基于Rrs(0-)太湖秋季水體固有光學(xué)量分類研究

王 海 君，黃 昌 春，李 云 梅

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046)

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基于Rrs(0-)太湖秋季水體固有光學(xué)量分類研究

王 海 君1，黃 昌 春2，李 云 梅2

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046)

基于2007年11-12月太湖全湖40個樣點采集的固有光學(xué)屬性、表觀光學(xué)屬性和水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，選擇受光線條件影響最小的水表面以下反射率Rrs(0-)作為分類依據(jù)，探索建立太湖水體固有光學(xué)屬性分類體系。結(jié)果表明，利用Rrs(0-)能較好地將太湖水體固有光學(xué)屬性分為4類，其中吸收系數(shù)為：Class1:色素和非色素物質(zhì)共同作用，同時黃質(zhì)占有重要地位；Class2:色素和非色素物質(zhì)共同作用，其中色素物質(zhì)作用偏強(qiáng)，但非絕對主導(dǎo)因素，同時黃質(zhì)作用較弱；Class3:非色素物質(zhì)吸收系數(shù)主導(dǎo)類型，色素和黃質(zhì)作用較低；Class4:色素、非色素物質(zhì)和黃質(zhì)共同作用。平均散射系數(shù)及其線性衰減斜率4種類型的大小順序分別為：Class2>Class3>Class1>Class4和Class2Class3>Class1>Class4，而在>588 nm波長范圍內(nèi)，難以區(qū)分4種類型的后向散射系數(shù)。

Rrs(0-)；固有光學(xué)量；分類；太湖

0 引言

水體的固有光學(xué)特性是指不依賴周圍光場的變化，而只與水體介質(zhì)成分相關(guān)的物理光學(xué)量，基本參數(shù)包括吸收系數(shù)和體散射函數(shù)[1]，通過體散射函數(shù)可計算散射系數(shù)、前(后)向散射系數(shù)等衍生固有光學(xué)量，在光線條件確定的條件下水體固有光學(xué)屬性直接決定了光線的穿透能力、水下光場的分布和離水輻亮度的角度分布特征[2]。由于各類水體組分存在較大的地域性和季節(jié)性差異，其吸收系數(shù)和散射系數(shù)具有較大的時空變異性，從而直接導(dǎo)致水表面遙感反射率的多樣性。因此，水體各組分的吸收和散射系數(shù)是輻射傳輸和詮釋水體表觀光學(xué)屬性的重要參數(shù)，客觀地刻畫了水體中組分的特征；對水體固有光學(xué)量的研究將有助于利用遙感技術(shù)反演水體組分。國內(nèi)外學(xué)者對水體固有光學(xué)屬性進(jìn)行了大量研究：俞宏等[3]認(rèn)為太湖水體散射和吸收系數(shù)具有較大的季節(jié)性差異；Weidemann等[4]研究發(fā)現(xiàn)Irondequoit海灣水體的吸收和散射系數(shù)分別為0.44～0.83 m-1和1.8～5.0 m-1，Prieur等[5]研究建立水體三要素吸收系數(shù)生物光學(xué)模型，并利用吸收系數(shù)劃分水體類別；孫德勇等[6]認(rèn)為，對水體分類有助于提高水體組分遙感反演的精度；樂成峰和黃昌春等[7，8]分別對太湖水體進(jìn)行光學(xué)分類，研究不同類型水體下水體組分的光學(xué)特性和對葉綠素反演算法的改進(jìn)。然而對于二類水體的固有光學(xué)屬性分類研究則較少，這主要是由于水體各組分固有光學(xué)量中吸收和散射系數(shù)較復(fù)雜，難以對其進(jìn)行綜合評定。

針對這一現(xiàn)狀，本研究利用水體固有光學(xué)量的共同作用結(jié)果——水表面以下反射比Rrs(0-)對水體固有光學(xué)量進(jìn)行分類，試圖建立二類水體固有光學(xué)量分類體系，從而劃分二類水體半分析反演模型的適用范圍，為不同固有光學(xué)量主導(dǎo)條件下的經(jīng)驗和半經(jīng)驗算法精度的提高提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間及點位

2007年11—12月對太湖地區(qū)40個樣點進(jìn)行了觀測(圖1)。測量的參數(shù)包括室內(nèi)分析的總懸浮物、色素物質(zhì)、非色素顆粒物和黃質(zhì)的光譜吸收系數(shù)，總懸浮物、色素物質(zhì)、非色素顆粒物和葉綠素的濃度；野外測量的下行輻照度、上行輻亮度、后向散射系數(shù)、散射系數(shù)。野外儀器測量深度設(shè)置為0.30 m、0.60 m、0.90 m、1.2 m和1.5 m；采集表層水樣。

1.2 參數(shù)測定

圖1 樣點類型分布

Fig.1 Sample and class sites

1.2.1 下行輻照度、散射系數(shù)和后向散射系數(shù)的測量 利用TRIOS水下光譜儀的輻照度探頭測量水體中下行輻照度，測量波長范圍為320～950 nm,光譜分辨率為3.3 nm，輻照度探頭的測量飽和值為10 W(m2·nm)-1(400 nm)、8 W(m2·nm)-1(500 nm)、6 W(m2·nm)-1(700 nm)；參照Mueller數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除和數(shù)據(jù)處理[9,10]。散射系數(shù)和后向散射系數(shù)的測量儀器為Wetlabs公司的光譜吸收、衰減儀(AC-S)和后向散射計BB9，AC-S在可見光波長范圍共有85個光譜通道，光譜分辨率為4 nm，測量精度為0.01 m-1。通過AC-S可直接獲得吸收和衰減系數(shù)，對吸收系數(shù)作溫度、鹽度和散射糾正校正后，利用衰減系數(shù)減去吸收系數(shù)得到散射系數(shù)；BB9測得的1 170體散射函數(shù)，利用經(jīng)驗關(guān)系計算得到后向散射系數(shù)，具體處理過程參照文獻(xiàn)[11]。

1.2.2 總懸浮物、浮游藻類色素物質(zhì)、非色素顆粒物和黃質(zhì)的光譜吸收系數(shù)的測量 用UV-240IPC型紫外分光光度計測量過濾水樣后的whatman濾膜的吸光度，通過吸光度計算總懸浮顆粒物的吸收系數(shù)。使用0.1%活性的NaClO3溶液對測定總懸浮顆粒物吸收系數(shù)后的濾膜進(jìn)行漂白處理，利用紫外分光光度計測量漂白后的濾膜，得到非色素顆粒物的吸光度。在測量時，如果在675 nm處沒有出現(xiàn)葉綠素吸收峰值說明漂白充分，測量的數(shù)據(jù)有效，否則說明漂白不充分，需要再次漂白。通過非色素吸光度計算非色素的吸收系數(shù)。浮游藻類色素物質(zhì)的吸收系數(shù)由總懸浮物的吸收系數(shù)減去非色素顆粒物的吸收系數(shù)獲取。使用0.22 μm的濾膜過濾后的水樣即為黃色物質(zhì)，將黃質(zhì)溶液裝入1*4 cm的比色皿，以超純水作為參考水樣，利用紫外分光光度計測量黃質(zhì)的吸光度，利用吸光度計算吸收系數(shù)。具體處理過程參照文獻(xiàn)[10]。

1.2.3 總懸浮物、有機(jī)物、非有機(jī)物和葉綠素濃度的測量 將馬沸爐灼燒過的膜稱重，得到膜的重量G1，將過濾水樣后的膜烘干并稱重，得到重量G2，兩次膜重的差即為總懸浮物重量；將稱重后干燥的膜經(jīng)450℃的4～6 h灼燒處理后再稱重，與G2相減可計算出無機(jī)懸浮物重量;總懸浮顆粒與無機(jī)顆粒物重量差值就是有機(jī)懸浮物重量。用稱重法測得的重量與過濾的水樣體積相比計算出各參數(shù)的濃度。利用“熱乙醇法”測量葉綠素濃度cph,具體測量方法參照文獻(xiàn)[12]。

1.3Rrs(0-)的估算

1975年Gordon[13]利用蒙特卡羅方法推導(dǎo)出水表面以下輻照度比R(0-)與固有光學(xué)屬性后向散射系數(shù)(bb)及吸收系數(shù)(a)之間的關(guān)系：

(1)

式中:Eu(0-)為水表面以下的上行輻照度,Ed(0-)為水表面以下的下行輻照度，fn為模型參數(shù)，受觀測條件等影響，bb為總后向散射系數(shù)，a為吸收系數(shù)。

當(dāng)處于水體表面時，f0值很小且物理意義不明確，可以忽略;不考慮多次散射作用對R(0-)的影響，n=2和n=3項均可忽略，只保留n=1項，簡化形式為：

(2)

水表面以下反射比Rrs(0-)可以表示為：

(3)

式中:Lu(0-)=Eu(0-)/Q為水表面以下上行輻亮度,Q為水下光場分布因子。

由式(2)和式(3)可得：

(4)

由于f和Q受光照條件共同影響，因而同一樣點的f/Q在一定程度上相互抵消了光照條件的影響，從而Rrs(0-)與R(0-)、Rrs相比能更客觀地體現(xiàn)固有光學(xué)量的差異和類型，這是本研究選用該參數(shù)的主要原因。

1.4 參數(shù)計算和分析

Lu(0-)和Ed(0-)分別通過Lu(0-)=Lu(z)exp(KLu*z)和Ed(0-)=Ed(z)exp(Kd*z)計算得到。水下輻照度在均一水體中遵循指數(shù)衰減規(guī)律[14]：

(5)

式中:Kd為水體漫衰減系數(shù)，z為從參考水層到測量處的深度，zc為參考水層深度，Ed(z)為z深度處的向下輻照度,Ed(zc)為參考水層深度處的輻照度。Kd通過對不同深度的下行輻照度進(jìn)行指數(shù)回歸得到，只有當(dāng)R2≥0.95、深度數(shù)≥3時，其Kd才被接受，否則視為無效值[15]；同樣的方法可以獲取參數(shù)KLu。

數(shù)據(jù)處理、回歸分析和聚類分析通過數(shù)據(jù)處理分析軟件SPSS[16]實現(xiàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 水表面以下反射比變異性

根據(jù)式(3)計算太湖秋季水表面以下反射比如圖2所示,所有樣點的Rrs(0-)在400～0 nm呈現(xiàn)冪函數(shù)形式遞增趨勢，平均冪指數(shù)為3.86±1.0466，變異系數(shù)為0.2711；而在570～750 nm，Rrs(0-)呈遞減趨勢，由于葉綠素在675 nm的吸收峰和682 nm的熒光作用使得在650～700 nm波長范圍內(nèi)存在一定的波動。Rrs(0-)的最大值出現(xiàn)在570 nm處，這主要是由于水體及其組分在570 nm處的低吸收和高散射作用共同作用產(chǎn)生的，在≤570 nm波長范圍內(nèi)，雖然后向散射系數(shù)較高，但由于高吸收特性作用Rrs(0-)仍然呈現(xiàn)低值特征，≥570 nm波長范圍內(nèi)，吸收特性較弱，但是后向散射系數(shù)相對也較弱，故Rrs(0-)同樣表現(xiàn)為相對低值區(qū)域。由于太湖水體固有光學(xué)量的空間差異性，使得Rrs(0-)在數(shù)值和波形兩方面都存在較大的變異性，如圖2a所示，Rrs(0-)40個樣點的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，兩曲線之間差距越大說明變異性越小，其變異系數(shù)譜如圖2b所示，可以看出570 nm處的變異性最小，而在兩端400 nm和750 nm處變異性相對最大，這主要是由于570 nm處的變異性是由懸浮泥沙散射和吸收特征差異產(chǎn)生的，而兩端的400 nm和750 nm處變異性是由于水體各物質(zhì)的吸收和散射作用共同作用產(chǎn)生的，從而體現(xiàn)了更大的差異性；在675 nm處有一較小的變異峰值，體現(xiàn)了葉綠素的空間差異性。

圖2 水表面以下遙感反射比

Fig.2 Remote sensing reflectance just under water surface

2.2 水表面以下反射比分類

利用SPSS對水表面以下反射比進(jìn)行聚類分析，選用快速聚類分析方法，根據(jù)其自動選取的類中心點按K-means算法做20次迭代分類，將Rrs(0-)分為4類(圖3)，同一類型的特征波長平均比值統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

圖3 水表面以下遙感反射率類型

Fig.3 Classification of the remote sensing reflectance just under water surface

Class1，該類型Rrs(0-)在400～570 nm范圍內(nèi)的波譜特征與Class4較為相似，斜率Rrs(400 nm)/Rrs(570 nm)與Class4較為接近，平均值為0.25235±0.06942，但是Rrs(0-)光譜要比Class4高一倍以上；570 nm處的峰值陡峭程度次于Class4，主要是由于Rrs(0-)在570～675 nm之間衰減較Class4平緩，Rrs(570 nm)/Rrs(675 nm)平均值為1.68761±0.29759；葉綠素的吸收谷值和熒光峰值較Class4弱，Rrs(675 nm)/Rrs(700 nm)的平均值為0.97011±0.11421，這一類型體現(xiàn)了黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、葉綠素和無機(jī)質(zhì)共同作用的結(jié)果，但是黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和葉綠素的作用相對高于無機(jī)物，因而黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和葉綠素占重要地位，但非主導(dǎo)因素，該類型樣點有24個，分布如圖3a所示。

表1 相關(guān)水表面以下遙感反射率比值

Class2與Class1的Rrs(0-)在400～570 nm范圍內(nèi)的波譜形狀相似，Rrs(400 nm)/Rrs(570 nm)的平均值為0.29567±0.03146，但Class2的Rrs(0-)比Class1略高，570 nm處的峰值在4類中最平坦，Rrs(570 nm)/Rrs(675 nm)的平均值為1.36933±0.08769；葉綠素的吸收谷值和熒光峰值較明顯，Rrs(675 nm)/Rrs(700 nm)的均值為0.9494±0.06583。該類型同樣體現(xiàn)了黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、葉綠素和無機(jī)質(zhì)共同作用的結(jié)果，但與Class1相比Rrs(0-)總體有一定的提升，這是無機(jī)質(zhì)散射的作用，因而無機(jī)質(zhì)作用比Class1中的強(qiáng)，從而占有重要地位，但同樣為非主導(dǎo)地位，該類型樣點有7個(圖3b)。

Class3，這一類型的Rrs(0-)在400～570 nm范圍內(nèi)波譜遞增較為緩慢，Rrs(400 nm)/Rrs(570 nm)最大，平均值為0.48899±0.16545，Rrs(400 nm)/Rrs(570 nm)相對較為平坦，平均值為1.45554±0.27394；同時相對于其他3類Rrs(0-)值較高，這主要是由于該類的無機(jī)物含量較高，后向散射系數(shù)較大，有機(jī)物和葉綠素含量較低，吸收系數(shù)較小。Class3的黃質(zhì)和葉綠素的濃度相對較低，無機(jī)質(zhì)濃度較高，后向散射系數(shù)較大，有機(jī)物與葉綠素的比值較大，平均值為2.48286，該類型樣點有4個(圖3c)。

Class4，這一類型主要的代表特征是Rrs(0-)在570 nm存在陡峭的峰值400～570 nm范圍內(nèi)波譜迅速遞增，Rrs(400 nm)/Rrs(570 nm)最小，平均值為0.23325±0.09211；675 nm的葉綠素吸收谷值和700 nm前的葉綠素的熒光峰值最為明顯，Rrs(675 nm)/Rrs(700 nm)最小，平均值為0.82564±0.17661；同時相對于其他3類Rrs(0-)值較低，這主要是由于該類的無機(jī)物含量較低，后向散射系數(shù)較小，有機(jī)物和葉綠素含量較高，吸收系數(shù)較大。這種類型代表了有機(jī)物、黃質(zhì)和葉綠素含量較高，占主導(dǎo)地位，無機(jī)物含量較低，處于次要地位，同時也是有機(jī)物與葉綠素比例較低的樣點，平均比值為0. 580187，該類型樣點有5個(圖3d)。

圖3e、圖3f分別為4種類型的平均值和歸一化平均值，從其平均值可知，4種類型的Rrs(0-)在數(shù)值上存在明顯的類別之分，而其歸一化平均值則較為明顯地展示了4種類型Rrs(0-)的波譜差異。

2.3 固有光學(xué)量的類型

2.3.1 吸收系數(shù) 依據(jù)Rrs(0-)的類別，將總吸收系數(shù)分為4類(圖4a)，其差異如圖4b和圖4c所示，由4類總吸收系數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差譜(圖4b)可以看出平均值遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)差值，因而4類總吸收系數(shù)間的差異較小。由于標(biāo)準(zhǔn)差難以全面描述4類總吸收系數(shù)間的差異，故通過其變異系數(shù)譜(圖4c)描述。變異系數(shù)在700 nm以后直線上升，但由于吸收系數(shù)在700 nm以后信號較弱，致使其信噪很低，因而選用700 nm以前的變異系數(shù)譜。可以看出，變異系數(shù)最大的峰值為葉綠素在675 nm處的吸收峰值，其次變異峰值是銅綠微囊藻在560～640 nm的藻藍(lán)蛋白吸收帶中的630 nm，再次變異峰值是無機(jī)質(zhì)散射作用引起的吸收系數(shù)在560 nm的差異，而在400 nm由于黃質(zhì)和非色素物質(zhì)吸收系數(shù)的差異，使得變異系數(shù)隨波長的減小不斷增大。

圖4 4種類型平均總吸收系數(shù)及其變異性

Fig.4 Average absorption coefficient and variability of four classes

4類總吸收系數(shù)中各組分吸收系數(shù)對總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)率如圖5所示，可以看出4種類型中黃質(zhì)、色素物質(zhì)和非色素物質(zhì)對總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)率具有顯著的差異。Class1中，在≤570 nm波長范圍內(nèi)，非色素和黃質(zhì)占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)率之和在60%以上，因而Rrs(0-)相對較小，在≥570 nm波長范圍內(nèi)，非色素、黃質(zhì)和色素物質(zhì)的貢獻(xiàn)率大約相同，因而在675 nm處Rrs(0-)有一低谷；Class2中，大約在≤550 nm波長范圍內(nèi)，非色素、黃質(zhì)和色素物質(zhì)共同作用，而在≥550 nm波長范圍內(nèi)，色素物質(zhì)占主導(dǎo)位置，因而Class2的葉綠素吸收谷值和熒光峰值差距較為顯著； Class3整個波長范圍內(nèi)，非色素、黃質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位，只在675 nm處與色素物質(zhì)貢獻(xiàn)率相當(dāng)，所以在675 nm處Rrs(0-)存在較小的谷值，同時由于該類型非色素中的無機(jī)物含量較高(圖6)，使得整個波長范圍內(nèi)后向散射系數(shù)較高，從而Class3的Rrs(0-)是4種類型中最高的； Class4中，在≤570 nm波長范圍內(nèi)非色素和黃質(zhì)占主導(dǎo)地位，與Class1相似，散射黃質(zhì)的作用較Class1更強(qiáng)，因而Class4的Rrs(0-)值在≤570 nm波長范圍內(nèi)更小，同時由于總吸收系數(shù)較低，黃質(zhì)在570 nm后仍然占有重要位置，因而在570～650 nm范圍內(nèi)，Rrs(0-)仍很小，使得Class4在570 nm處的峰值較Class1更加陡峭，葉綠素在675 nm吸收谷值和685 nm熒光峰值差值最大，體現(xiàn)Class4的高葉綠素濃度特性，雖然該類型中總吸收系數(shù)最小，但由于非色素中無機(jī)物含量較小，后向散射系數(shù)較低，使得Class4的Rrs(0-)在4種類型中最低。

圖5 各個組分吸收系數(shù)對總吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)率

Fig.5 Contribution of each composing substance absorption coefficient to total absorption coefficient

圖6 4種類型物質(zhì)濃度組成

Fig.6 Each composing substance concentration of four classes

2.3.2 散射系數(shù)和后向散射系數(shù) 根據(jù)Rrs(0-)的類別，將顆粒物總散射系數(shù)和后向散射系數(shù)分為4類，分別如圖7和圖8所示，發(fā)現(xiàn)散射系數(shù)的4種類型無論是在數(shù)值上，還是在曲線的斜率上都存在較大的差異，如圖7a所示，其中Class2的散射系數(shù)和直線斜率最大,平均散射系數(shù)為32.72795，直線斜率為-0.0469；Class3的散射系數(shù)和直線斜率居第二位，分別為25.39422、-0.0367；Class1的散射系數(shù)和直線斜率居第三位，分別為15.83254、-0.023；Class4的散射系數(shù)和直線斜率最小，分別為9.085405、-0.0119；4種散射系數(shù)類型差異較大，變異系數(shù)譜值在整個波長范圍內(nèi)高于0.7(圖7c)。4種類型的散射系數(shù)與該類型顆粒物的濃度具有強(qiáng)相關(guān)性，隨著顆粒物濃度的增加，散射系數(shù)線性增加，但是由于顆粒物組成的差異，增加的速度有所差異，一般是無機(jī)物比例越高，增長速度越快(直線斜率越大)，Class1、Class2、Class3、Class4散射系數(shù)隨顆粒物濃度增長的線性斜率分別為：1.1755、2.0434、1.4321、0.7822，無機(jī)物比例分別為：0.61386、0.822696、0.714544、0.467105，線性斜率隨無機(jī)物比例成指數(shù)增加，R2=0.9934。

后向散射系數(shù)4種類型在<588 nm波長范圍內(nèi)差異較大，容易區(qū)分，其大小順序為Class2>Class3>Class1>Class4，而在>588 nm波長范圍內(nèi)，差異較小，難以區(qū)分，如圖8a所示；求其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8b所示，在<588 nm波長范圍內(nèi)，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之間距離迅速增加，而在>588 nm波長范圍內(nèi)，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之間距離增大速度較緩慢；可以得到后向散射系數(shù)4種類型的差異是隨著波長的增加呈指數(shù)形式迅速減小，在<588 nm波長范圍內(nèi)減小速度較快，在>588 nm波長范圍內(nèi)減小速度較慢，如圖8c后向散射系數(shù)變異系數(shù)譜所示。

圖7 4種類型平均散射系數(shù)及其變異性

Fig.7 Average scattering coefficient and variability of four classes

圖8 4種類型平均后向散射系數(shù)及其變異性

Fig.8 Average back scattering coefficient and variability of four classes

根據(jù)上述基于Rrs(0-)的固有光學(xué)量分類結(jié)果，探索建立太湖水體固有光學(xué)屬性分類體系。首先利用快速聚類等分類方法對水體Rrs(0-)進(jìn)行分類，得到某一類型Rrs(0-)分類結(jié)果(圖9a)，這一類型各個波長上的Rrs(0-)是由對應(yīng)的波長固有光學(xué)屬性共同作用形成的(圖9b)；純水的固有光學(xué)屬性固定不變，故看做是背景參數(shù)，即為圖中的圓形，引入色素、非色素和黃質(zhì)的吸收系數(shù)，即形成了純水、色素、非色素和黃質(zhì)的吸收系數(shù)的平面；將散射系數(shù)分為后向散射系數(shù)和為后向散射系數(shù)(位于吸收平面以上)和前向散射系數(shù)(位于吸收平面以下)，這樣就建立了太湖水體固有光學(xué)屬性分類體系，通過對固有光學(xué)屬性差異進(jìn)行分析，確定固有光學(xué)屬性類型，如果希望直接通過固有光學(xué)屬性進(jìn)行分類，則固有光學(xué)屬性分類體系中的分類閾值需要進(jìn)一步研究確定。利用該體系對屬于二類水體的太湖水體進(jìn)行再次分類，這樣有利于對固有光學(xué)屬性時空差異性和二類水體的復(fù)雜性進(jìn)行研究，有利于針對不同固有光學(xué)屬性主導(dǎo)類型的二類水體建立更加適合、精確的生物、物理、化學(xué)模型。

圖9 固有光學(xué)屬性分類體系示意

Fig.9 Sketch of classification system of inherent optical property

3 討論

在散射系數(shù)較小的海洋一類水體中，當(dāng)bb<

圖10 多次散射作用示意及其對Rrs(0-)的貢獻(xiàn)率

Fig.10 Sketch of multiple scattering and the contribution of multiple scattering toRrs(0-)

由于不同類型的散射系數(shù)和吸收系數(shù)存在較大的差異，多次散射作用對Rrs(0-)的貢獻(xiàn)率無論是在空間維、時間維還是波長維都存在一定的差異性，因而基于Rrs(0-)的固有光學(xué)屬性分類必然受到多次散射作用的影響。在散射特征明顯的無機(jī)物含量較高水體中，水體散射特性相對較強(qiáng)，吸收特性較弱，此時多次散射作用對Rrs(0-)貢獻(xiàn)率較高，因此會高估無機(jī)物在分類中的作用，會將固有光學(xué)屬性中的散射系數(shù)劃分到更高散射級別的類別中；而在吸收特征明顯的有機(jī)物含量較高的水體中，此時多次散射作用對Rrs(0-)貢獻(xiàn)率較低，因此會低估無機(jī)物在分類中的作用，會將固有光學(xué)屬性中的散射系數(shù)劃分到低散射級別的類別中，同時由于不同波長上的多次散射作用對Rrs(0-)貢獻(xiàn)率不同，因此多次散射作用對Rrs(0-)的波譜特征同樣存在一定的影響，但由于吸收系數(shù)與散射系數(shù)變化趨勢的相似性，這一影響相對較小，但仍需進(jìn)一步對其量化。

4 結(jié)論

1)太湖秋季水體Rrs(0-)4種類型分別為：Class1：黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、葉綠素和無機(jī)質(zhì)共同作用，黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和葉綠素占重要地位，但非主導(dǎo)因素；Class2：黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、葉綠素和無機(jī)質(zhì)共同作用，無機(jī)質(zhì)占重要地位，但非主導(dǎo)因素；Class3：無機(jī)物主導(dǎo)類型；Class4：黃質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、葉綠素主導(dǎo)類型。4種類型中Class1樣點占60.0%，Class2占17.5%，Class3占10.0%，Class4占12.5%。2)利用Rrs(0-)能夠較好地將太湖水體固有光學(xué)屬性分為4類，固有光學(xué)屬性吸收系數(shù)的4種類型：Class1：色素和非色素物質(zhì)共同作用，同時黃質(zhì)占重要地位；Class2：色素和非色素物質(zhì)共同作用，其中色素物質(zhì)作用偏強(qiáng)，但非主導(dǎo)因素，同時黃質(zhì)作用較弱；Class3：非色素物質(zhì)吸收系數(shù)主導(dǎo)類型，色素和黃質(zhì)作用較弱；Class4：色素、非色素物質(zhì)和黃質(zhì)共同作用。3)散射系數(shù)4種類型較為清晰，根據(jù)其平均散射系數(shù)和斜率大小順序分別為：Class2(32.72795)>Class3(25.39422) >Class1(15.83254)>Class4(9.085405)；Class2(-0.0469) Class3>Class1>Class4，而在>588 nm波長范圍內(nèi)，難以區(qū)分4種類型的后向散射系數(shù)；4種類型后向散射系數(shù)的變異系數(shù)譜隨波長的增加呈指數(shù)形式遞減。

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Classification Research of Inherent Optical Property Base onRrs(0-) in Autumn Taihu Lake

WANG Hai-jun1,HUANG Chang-chun2,LI Yun-mei2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044;2.KeyLaboratoryofVirtualGeographicEnvironment(NanjingNormalUniversity),Nanjing210046,China)

Based on the measurement and calculation parameters such as inherent optical properties,the apparent optical properties and water quality parameters of 40 sites on the whole Taihu Lake during November to December in 2007，choosing the remote sensing reflectanceRrs(0-) just under water surface that the smallest light conditions affect on it classification results as a basis for the inherent optical properties class,the paper gropes for the method to establish classification system of inherent optical properties in Taihu Lake.Results show that,usingRrs(0-) the inherent optical properties of Taihu Lake can be classified into four categories preferably,the four categories of absorption coefficients:Class1:pigment and non-pigment material has the common role,while yellow substance also occupies an important position;Class2:pigment and non-pigment material has the common role,but pigment material is stronger than non-pigment occupying an important position,but not the dominant factor,while the effect of yellow substance is much weaker;Class3:non-pigment material is the dominant factor,the effect of pigment and yellow substance is low;Class4:pigment,non-pigment material and yellow substance has the common roles.The order of four types of average scattering coefficient and linear attenuation slope are:Class2>Class3>Class1>Class4 and Class2Class3>Class1>Class4，In>588 nm wavelength range,it is difficult to distinguish the four types of back-scattering coefficient.

Rrs(0-);inherent optical property;classification;Taihu Lake

2015-01-13；

2015-04-02

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科“環(huán)境科學(xué)與工程”建設(shè)工程資助項目(PAPD)；國家自然科學(xué)基金項目(41201325、41101340)

王海君(1982-)，男，助理研究員，主要研究方向為環(huán)境遙感。E-mail:whj9989@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.022

X87

A

1672-0504(2015)05-0107-08