧 光 波 段 １ ３ ～１ ５可 以很灵 敏地 检 测 到 叶 绿 素在 海 洋 表 面
度 的 反 演模 型 ， 检验得到相关系数为 Ｏ ． ５ Ｏ ７ ９ 。
关键词 ： 反演 ； 叶绿 素 ａ ； Ｍ０ ＤＩ ｓ数 据 ； 巢 湖
悬浮物 浓度 和无 机物 的最优 化通 道组 合 、 拟合 公式 、
引 言
巢湖地处 江淮 之 间 ， 是 我 国五 大淡 水 湖 之一 ， 面 积约 ７ ６ Ｏ ｋ ， 全 流域 ３ ３条河 ， 流域 面积 １ ３ ３ ５ Ｏ ｋ ，
是 江 淮 地 区 重 要 的 粮 食 产 地 和 水 产 品 基 地 以 及 周 边
相关 系数及误 差 （ 仅 限用 于 这 ３个 湖 泊 水 质 参 数反 演） ， 同时指 出 ＭＥ Ｒ Ｉ Ｓ较 高 的大 气 校 正成 功 率 是反 演 水体 参 数 的重 要 保 证 。Ｍａ ｒ ｔ ｉ ｎ ｅ ｚ等 ］ 利 用 ＭＯ— ＤＩ Ｓ和 ＭＥ ＲＩ Ｓ对 Ａｍａ ｚ ｏ ｎ河 丰水 和枯 水 期 的 叶绿 素和悬 浮物进 行监 测 。李 素 菊等 利用 高光 谱 地物
数 据分 析 包含 以下几 个 方 面 ： ① 实 测水 体 光谱 与实测 叶绿素 ａ 浓度 之 间的关系 ； ②ＭＯ ＤＩ Ｓ Ｌ １ Ｂ通
道数据 与实测 叶绿 素 ａ浓 度之 间 的关 系 ； ③ ＭＯＤ Ｉ Ｓ 大气校 正后地 表反射 率与 实测 叶绿素 ａ 浓 度之 间 的 关系 。选取 与卫 星过 境 时间 相 近 的采 样 时 间 ， 依据
１ 数 据 获 取 与 分 析
１ ． １ 实 测 数 据 获 取
０ ． ５ ｍｇ ／ ｍ。的 浓 度 变 化 。Ａｎ ｕ Ｒ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｔ等 利 用
ＭＥ Ｒ Ｉ Ｓ ， Ｓ ｅ ａ ｗｉ Ｆ Ｓ ， ＭＯ Ｄ Ｉ Ｓ数 据 对 欧 洲 ３个 最 大 湖 泊（ Ｖａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ， Ｖ ａ ｎ ｅ ｒ ｎ ， Ｐ ｅ ｉ ｐ ｓ ｉ ） 不 同水 质水 体 中的几 类 参 数进行 反 演 ， 给 出 了 利 用 ＭＥ Ｒ Ｉ Ｓ反 演 叶绿 素 ａ 、
试验 站点 主要选 择巢 湖支 流 的人 湖 口处 ，以及 其他 有代表 性 的点 ， 共计 １ ６个 。 水 体采样 和水 面测 量顺 序为 ： 忠庙 一南淝 河入 湖 区一 十五里 河 入湖 区
一塘 西一 西半 湖 一姥 山东 ３ ｋ ｍ一 马尾 河 口一 湖 心
测定 》 ，以丙 酮萃 取及 分 光 光 度 计分 析 的方 法 测定
地 面光 学观 测仪 器 包括 ： ① Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ Ｔ Ｍ ＵＶ／
Ｔｌ １ ８ ９ ４ — ８ ９和 Ｉ Ｓ Ｏ １ Ｏ ２ ６ Ｏ 一 １ ９ ９ ２ ， 样 品 采 用 聚 乙 烯 桶
ＶＮＩ Ｒ Ａｓ Ｄ光 谱辐 射计 ， 测量 巢 湖水 体 光谱 ； ② 烯 聚 四氟 乙烯 反射参 考板 ， 反 射率 为 ２ ５ 的灰 板用 于 水体 光谱 测量 ， 白板用 于大气 特性测 量 ； ③ 法国 ｃ Ｉ —
图 １ 巢 湖 采 样 点 分 布
Ｆｉ ｇ． １ Ｓａ ｍｐ ｌ ｉ ｎｇ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｉ ｎ Ｃｈ ａ ｏｈｕ Ｉ ａ ｋ ｅ
水 体光 谱 由下 式计算 ：
Ｒ（ ， ； ， ） 一 是 （ ， ， ）（ １ ）
ｌ Ｏ ： ５ ９过 境 的 Ｅ ０Ｓ — Ｔ ｅ ｒ ｒ ａ ， 巢 湖 上空 晴 朗无 云 。 自 主接 收 的 ＭＯ Ｄ Ｉ Ｓ Ｉ ０级 Ｐ Ｄ Ｓ资 料经 过 解 包 、 辐射 、 几何 校正 和地理 定 位 后 ， 得到 Ｌ １ Ｂ级 ＨＤ Ｆ格 式 数