lee生物光學模型在不同水體組分特性下的適用性

1、 L a k eS c i ． ( 湖泊科 學) ， 2 0 1 1 ， 2 3 ( 2 ) ： 2 1 7 — 2 2 2h t t p ： #w w w ． j l a k e s ． o r g ． E — m a i l ： j l a k e s @ n i g l a s ． a c ． a n@2 0 1 lb yJ o u r n a lo fL ak eS c i e n c e sL e e生物光學模型在不 同水體

2、組分特 性下的適用性 王勝 強， 陳晉 ， 楊 偉 ， 梁涵瑋， 朱晶晶( 北京 師范大學地 表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室 ， 北京 1 0 0 8 7 5 )摘 要 ： 輻 射傳輸模 型和生物光學模 型均可用于模 擬水體遙感反射率． 前者模擬精度高 ， 但計算復雜 ， 不利 于水 質參數(shù) 的反演 ； 后者簡便易反演 ， 但在渾濁水體 中的模擬精度還有待進一步檢驗． 本文 通過設計大 量不 同組分 濃度組成 的水體 ， 以輻射傳輸模型

3、( 即 H y d r o l i g h t 模 型) 模擬結果為真值 ， 對生物光學模型 ( 即 L e e 模型 ) 模擬二類水體遙感反射 率的精度進行 了檢驗． 結果表明 ： ( 1 )除藻類懸浮物主導型水體外 ， L e e 模 型在所有波段 的總體模擬 誤差在 1 0 ％ 以內(nèi) ； ( 2 )葉綠素 a 濃 度反演算 法常用波段光譜模擬誤差較大 ； ( 3 )剛好在水面以上與剛好在水面 以下的遙感反射率顯示 出相似 的模擬精

4、度 ．關鍵詞 ： 遙感反射率 ； H y d r o l i g h t 模型 ； L e e 生物光學模 型 Ac c u r a c ya s s e s s me n to fb i o - o p t i c a lmo d e li nt u r b i dc a s eI 1wa t e r sWA N G S h e n g q i a n g ， C H E NJ i n ，Y A N GWe i ， L I A NG

5、H a n w e i &Z H UJ i n g j i n g( S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f砌 S u r f a c eP r o c e s s e sa n dR e s o u r c eE c o l o g y ，B e i j i n gN o r m a lU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 8 7 5 ，P R ．C

6、 h i n a )Ab s t r ac t ：B o t hr a d i a t i v et r a n s f e rmo d e la n db i o 。 o p t i c a lmo d e lc a nb eu s e dt os i mu l a t et h er e mo t es e n s i n gr e f le c t a n c ef o rwa t e r s ．G e n e r a l l y

7、 ，t h er a d i a t i v et r a n s f e rm o d e li so fh i g ha c c u r a c y ， b u ti ti st o os o p h i s t i c a t e dt or e t r i e v ew a t e rq u a l i t yp a r a me t e r s ( WQ P s ) ．T h eb i o - o p t i c a lm o

8、 d e li ss i m p l ea n de a s yt ob ei m p l e m e n t e di nr e t r i e v i n gWQ P s ， b u ti t sa c c u r a c yi ns i m u l a t i n gt u r b i dc a s eI 1w a t e r si ss t i l lu n k n o w n ．I nt h i ss t u d y ， t

9、h er a d i a t i v et r a n s f e rmo d e l( i ． e ．Hy d r o l i g h tm o d e 1 )a n db i o - o p t i c a lmo d e l( i ． e ．L eemo d e 1 )w e r eb o t hu s e dt og e n e r a t e dal a r g en u m b e ro fs p e c t r ad a

10、t aw i t hd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fWQ P s ．U s i n gt h es p e c t r ay i e l d e db yHy d r o l i g h tmo d e la st r u ev a l u e，wea s s e s s e dt h es i mu l a t i o na c c u r a c yo ft h eLe emo

11、d e li nt u r b i dc a s eI 1wa t e r s ．Re s u l t ss h o w t h a t( 1 )e x c e p tf o rt h en o n — p h y t o p l a n k t o ns u s p e n d e ds u b s t a n c ed o mi n a t e dw a t e r s ， r e s u h so fL e emo d e lc

12、 a nb ea c c e p t a b l ew i t ho v e r a l lr e l a t i v ee r r o r1 e s st h a n1 0 ％ ；( 2 ) l a rg e re r o r si nL e emo d e lo c c u re di nt h eb a n d sf orC h 1 ． ae s t i ma t i o nt h a no t h e rb a n d s ；(

13、 3 )s i m u l a t i o na c c u r a c yo fr e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c ej u s tb e l o ww a t e rs u r f a c ei sc o n s i s t e n tw i t ht h a tj u s ta b o v es u r f a c e ．Key wor d s：Re mo t es e n s

14、i n gr e f l e c t a n c e ；Hy d r o l i g h tmo d e l ；Le ed e e p - wa t e rb i o - o p t i c a lmo d e l水體反射率光譜在水質遙感 監(jiān)測 中具有 重要意 義． 多種 葉綠素估 測方 法 ， 如熒光 峰位 法? 、 熒 光峰 高 法 、 面積法 、 波段 比值法 都是基于水體反射率光譜 特征提 出 的． 一般 而言 ， 水體反射 率

15、光譜 可 以通過 實地測量獲得 ， 然而實地 測量 易受 天氣 、 水體表面( 波浪 ) 等狀況 的影 響 ， 費 時費力． 同時受 采樣點 數(shù)量 和組 分濃度限制 ， 常常不 能獲得建模所需 的特定水體組分濃度下的反射率 光譜． 因此 ， 通 過模擬方 法獲得不 同水 體組分濃度水體 反射率光譜在水質遙感 監(jiān)測 中具有廣 泛應用價值 ． 模擬 水體反射率 光譜 可 以基 于水體輻射 傳輸理論而得到 ， 其典型代表為 H y d r o

16、 l i g h t 模 型． 它具有 很好 的物理依 據(jù) ， 模 擬精度 高 ， 但 計算 速度慢 ， 很難 滿足產(chǎn)生大量模 擬光譜數(shù)據(jù) 的要求 ， 且對水體組分生物光學特性與對應 的反射率光譜 之間 的關 系沒有簡單 明確的數(shù)學表達式描述 ， 其參數(shù)不具有直接 可反演性．于是 ， 人們提 出了各種形式 簡單且 可 以用 于水 質參 數(shù)反演 的生物光 學模 型． G o r d o n l 5等基 于二 向流近 似提出的水體反射率和固

17、有光學特性之間的簡單 數(shù)學關系成 為 了水體生 物光學模型 的原 型． 1 9 9 8年 L e e _ 6國家 自然科學基金項 目( 4 0 8 7 1 1 6 2 ) 資助． 2 0 1 0 — 0 3 — 0 8收稿 ； 2 0 1 0 — 0 5— 2 5收修 改稿 ． 王勝強 ， 男 ， 1 9 8 6 年生 ， 碩士 研究生 ； E — ma i l ： w s q i a n g 8 1 5 @g ma i l ． c o

18、 m．通訊作者 ； E — m a i l ： c h e n j i n @i r e s ． C U ．王勝 強等 ： L e e生物 光學模 型在不 同水體組 分特 性下的適 用性 表 2四種不 同組分 的水體 Ta b ． 2F o u rt y p e so fwa t e rw i t hd i f f e r e n tc o mp o n e n t s21 9式 中 ，，。 分別為 H y d r o l i g h

19、t 模型與 L e e 模 型模擬結果 ， a v e r a g e表示每種水體下所有波段對應誤差的平均．3結果 與討 論 3 ． 1L e e模型模擬精度與水體組分濃度 的關 系 I、 Ⅱ、 Ⅲ種水體 分別為 除純 水外只含有 浮游植物 、 C D O M、 N P S S的水 體 ， 以下稱為二組 分水體 ( 表 2 ) ．在此類水體下 L e e 模 型模擬 r的平均相對 誤差 A R E與 葉綠素 a濃 度 、 C D O M

20、 吸收系數(shù) 、 N P S S濃 度關 系表 明 ， 當葉綠素 a 濃度為 0 ． 5—1 5 m g ／ m時 ， L e e模 型模擬 剛好 處 于水 面以下 遙感 反射 比 r的平 均 相對誤 差 A R E隨著葉綠素 a 濃度增 大先 降低后增加 ， 其值為 6 ． 0 9 ％一 5 ． 0 8 ％ ， 葉綠素 a 濃度 為 1 mm時 ， A R E最小 為 2 ． 0 2 ％ ； 當葉綠素 a 濃度為 1 5 — 3 0 0

21、 m g ／ m時 ， A R E隨葉綠 素濃度增 加而 降低 ， 其 值為 5 ． 0 8 ％ 一 3 ． 7 1 ％． 對 于 C D O M， 當其濃 度 小于 0 ． 5 m時 ， A R E變 化略 有增加 外 ， 其余 濃 度范 圍 A R E穩(wěn) 定在 2 3 ． 5 0 ％左 右． 而對 于 N P S S ， 其濃度變化與 A R E關 系較為 明顯 ， A R E隨著 N P S S濃度增加而增加 ， 其值 為 3 ．

22、 8 5 ％一1 4 ． 8 4 ％ ( 圖 1 a ) ．吾01 O 02 0 03 0 0C h la 濃 度 f m g ／ m)C D OM濃度 ( m。 。 )DC DO M濃度 ( m 1NP S S 濃度 f g ／ m)圖 1L ee深水生物光學模型模擬 二組 分水體 ( a ) 和 四組分水體 ( b ) r的平均相對誤差 A R E與 葉綠素 a濃度 、 可溶性有 機物濃度 、 非藻類懸浮物濃度 的關系 F i g

23、 ． 1R e l a t i o n s h i p so fA R Eo fri nt w o — c o m p o n e n tw a t e r s ( a )a n df o u r — c o m p o n e n tw a t e r s ( b )s i mu l a t e db yL e ed e e p — w a t e rb i o — o p t i c a lmo d e lv e r s u s ：

24、c h l o r o p h y l l — ac o n c e n t r a t i o n s ，CDO M c o n c e n t r a t i o n s ， NP S Sc o n c e n t r a t i o n s●■● ●●●■■I - ．■ ．I一● ■ ●● ■ ■ ． ； ． I一● ■ ■ ■ ● ● ■● ■ ●． - ■●● I一●● ■ ． ●■ ● ■■ ■ l ■ ■ ， ● 一