王杰，崔玉環(huán)，李健，王旦，王晟

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽大學(xué) 濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，合肥 230036)

0 引言

近年，隨著內(nèi)陸湖泊水環(huán)境問題的突出，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)湖泊水質(zhì)狀況開展實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求越來越迫切。水質(zhì)遙感的核心問題就是建立水體表觀反射率與水質(zhì)參數(shù)間的關(guān)系，而水體表觀反射率往往會(huì)受到水體生物、大氣散射及水氣界面折射等方面的干擾，進(jìn)而降低了水體內(nèi)部物質(zhì)濃度的反演精度[1]。在內(nèi)陸湖泊中存在著大量的光學(xué)淺水區(qū)，湖泊底質(zhì)對(duì)水中太陽光線存在著一定的吸收或反射作用，對(duì)湖泊離水輻射信號(hào)產(chǎn)生了重要影響。

常見的湖泊底質(zhì)類型有草型、淤泥型、巖石型以及混合型等，存在著不同的光學(xué)特性，導(dǎo)致光學(xué)淺水區(qū)水底反射光對(duì)湖泊離水輻射信號(hào)產(chǎn)生的影響存在明顯差異[2-4]。與其他底質(zhì)類型不同，草型底質(zhì)屬于波段選擇性吸收與散射型，反射特性與波長的關(guān)系較為密切。已有研究表明，淺水湖泊沉水植被冠層對(duì)水體反射光譜的影響程度因冠層水下深度(簡稱冠層水深)、植被蓋度、水體透明度及遙感波段而異[5-6]。

目前許多研究者利用遙感技術(shù)對(duì)Laurentian湖、太湖等淺水湖泊的沉水植被生長特征進(jìn)行識(shí)別與監(jiān)測[7-10]，并探究了水環(huán)境因素(如懸浮物、葉綠素a)對(duì)沉水植被冠層光譜特征的影響[11-12]。在太湖地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，受到沉水植被生長高度、水質(zhì)條件等因素的影響，草型湖泊底質(zhì)反射對(duì)水面遙感反射率的影響程度存在較大的空間差異[13]。在海南新村港海草底質(zhì)光學(xué)淺水區(qū)的光譜測試分析表明，水體反射光譜在550 nm處形成反射峰，隨海水深度增加發(fā)生藍(lán)移，隨葉面積指數(shù)增加發(fā)生紅移[14]。然而，針對(duì)內(nèi)陸湖泊光學(xué)淺水區(qū)中沉水植被生長參數(shù)(冠層蓋度、冠層水下深度)對(duì)水體表觀反射光譜的影響機(jī)理還需要開展進(jìn)一步的研究。

鑒于此，本文選擇淮河流域焦崗湖為研究區(qū)，通過湖泊水體反射光譜、沉水植被生長參數(shù)的現(xiàn)場測定，結(jié)合水色要素的室內(nèi)測定結(jié)果，探究湖底沉水植被生長狀態(tài)對(duì)焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響。開展該研究對(duì)提高內(nèi)陸湖泊水質(zhì)參數(shù)遙感反演精度、改進(jìn)現(xiàn)有的沉水植被遙感信息提取算法具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

焦崗湖地跨安徽省淮南市鳳臺(tái)縣與阜陽市潁上縣，位于淮河干流北岸，平均水深為0.8 m，屬于淮河流域的淺水型淡水湖泊，為國家級(jí)濕地公園、國家4A級(jí)旅游景區(qū)。該湖泊近似橢圓形，在平水期湖面面積為31.3 km2，東西長度為15 km，南北最寬距離為5 km。湖泊匯水總面積480 km2，納潁上境的古沙河、老墩溝，鳳臺(tái)境的濁溝、花水澗來水，經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后，由便民溝經(jīng)焦崗閘注入淮河。

湖中西部為養(yǎng)殖區(qū)，面積近13.0 km2，水體較為渾濁，懸浮物含量在80 mg/L左右，沉水植被生長較少；湖泊東部為非養(yǎng)殖區(qū)，水體較清澈，湖泊底質(zhì)為淤泥，湖底沉水植被生長狀況良好，優(yōu)勢(shì)物種為菹草，伴生物種為狐尾藻、金魚藻、荇菜等，其蓋度在冬季可達(dá)到80%～97%[15]。

1.2 水樣采集與測試

本研究采樣工作在2017年12月23—24日開展，天氣晴朗無云，水面平靜。由于焦崗湖沉水植被生長在湖泊非養(yǎng)殖區(qū)，光譜采樣點(diǎn)主要分布在湖泊東南部菹草生長區(qū)，按照相近蓋度不同冠層水深、相近冠層水深不同蓋度的采樣方案，共布設(shè)了10個(gè)沉水植被生長區(qū)水體光譜樣點(diǎn)(L2～L11)。為與其他類型水體作比較，本文在淤泥底質(zhì)型光學(xué)淺水區(qū)、光學(xué)深水區(qū)共布設(shè)了4個(gè)樣點(diǎn)(L1、L12、L13、L14)，具體測定參數(shù)見表1。

表1 焦崗湖水體采樣點(diǎn)實(shí)測參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 無植被生長區(qū)水體光譜特征

與沉水植被生長區(qū)水體反射光譜作比較，本文在湖泊無植被生長區(qū)選擇4個(gè)樣點(diǎn)，實(shí)地測定了無植被生長區(qū)水體反射光譜。其中，L1、L12、L14為光學(xué)深水區(qū)樣點(diǎn)，L13為光學(xué)淺水區(qū)樣點(diǎn)。

由圖1可看出，焦崗湖光學(xué)深水區(qū)水體呈現(xiàn)出典型的水體光譜特征，在可見光部分的綠波段0.58 um附近形成了明顯的反射峰，在0.67 um處形成吸收谷，而在近紅外波段反射率明顯下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2個(gè)小的反射峰。由于焦崗湖水體中葉綠素含量介于14～26 ug/L，空間差異不明顯(表1)，懸浮物含量成為影響光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜的主要因素。即隨著懸浮物含量的增加，在0.4～0.58 um水體光譜反射率呈減小的趨勢(shì)，這與葉綠素對(duì)其吸收作用的影響有關(guān)，而在0.58～0.9 um光譜反射率呈增大的趨勢(shì)，反映了近紅外波段對(duì)懸浮物含量變化更為敏感。

圖1 焦崗湖光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜

本文測定了焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)(L13)的水體表面及對(duì)應(yīng)淤泥底質(zhì)的反射光譜(圖2)。受淤泥底質(zhì)對(duì)入射太陽光線吸收作用的影響，無植被生長的光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜表現(xiàn)出不同于光學(xué)深水區(qū)的光譜特征，在可見光部分的紅波段(0.58～0.71 um)有寬的反射峰，在近紅外波段反射率下降，且在0.8 um處有小的反射峰。其中，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)在0.4～0.61 um光譜反射率要低于光學(xué)深水，而在0.61～0.9 um要高于光學(xué)深水，反射率最大差值達(dá)到0.04，出現(xiàn)在0.8 um附近。

圖2 無植被生長光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜

由圖中看出，無植被生長光學(xué)淺水區(qū)光譜反射率介于光學(xué)深水與淤泥底質(zhì)反射光譜之間，這反映了湖泊淤泥底質(zhì)對(duì)水體反射光譜的影響在不同的太陽光譜波段存在一定差異，在藍(lán)綠波段以吸收作用為主，在紅光、近紅外波段以反射作用為主。

2.2 不同冠層蓋度條件下的水體光譜特征

除了淤泥型底質(zhì)，草型底質(zhì)對(duì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜也有著一定的影響。本文根據(jù)焦崗湖菹草生長區(qū)的水體反射光譜(樣點(diǎn)L2、L5、L6、L9、L10)，分析在同一冠層水深(20 cm)不同冠層蓋度條件下的水體反射光譜特征。

圖3顯示了在同一冠層水深下不同蓋度沉水植被生長的焦崗湖水體反射光譜曲線。從圖中可以看出，在焦崗湖地區(qū)沉水植被生長的水體反射光譜特征與光學(xué)深水區(qū)(L1)光譜特征相似，在綠光波段0.58 um附近形成了明顯的反射峰，在近紅外波段反射率明顯下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2個(gè)小的反射峰。然而，由于沉水植被冠層的選擇性吸收作用[2]，可見光波段的反射率低于光學(xué)深水區(qū)光譜反射率，且隨著沉水植被蓋度的增大，水體光譜反射率整體呈增大的趨勢(shì)，其中在0.45～0.7 um、0.8～0.9 um水體反射光譜對(duì)沉水植被蓋度變化最為敏感。

圖3 同一冠層水深不同植被蓋度下水體反射光譜

2.3 不同冠層水深條件下的水體光譜特征

已有研究表明，沉水植被冠層水深也是影響湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的重要因素[12，14，18]。本文測定了相同植被蓋度(80%)不同冠層水深的水體反射光譜(樣點(diǎn)L3、L4、L7、L8、L11)，分析冠層水深變化對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響。

由圖4可以看出，在蓋度相同的情況下，隨著植被冠層水深的減少，沉水植被冠層逐漸接近水面，水體光譜反射率在可見光波段(0.4～0.7 um)呈顯著增大的趨勢(shì)，而在近紅外波段(0.8～0.9 um)變化趨勢(shì)不明顯。當(dāng)沉水植被冠層生長到水面時(shí)，水體反射光譜呈現(xiàn)出近似于陸生植被的反射光譜特征，反映了沉水植被冠層水深對(duì)焦崗湖水體反射光譜具有一定的貢獻(xiàn)度，且其貢獻(xiàn)度隨著植被冠層水深的減少而增大。這與馬榮華等[11]在太湖的東部湖灣區(qū)利用Hydrolight水體輻射傳輸模型模擬的研究結(jié)論相一致。

圖4 相同蓋度不同冠層水深下水體反射光譜

3 討論

3.1 懸浮物濃度及透明度對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響

由于研究區(qū)水體葉綠素含量較低(表1)，懸浮物含量成為影響湖泊水體反射光譜的重要因素。本文通過分析光學(xué)淺水區(qū)水體懸浮物含量以及透明度與實(shí)測光譜反射率的關(guān)系，探究懸浮物含量、透明度對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響(圖5)。

圖5 水體懸浮物含量、透明度與水體光譜反射率的相關(guān)關(guān)系

由圖5看出，在沉水植被生長的湖泊光學(xué)淺水區(qū)，懸浮物含量與水體光譜反射率總體呈正相關(guān)，但其相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)最高僅達(dá)到0.4。這可能是由于沉水植被生長對(duì)水體懸浮物顆粒有著強(qiáng)烈吸附作用，導(dǎo)致懸浮物含量較低，相對(duì)于沉水植被冠層，懸浮物顆粒的散射作用對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響并不明顯。

水體透明度與光譜反射率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在0.4～0.68 um二者間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.78左右。這是由于透明度能綜合反映水體中懸浮物、葉綠素、CDOM等參數(shù)對(duì)水體光學(xué)性質(zhì)的影響[5]，可以作為水體反射光譜的指示性指標(biāo)。

3.2 底質(zhì)類型對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響

在內(nèi)陸湖泊光學(xué)淺水區(qū)，湖泊底質(zhì)是影響水體反射光譜的重要因素，其反射特性對(duì)于水底反射光對(duì)水面遙感信號(hào)的貢獻(xiàn)度有著顯著的影響[19]。本文所研究的焦崗湖地區(qū)，湖泊底質(zhì)包括淤泥型與草型這2種類型。為探究草型底質(zhì)對(duì)水體反射反射光譜的影響，本研究根據(jù)湖泊水體樣點(diǎn)L12(光學(xué)深水)、L13(淤泥底質(zhì)光學(xué)淺水)、L4(草型底質(zhì)光學(xué)淺水)光譜測定結(jié)果，比較并分析不同湖泊底質(zhì)及光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜特征(圖6)。

圖6 不同湖泊底質(zhì)類型水體反射光譜

圖6顯示了焦崗湖不同底質(zhì)類型的光學(xué)淺水區(qū)以及光學(xué)深水區(qū)水體反射光譜特征。從圖中可看出，淤泥型底質(zhì)、草型底質(zhì)對(duì)水體反射光譜的影響存在著明顯差異。在可見光波段0.4～0.6 um，淤泥型底質(zhì)、草型底質(zhì)水體反射率均小于湖泊光學(xué)深水區(qū)，這說明2種類型底質(zhì)在可見光波段對(duì)水體入射光線具有吸收作用，但草型底質(zhì)的吸收作用明顯強(qiáng)于淤泥型底質(zhì)；在0.6～0.9 um波譜范圍內(nèi)，湖泊光學(xué)深水區(qū)水體反射率高于草型底質(zhì)水體，低于淤泥型底質(zhì)水體，最大反射率差值位于0.7 um附近，這反映了草型底質(zhì)對(duì)水體入射光線的選擇性吸收作用，而淤泥型底質(zhì)則具有較強(qiáng)的反射作用。以上結(jié)論在Mobley、周冠華等的研究[2-3]中也得以證實(shí)。

3.3 沉水植被生長對(duì)光學(xué)淺水反射光譜的影響

為進(jìn)一步分析沉水植被生長對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜的影響，本研究分析沉水植被蓋度、冠層水深與水體光譜反射率的關(guān)系，探究沉水植被蓋度、冠層水深對(duì)水體反射光譜的影響(圖7)。

圖7 沉水植被蓋度、冠層水深與水體光譜反射率的相關(guān)關(guān)系

從圖7看出，在草型底質(zhì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)，沉水植被蓋度、冠層水深均對(duì)水體光譜反射率存在一定的影響。其中，在相同冠層水深條件下，沉水植被蓋度與水體光譜反射率呈正相關(guān)，在0.67 um附近相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81；在相同植被蓋度情況下，隨著冠層水深的減小，水體光譜反射率呈增加的趨勢(shì)，在0.7～0.9 um處相關(guān)系數(shù)較高，最大值達(dá)到0.78左右。這反映了焦崗湖沉水植被冠層對(duì)入射太陽光具有一定的透射與折射作用[20]，即隨著植被蓋度增大或者冠層水深的減少，沉水植被冠層對(duì)太陽光的透射與折射作用加強(qiáng)，其對(duì)水體反射光譜的貢獻(xiàn)度增加，進(jìn)而導(dǎo)致水體光譜反射率的增大。

3.4 構(gòu)建光學(xué)淺水區(qū)水體光譜綜合模型

在沉水植被生長的湖泊光學(xué)淺水區(qū)，水體反射光譜受水體懸浮物含量、葉綠素含量、沉水植被生長參數(shù)、底質(zhì)類型等因素綜合作用的影響。本文基于電磁波與水體相互作用的輻射傳輸理論，在Lee等[21]提出的生物光學(xué)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于光學(xué)淺水沉水植被生長區(qū)的水體反射光譜綜合模型。該模型將水體離水輻射信號(hào)分解為來自水體自身散射、底質(zhì)反射兩部分(式(1))。

(1)

(2)

(3)

ρ(λ)=F(T，F(xiàn)C，R，λ)

(4)

4 結(jié)束語

本文根據(jù)2017年冬季淮河流域焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜與沉水植被生長參數(shù)的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測定，探究沉水植被生長參數(shù)對(duì)淺水型湖泊光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響，初步得出以下結(jié)論：

①在無沉水植被生長區(qū)，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜介于淤泥底質(zhì)與光學(xué)深水之間，在可見光波段光譜反射率要低于光學(xué)深水，而在近紅外波段要高于光學(xué)深水，反射率最大差值出現(xiàn)在0.8 um附近，反映了湖泊淤泥底質(zhì)對(duì)水體光譜反射率的影響在不同光譜通道存在明顯差異。

②不同湖泊底質(zhì)類型對(duì)水體反射光譜的影響存在明顯差異。在可見光波段，草型與淤泥型底質(zhì)對(duì)水體入射光線都具有吸收作用，草型底質(zhì)的吸收作用明顯強(qiáng)于淤泥型底質(zhì)；在近紅外波段，草型底質(zhì)、淤泥型底質(zhì)對(duì)水體入射光線具有一定的反射作用，淤泥型底質(zhì)的反射作用明顯強(qiáng)于草型底質(zhì)。

③在沉水植被生長區(qū)，焦崗湖光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征與光學(xué)深水區(qū)相似，但整體光譜反射率低于光學(xué)深水區(qū)，沉水植被蓋度、冠層水深均對(duì)水體反射光譜存在影響。植被蓋度與水體光譜反射率呈正相關(guān)，在0.67 um附近相關(guān)性達(dá)到最高；冠層水深與水體光譜反射率呈負(fù)相關(guān)，在0.88 um處相關(guān)性最高。這反映了沉水植被冠層對(duì)入射太陽光具有一定的反射作用，隨著植被蓋度的增大或者冠層水深的減少，沉水植被冠層在近紅外波段反射作用對(duì)水體反射光譜的貢獻(xiàn)度增大，導(dǎo)致水體反射光譜的增大。

本文根據(jù)淮河流域焦崗湖實(shí)測光譜數(shù)據(jù)探究了沉水植物菹草生長對(duì)光學(xué)淺水區(qū)水體反射光譜特征的影響規(guī)律。然而，湖泊沉水植被對(duì)水體反射光譜的影響規(guī)律因沉水植物優(yōu)勢(shì)群落類型以及水體自身環(huán)境(如懸浮物濃度、葉綠素含量)的不同可能會(huì)存在一定的差異[2，11，18]，因此這些因素對(duì)湖泊光學(xué)淺水區(qū)反射光譜所產(chǎn)生的影響還有待于進(jìn)一步的研究。