应用气象学报  2009, 20 (1): 95-101   PDF    
引用本文
荀尚培, 翟武全, 范伟. MODIS巢湖水体叶绿素a浓度反演模型[J]. 应用气象学报, 2009, 20(1): 95-101.
Xun Shangpei, Zhai Wuquan, Fan Wei. MODIS in Monitoring the Chlorophyll-a Concentrations of Chaohu Lake[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009, 20(1): 95-101  
MODIS巢湖水体叶绿素a浓度反演模型
荀尚培1,2, 翟武全3, 范伟1,2     
1. 安徽省气象科学研究所, 合肥 230031;
2. 安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室, 合肥 230031;
3. 安徽省气象局, 合肥 230031
2007-11-14 收到, 2008-08-22 收到修改稿.
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MODIS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MODIS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EOS/MODIS数据, 选择最佳通道组合, 定义了叶绿素a指数IChla, 建立了MODIS巢湖叶绿素a浓度的反演模型, 检验得到相关系数为0.5079。
关键词: 反演    叶绿素a    MODIS数据    巢湖    
MODIS in Monitoring the Chlorophyll-a Concentrations of Chaohu Lake
Xun Shangpei1,2, Zhai Wuquan3, Fan Wei1,2     
1. Anhui Provincial Meteorological Institute, Hefei 230031;
2. Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing of Anhui Province, Hefei 230031;
3. Anhui Provincial Meteorological Bureau, Hefei 230031
Abstract: Using remote sensing data for large area water quality survey is a typical water environment monitoring method. The Chaohu Lake reflectance spectra are measured using ASD field spectrometer and the MODIS data collected during the same period. After the MODIS data are preprocessed, the spectral characteristics of Chaohu Lake are analyzed and the spectral is compared with references. Then the relation between the measured water reflectance and chlorophyll a is fitted. The fitting formula is consistent with previous research results and the correction coefficient is 0.75. But after analyzing the apparent reflectance of the MODIS L1B and the measured concentration of the chlorophyll-a, the ideal inversion lake model can not be obtained because of the influence of the atmosphere and other factors. After a special atmospheric correction for MODIS data, the ground reflectance spectra are obtained in the channels 1—7. The relation between the ground reflectance and the chlorophyll a is fitted and the correction coefficient is improved. At last, the optimum bands combination are chosen after analyzing the relation between the reflectance spectra and the corresponding moment of the concentration of the chlorophyll a, using EOS/MODIS data after atmospheric correction. The chlorophyll a index IChla is defined. Therefore the inversion model for chlorophyll a concentration of Chaohu Lake is achieved, and the correction coefficient is 0.5079. This correction coefficient is not as good as the result(0.75)obtained by the hyperspectral data measured by the field spectrometer. There are 3 possibilities that may cause the errors. First, the bands selection of the MODIS data are not cover exactly the spectral sensitive of the concentration of the chlorophyll a(685—715 nm). Second, the narrowband of the field spectrometer and broadband of the MODIS data is not very exact. Third, the atmospheric correction errors above Chaohu Lake may be too big.
Key words: inversion     chlorophyll-a     MODIS data     Chaohu Lake    
引言

巢湖地处江淮之间, 是我国五大淡水湖之一, 面积约760 km2, 全流域33条河, 流域面积13350 km2, 是江淮地区重要的粮食产地和水产品基地以及周边地区生产、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[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。

Lefelier等[2]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MODIS荧光波段13~15可以很灵敏地检测到叶绿素在海洋表面0.5 mg/m3的浓度变化。Anu Reinart等[3]利用MERIS, SeaWiFS, MODIS数据对欧洲3个最大湖泊(Vattern, Vanern, Peipsi)不同水质水体中的几类参数进行反演, 给出了利用MERIS反演叶绿素a、悬浮物浓度和无机物的最优化通道组合、拟合公式、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MERIS较高的大气校正成功率是反演水体参数的重要保证。Martinez等[4]利用MODIS和MERIS对Amazon河丰水和枯水期的叶绿素和悬浮物进行监测。李素菊等[5]利用高光谱地物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R705 nm/ R680 nm和690 nm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的内陆二类水体进行, 或未使用MODIS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EOS/MODIS数据, 选择最佳波段组合, 建立了MODIS巢湖叶绿素a浓度的反演模型。

1 数据获取与分析 1.1 实测数据获取

2003年1月10日在巢湖水面进行星地同步观测。观测时间为09:00—15:30(北京时, 下同), 主要地面光学观测仪器包括:① FieldSpec TM UV/VNIR ASD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25%的灰板用于水体光谱测量, 白板用于大气特性测量; ③法国CIMEL-318自动太阳光度计, 用于太阳辐射度测量。

试验站点主要选择巢湖支流的入湖口处, 以及其他有代表性的点, 共计16个。水体采样和水面测量顺序为:忠庙→南淝河入湖区→十五里河入湖区→塘西→西半湖→姥山东3 km→马尾河口→湖心点→中旱→造船厂→巢湖坝口。水质样本分析依据:GB/T6920-86, GB/T11901-89, GB/T7484-87, GB/T7488-87, GB/T7479-87, GB/T11893-89, GB/T11894-89和ISO 10260-1992, 样品采用聚乙烯桶和玻璃瓶密闭封装, 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(ISO 10260-1992)《水质; 生化参数测量; 叶绿素a浓度的光谱测定》, 以丙酮萃取及分光光度计分析的方法测定叶绿素a, 使用仪器为751型分光光度计, 工作于紫外、可见、近红外光谱区, 波长范围200~1000 nm, 采用30°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。

图 1. 巢湖采样点分布 Fig 1. Sampling location in Chaohu Lake

水体光谱由下式计算:

(1)

式(1)中, k(θi, φi; θr, φr)是反射参考板的标准光谱反射比[6], Vp(θr, φr)是测量反射参考板时仪器输出的信号值, Vt(θr, φr)是测量水体时仪器输出的信号值, Vp(θr, φr)和Vt(θr, φr)须在相同测量条件下获取, 先对着反射参考板测量, 获取Vp(θr, φr)值, 然后对着水体测量, 获得Vt(θr, φr)值。测量时注意避开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10°。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中间测量水面的方法, 观测角0°(垂直向下观测), 探头与水面或反射参考板距离>1 m。

1.2 卫星数据获取

与试验同日MODIS资料为2003年1月10日10:59过境的EOS-Terra, 巢湖上空晴朗无云。自主接收的MODIS L0级PDS资料经过解包、辐射、几何校正和地理定位后, 得到L1B级HDF格式数据, Terra-MODIS的定位精度为0.5个像素[7]。通过基于6 s的大气校正模型可以得到MODIS 1~7波段的地面反射率HDF格式资料。以上的所有处理采用NASA-ESE发布的标准算法和处理程序[8-9]。

1.3 数据匹配与分析

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; ②MODIS L1B通道数据与实测叶绿素a浓度之间的关系; ③MODIS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, 依据该采样时间的站点经纬度从MODIS数据中提取反射率。表 1为2003年1月10日巢湖水质实测数据。

表 1 2003年1月10日巢湖水质参数 Table 1 The water quality parameters of Chaohu Lake on Jan 10, 2003

表 2是同日与实测站点匹配的MODIS L1B表观反射率数据, 受篇幅所限, 仅列出MODIS前11个通道的数值。

表 2 2003年1月10日MODIS前11个通道表观反射率 Table 2 The apparent reflectance of MODIS CH1—CH11 on Jan 10, 2003

由于在湖面进行光谱测量时, 天气条件的变化、周围环境的影响及测量角度的变化都会影响获取的反射率数值的大小, 为了便于不同采样点光谱值之间的比较, 对光谱仪实测的每条反射光谱在可见光范围进行波段反射率归一化, 即将各条反射光谱调整到900 nm上反射率均为0。图 2为原始和归一化后的340~900 nm实测巢湖水体反射率光谱。

图 2. 2003年1月10日巢湖原始(a)与归一化(b)光谱反射率 Fig 2. The original(a)and normalized(b)spectral reflectance of light over Chaohu Lake on Jan 10, 2003

2 反射率与叶绿素a浓度相关分析结果 2.1 巢湖水体光谱特征

图 2中的光谱反射率呈现典型的内陆水体光谱特征。在400~500 nm范围内, 由于叶绿素a在蓝紫光波段的吸收峰及黄色物质在该范围的强吸收作用, 水体的反射率较低, 670 nm附近是叶绿素a的又一吸收峰, 因此当藻类密度较高时水体光谱反射率曲线在该处出现谷值; 550~580 nm范围内的反射峰是叶绿素和胡萝卜素的弱吸收及细胞的散射作用形成的, 该峰值与色素组成有关; 因为藻蓝素的吸收峰在624 nm, 所以630 nm附近出现反射率谷值或呈肩状; 在670 nm处, 由于叶绿素对红光的吸收, 出现较低的反射比[10]; 在685 nm附近有明显的荧光峰, 这是由于浮游植物分子吸收光后, 再发射引起的拉曼效应———即进行水分子破裂和氧分子生成的光合作用, 激发的能量荧光化的结果[11]; 685~715 nm范围内反射峰的出现是含藻类水体最显著的光谱特征, 其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据, 反射峰的位置和数值是叶绿素a浓度的指示, 其出现原因是由于水和叶绿素a的吸收系数之和在该处达到最小[12]。

2.2 实测水体反射率与实测叶绿素a之间的关系

利用地物光谱仪705 nm和680 nm处的反射率比值, 与叶绿素a浓度进行线性拟合, 得到的散点图(图 3)和拟合公式。由于最后3个测点中旱乡、造船厂和巢湖坝口测量时间较晚, 太阳光线条件不充分, 无法满足地物光谱仪的观测规范要求, 故不参与计算。

图 3. 705 nm与680 nm光谱反射率比值与叶绿素a浓度的关系 Fig 3. Relationship between chlorophyll-a concentrations and the reflectance ratios

拟合公式

(2)

其中, 相关系数R2=0.75, CChla为叶绿素a的浓度, R705 nm/R680 nm为705 nm和680 nm处的反射率比值。此结果与大部分相关文献[12-13]中的结论非常吻合, 甚至系数的差异都很小。

2.3 MODIS L1B表观反射率数据与实测叶绿素a浓度之间的关系

参照上面讨论的内容, 尝试建立MODIS表观反射率数据与实测叶绿素a浓度之间的关系。但在MODIS的波段设置中, 705 nm附近没有波段设置; 680 nm虽然在通道14(673~683 nm)波长范围内, 但无论是高增益还是低增益数据, 2003年1月10日Terra/MODIS均饱和无数据, 无法进行计算。分析大量其他时次MODIS资料后, 发现只有在气溶胶光学厚度极小的情况下, 通道14低增益数据才偶尔有反射率数据, 而高增益数据始终无数值。所以, 建立MODIS水体叶绿素a反演模型所需要进行的通道优化选择, 单纯依赖地物光谱仪水体实测反射光谱是难以实现的, 即无法应用2.2节的结果。

根据文献对TM, AVHRR, SPOT等多种传感器各通道波段数据与水质参数的关系研究中, 选取MODIS中与上述传感器波长范围相对应的常用波段, 对MODIS数据尝试多种基于光谱特征曲线的组合后[14-17], 发现没有任何一种波段的组合可以比较准确地反映巢湖水体的叶绿素a浓度(相关系数均小于0.5), 主要原因可能在于使用的是表观反射率而不是地面反射率, 显然, 未经大气校正的卫星表观反射率无法对地面作出准确一致的识别和反映。因此, 应用MODIS数据计算二类水体叶绿素a浓度时, 应该首先进行大气校正以得到MODIS地面反射率。

2.4 MODIS大气校正后地表反射率与实测叶绿素a浓度之间的关系

MODIS晴空大气气溶胶厚度反演及大气校正方法见文献[18-19]。星地同步观测当日巢湖上空气溶胶厚度较大, CIMEL-318太阳辐射计直接观测平均数值超过0.7, MODIS反演中甚至将巢湖上空多处解译为云区。MODIS大气校正后地表反射率与地物光谱仪实测光谱波段积分后比较, 误差相当大, 从通道1~4对比结果看, 大气校正后地表反射率普遍大于光谱仪实测, 通道1、通道3和通道4的相对误差在35%~59%之间, 通道2由于波段在近红外区, 误差达到75%, 可见MODIS大气校正的精度值得商榷。考虑空间分辨率的影响(250~500 m), 选择MODIS大气校正后通道1~7地面反射率(MODIS通道光谱范围如表 3)进行波段组合尝试。将通道3~7波段的500 m数据按经纬度投影变换后, 每个像素点500 m分辨率数据直接变换为2×2像素点的250 m数据, 不做线性或非线性内插, 这样符合卫星传感器观测的基本原理, 即卫星得到的最小观测尺度(最大分辨率)数据是该尺度内地物平均反射率(亮温), 细网格化时进行内插只会得到不能真实反映地物特征的新值。

表 3 MODIS通道光谱范围 Table 3 Band spectral range of MODIS

重复2.3节中尝试的波段组合, 选择相关系数较好的组合, 初步提出一种用于计算巢湖水体叶绿素a浓度的叶绿素指数IChla(chlorophyll index)定义:

(3)

式(3)中, RCh1*, RCh4*, RCh3*为MODIS通道1, 4, 3大气校正后的地面反射率。实际计算中, 对通道4和通道3进行空间尺度处理, 由500 m分辨率变换到250 m分辨率, 所以IChla最终空间分辨率250 m。对2003年1月10日MODIS数据进行分析, 利用大气校正后MODIS通道1, 4, 3的地面反射率建立叶绿素指数IChla, IChla与水体叶绿素浓度监测结果CChla的关系如图 4所示。

图 4. 叶绿素a浓度CChla与IChla关系图 Fig 4. Relationships between chlorophyll-a concentrations and the IChla

通过统计拟合建立IChla与巢湖水体叶绿素a浓度CChla的关系为

(4)

其中, 相关系数R2=0.5079。

3 结论与讨论

基于地物光谱仪在可见光到近红外范围内能比较好地反映巢湖水体叶绿素a浓度的光谱特征, 研究选取了MODIS反射辐射通道进行分析。发现由于大气气溶胶的影响, 利用卫星表观反射率难以准确地反演叶绿素a浓度, 而经过大气校正后的通道1, 4, 3组合与叶绿素a浓度具有相对较好的相关性, 但相关系数并不高(0.5079), 远不及利用地物高光谱数据拟合的相关系数(0.75), 产生这个误差可能有以下3个原因:一是MODIS通道波段选择未准确覆盖叶绿素a浓度的光谱高敏感区(685~715 nm); 二是地物光谱仪窄带光谱与MODIS宽带光谱观测数据的误差; 三是湖区上空大气校正误差较大。

由于项目规模的限制, 无法获得更多的试验数据, 尤其是巢湖水体叶绿素a的实测数据是建立拟合统计关系式的基础, 因此叶绿素a指数IChla与巢湖水体叶绿素a浓度CChla的关系公式仍不成熟, 需要在业务实际工作中逐步改进和完善。

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