富营养化水体中氮磷物质与光谱反射率的相关性分析

1、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 . , , , , . 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

2、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

3、态监测等特点, 逐渐成为水质监测的有效手段1 6.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

4、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3251075nm, 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

5、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. 496. 95mg /L, T P 浓度为0. 222. 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(400800nm 的波长反射率进行了归一化处理. 依据公式R rs

6、=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. 02811 . 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450500nm 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; 550590nm 波段出现第一个反

7、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

8、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 .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/

9、R 447的比值与TN 浓度进行回归分析, 所+y T (, 640/R 447. 454杭州师范大学学报(自然科学版 2009年2. 3 TP 的遥感定量模型依据同样方法对各采样点的光谱反射率与TP 浓度进行了相关性分析, 结果如图4所示 .尽管各波段光谱反射率与TP 浓度的相关系数高于T N, 但仍未达到显著水平, 因此仍采用波段比值法估算. 图5即为TP 浓度与R 703/R 447的关系及拟合曲线, 所得反演模型为:y =-2. 8712x +4. 7338, 其中y 为T P 浓度(m g/L , x 为R 703/R 447.3 结 论文章在分析下沙经济开发区水体光谱特征的基础上,

10、 对光谱反射率与T N 、TP 浓度之间的关系进行了分析研究. 结果表明, 富营养化水体中T N 、TP 的浓度与光谱反射率的比值表现出的相关性较好, 但是与某一波长原始反射波谱数据的相关性较差. 因此, 采用半经验法估算富营养化水体中TN 、T P 浓度时, 比值法应更具有潜力.但该试验中尝试选取的波段比值与已有文献有所差别, 究其原因, 是由于已有的拟合波段大多集中于悬浮物和叶绿素a 浓度上, 对TN 、TP 的定量研究极为少见. 该试验也仅是对此进行了初步研究. 同时, 该试验由于采样点少, 对模型估算效果没有进行检验. 因此, 为了建立估算富营养化水体中TN 、T P 浓度的定量模型,

11、 还需加大采样点数量, 并考虑覆盖不同程度的富营养化水体. 此外, 作为富营养化程度重要表征的叶绿素a 、COD 、BOD 5等参数, 都可能对水体的光谱特征产生影响, 为提高估算精度, 需进一步加强对它们的光谱特征研究, 以建立不同水质参数的光谱特征数据库, 为利用卫星遥感监测水体富营养化提供依据.参考文献:1Dekk er A G, Peters S W M. T he us e of Th ematic for the analysis of eutrophic lakes:a case study in th e NetherlandsJ. Int Remote Sensing, 19

12、93, 14(5 :799 821.2Dek ker A G, M althus T J, W ijnen M M , et al . Th e effect of spectral bandw idth an d positioning on the spectral signature analysis of in land w aters J. Rem ote S en s En viron, 1992, 41:211 225.3王学军, 马 延. 应用遥感技术检测和评价太湖水质状况J. 环境科学, 2002, 21(11 :65 68.4陈楚雄, 施 平, 毛庆文. 应用TM 数据估算

13、沿岸海水表层叶绿素浓度模型研究J . 中国环境遥感, 1996, 11(3 :168 175.5李素菊, 王学军. 巢湖水体悬浮物含量与光谱反射率的关系J. 城市环境与城市生态, 2003, 16(6 :66 68.6刘 英, 王 珂, 周 斌, 等. 千岛湖水体叶绿素浓度高光谱遥感监测研究初报J. 浙江大学学报:农业与生命科学版, 2003, 29(6 :621 626.7李素菊, 王学军. 内陆水体水质参数光谱特征与定量遥感J. 地理学与国土研究, 2005, 18(2 :26 30.8杨一鹏, 王 桥, 王文杰, 等. 水质遥感监测技术研究进展J. 地理与地理信息科学, 2004, 20

14、(6 :6 12.9. M . , 455第6期王晓玥:富营养化水体中氮磷物质与光谱反射率的相关性分析10王明翠, 刘雪芹, 张建辉. 湖泊富营养化评价方法及分级标准J. 中国环境监测, 2002, 18(5 :47 49.11唐军武, 田国良, 汪小勇, 等. 水体光谱测量与分析 :水面以上测量法J. 遥感学报, 2004, 8(1 :37 43.12周 艺, 周伟奇, 王世新, 等. 遥感技术在内陆水体水质监测中的应用J. 水科学进展. 2004, 15(3 :312 317.13张凤丽, 杨锋杰, 万余庆. 水体污染物与反射波谱的相关性分析J. 中国给水排水, 2002, 8:81 83

15、.14刘 剋, 黄家柱, 张 强. 太湖水体藻类叶绿素浓度高光谱遥感监测研究J. 南京师大学报:自然科学版, 2005, 28(3 :94 101.Correlation Analysis between the Concentrations of Nutrient andPhosphorus in Eutrophic Water and Its Spectral ReflectanceWANG Xiao y ue(College of Life and En viromental Science, H angzhou Normal University, H angzhou 310036,

16、Ch inaAbstract:T he paper has measured different eutrophic water by F ieldspec HandH eld radiometer, and analy zed the r elations betw een the concentratio ns of nutrient and phosphorus with its spectral reflectance. T he results show the reflectrance ratio of R 640/R 447is significantly cor related

17、 with the concentration of nutr ient. T he correlation o f R 703/R 447is significantly cor related w ith the concentration of phospho rus so that the paper finally has set up the quantitative models of them.Key words:eutr ophic water ; the concentr ations of nutrient and phospho rus; spectr al r efl

18、ectance; quant itativ e models (上接第448页Synthesis of New Heterocyclic Compouds 1, 5 Benzodiazepine DerivativesSH EN So ng w ei, LIU Fang ming , ZH OU Ying lei, SH I H ai(College of M aterial C hemistry and Chem ical E ngineering, H angz hou N orm al Un iversity, Hangz hou 310036, ChinaAbstract:Benzo diazepine co mpo unds hav e o bvio us pha rmacolog ical and bio lo gical act ivities, and resea rcher s has pay ing attent