水體葉綠素的偏振光譜特性

0 引 言

對(duì)于內(nèi)陸湖泊等二類(lèi)水體，由于水體組成成分復(fù)雜，不同成分之間光譜特性的相互影響，使得單純的利用反射率光譜進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)出現(xiàn)了信息量不足的情況，導(dǎo)致所建立的葉綠素濃度反演模型出現(xiàn)精度不夠高及難以推廣等困難。偏振是反映光在傳輸過(guò)程中振動(dòng)方向的獨(dú)立屬性，離水輻射的偏振狀態(tài)是光與水體介質(zhì)相互作用的結(jié)果。有研究表明，光的偏振度變化模式與水體的水質(zhì)組成狀況密切相關(guān)，離水輻射的偏振度光譜包含有水體水質(zhì)成分的濃度信息?？梢酝ㄟ^(guò)提取含有水體水質(zhì)狀況信息的偏振光譜特性，建立水體成分濃度與偏振度之間的關(guān)系，從而為擴(kuò)大遙感反演所能使用的信息維度提供依據(jù)。

本文利用離水輻射的偏振光譜特性在不同水體條件下建立了葉綠素濃度的反演模型，并與基于反射率光譜特性所建立模型的結(jié)果進(jìn)行了比較，說(shuō)明了利用偏振度光譜進(jìn)行葉綠素濃度反演的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取 為研究水體葉綠素的偏振光譜特性并與相同水體狀態(tài)下的反射率光譜作比較，需要分別展開(kāi)反射率、偏振度光譜的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)可采用萊森光學(xué)的iSpecField-WNIR-HRs地物光譜儀，對(duì)儀器進(jìn)行偏振改造后，在保持原有光譜測(cè)量能力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏振光譜的測(cè)量。對(duì)于偏振度數(shù)據(jù)，通過(guò)地物光譜儀的探測(cè)頭上加裝可任意角度旋轉(zhuǎn)的偏振鏡頭，獲取０°、60°、120°等３個(gè)方向的偏振輻亮度計(jì)算得到。

對(duì)于反射率數(shù)據(jù)，參照唐軍武推薦的方法使用不加偏振測(cè)量單元的地物光譜儀進(jìn)行測(cè)量。為保證偏振光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同樣需要確定合適的觀測(cè)幾何條件。利用模擬分析的結(jié)果指出，偏振度隨水體成分濃度變化最明顯的觀測(cè)角出現(xiàn)在偏振度的極大值處，研究結(jié)果表明偏振度極大值存在于主平面內(nèi)。因此，可以通過(guò)在主平面內(nèi)分析偏振度隨觀測(cè)角的變化關(guān)系找到最佳的觀測(cè)角度。結(jié)合主平面內(nèi)偏振度隨觀測(cè)角的變化情況，以及光反射半平面內(nèi)太陽(yáng)耀光對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響，本文最終選取太陽(yáng)主平面內(nèi)觀測(cè)角-50°（光入射半平面）時(shí)所測(cè)得的偏振光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)室配置葉綠素水體的偏振特性定量分析

自然存在的水體組成相當(dāng)復(fù)雜，其離水輻射的光譜特性是水體各組分共同作用的結(jié)果，這時(shí)將難以區(qū)分出其中由于葉綠素的存在而引起的光譜變化，為此，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室配制的只含葉綠素的水體進(jìn)行分析。圖1為4種典型濃度葉綠素水體（Chla）的偏振度光譜曲線。

圖1 不同濃度葉綠素水體偏振度光譜曲線

為直觀獲得偏振度光譜隨葉綠素濃度變化的特征波段以及對(duì)應(yīng)的反射率光譜的分析結(jié)果相比較，將測(cè)得的葉綠素水體的偏振度、反射率光譜與濃度之間作相關(guān)性分析結(jié)果存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與吸收、散射特性相對(duì)應(yīng)，在420nm~570nm的藍(lán)綠波段、675nm~715nm的紅光波段都出現(xiàn)了相關(guān)系數(shù)曲線的峰谷變化，表現(xiàn)出光譜與濃度之間的密切關(guān)系。以下將依據(jù)這些特征波段處的光譜特征，分析比較反射率光譜、偏振度、反射率光譜與葉綠素濃度之間的關(guān)系。
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表1 基于偏振度比值P(530)/P(440)、反射率比值R(530)/R(440)的擬合結(jié)果分析

圖2 反射率、偏振度與濃度之間的相關(guān)系數(shù)曲線

3.1.1 實(shí)驗(yàn)水體葉綠素藍(lán)綠特征波段處偏振度、反射率光譜特性分析比較

在航空遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域常利用葉綠素在藍(lán)綠特征波段的光譜特性建立這兩個(gè)波段處反射率比值與葉綠素濃度之間的關(guān)系，為進(jìn)行反射率、偏振度光譜特性的比較，結(jié)合圖２的相關(guān)性分析結(jié)果，使用530nｍ、440nｍ 處偏振度比值P(530)/P(440)、反射率比值R(530)/R(440)分別與葉綠素濃度之間進(jìn)行回歸擬合分析，表１為基于幾種典型關(guān)系式的擬合結(jié)果。

由表１ 所示，基于偏振度比值P(530)/P(440)所建立的對(duì)數(shù)關(guān)系模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.947，如圖３（a）所示模型具有很高的擬合精度?；诜瓷渎时戎?/span>R(530)/R(440)所建立的指數(shù)關(guān)系模型的精度最高，其擬合結(jié)果如圖３（b）所示。

圖3 偏振度比值P(530)/P(440)、

反射率比值R(530)/R(440)隨葉綠素濃度的變化關(guān)系

可見(jiàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室配制的葉綠素水體，在葉綠素的藍(lán)綠特征波段處，基于反射率、偏振度光譜特性都能建立相關(guān)度很高的葉綠素濃度關(guān)系模型。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)水體葉綠素紅光特征波段處偏振度、反射率光譜特性分析比較

葉綠素水體在紅光波段的光譜曲線峰谷變化是含葉綠素水體最顯著的特征，眾多學(xué)者利用此特征波段范圍內(nèi)反射率峰谷的比值來(lái)建立葉綠素濃度的反演模型。結(jié)合上文的相關(guān)性分析結(jié)果，本文選用705/675特征波段處偏振度比值P(705)/P(675)、反射率比值R(705)/R(675)與葉綠素濃度之間進(jìn)行回歸擬合分析。表２為基于幾種典型關(guān)系式的擬合結(jié)果。

由表２，基于偏振度比值P(705)/P(675)的二次多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.981，模型具有很好的擬合精度，其擬合結(jié)果如圖４（a）所示；基于反射率比值R(705)/R(675)的冪函數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.947且模型具有很好的顯著性水平，其擬合結(jié)果如圖4（b）所示。

表2 基于偏振度比值P(705)/P(675)、反射率比值R(705)/R(675)的擬合結(jié)果分析

圖4 偏振度比值P(705)/P(675)、

反射率比值R(705)/R(675)隨葉綠素濃度的變化關(guān)系

2.2 巢湖水體的偏振特性定量分析

本文選用安徽境內(nèi)的巢湖作為代表來(lái)對(duì)典型內(nèi)陸湖泊的偏振光譜特性進(jìn)行分析。巢湖數(shù)據(jù)在不同的采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)獲得，在各樣點(diǎn)進(jìn)行反射與偏振光譜測(cè)量的同時(shí)對(duì)水質(zhì)樣本進(jìn)行同步采樣。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，葉綠素濃度隨采樣區(qū)域的不同變化明顯，各采樣點(diǎn)處的偏振度光譜如圖5所示。

比較上文實(shí)驗(yàn)水體的偏振度光譜曲線，由于巢湖水體其他光學(xué)活性物質(zhì)的影響，在葉綠素的藍(lán)綠特征波段處偏振度光譜的峰谷變化變得相對(duì)平緩，而在紅光波段范圍內(nèi)出現(xiàn)的特征峰谷變化仍然得到了比較好的保留。與實(shí)驗(yàn)水體的分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)，對(duì)復(fù)雜的巢湖水體采用相同的方法進(jìn)行分析。

圖5 巢湖水體不同采樣點(diǎn)偏振度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系

2.2.1 巢湖水體葉綠素藍(lán)綠特征波段處偏振度、反射率光譜特性分析比較

首先利用葉綠素530nｍ、440nｍ特征波段處偏振度比值P(530)/P(440)、反射率比值R(530)/R(440)與葉綠素濃度來(lái)進(jìn)行回歸分析。圖6（b）為反射率比值R(530)/R(440)隨葉綠素濃度的變化關(guān)系，由圖6可知，兩者之間并不存在明顯的相互關(guān)系；而基于偏振度比值P(530)/P(440)幾種典型關(guān)系式的擬合結(jié)果如表3所示。

表3 基于偏振度比值P(530)/P(440)擬合結(jié)果分析

由表３ 所示，基于偏振度比值P(530)/P(440)的冪函數(shù)關(guān)系模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.874，如圖６（a）所示，模型具有較高的擬合精度。

圖6 偏振度比值P(530)/P(440)、反射率比值R(530)/R(440)隨葉綠素濃度的變化關(guān)系

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，在組成復(fù)雜的巢湖水體條件下，基于葉綠素反射率光譜藍(lán)綠波段比值R(530)/R(440)進(jìn)行濃度反演的方法失去了可適用性；然而，基于偏振度比值犘P(530)/P(440)的方法仍能保持很好的可適用性。

2.2.2 巢湖水體葉綠素紅光特征波段處偏振度、反射率光譜特性分析比較

同樣的，在巢湖水體條件下利用葉綠素705nm、675nm特征波段處偏振度比值P(705)/P(675)、反射率比值R(705)/R(675)與葉綠素濃度之間進(jìn)行回歸擬合分析，表4為基于幾類(lèi)典型關(guān)系式的擬合結(jié)果。

表4 基于偏振度比值P(705)/P(675)、反射率比值R(705)/R(675)的擬合結(jié)果分析

圖4 偏振度比值P(705)/P(675)、

反射率比值R(705)/R(675)隨葉綠素濃度的變化關(guān)系

表4中，基于偏振度比值P(705)/P(675)的對(duì)數(shù)系數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，且模型具有很高的擬合精度，其擬合結(jié)果如圖7（a）所示?；诜瓷渎时戎?/span>R(705)/R(675)的指數(shù)關(guān)系函數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.964，模型具有高的擬合精度，其擬合結(jié)果如圖7（b）所示。

3 結(jié) 論

水體的反射率、偏振度光譜從強(qiáng)度與方向兩個(gè)側(cè)面描述了離水輻射所包含的水體水質(zhì)信息，在不同的特征波段處，兩者攜帶葉綠素濃度信息的光譜特性抵制其他成分干擾的能力存在差異性。本文分析討論的結(jié)果表明，當(dāng)所研究的水體環(huán)境由單一成分實(shí)驗(yàn)水體變?yōu)閺?fù)雜巢湖水體時(shí)，在葉綠素的紅光特征波段范圍內(nèi)，離水輻射的反射率、偏振度光譜都能較好地抵制其他光學(xué)活性物質(zhì)的干擾，對(duì)葉綠素的濃度反演效果保持了比較好的一致性；而在葉綠素的藍(lán)綠特征波段處，由于巢湖水體組分的復(fù)雜性，各類(lèi)光學(xué)活性物質(zhì)的反射率光譜相互重疊、相互影響，使得基于此特征波段處反射率光譜的反演方法失去了可適用性，而在相同的水體條件下，利用離水輻射的偏振度光譜仍能獲得具有相當(dāng)精度的葉綠素濃度反演模型，可見(jiàn)，在此波段范圍內(nèi)，偏振度光譜的抗干擾能力更強(qiáng)，能更好地保留葉綠素的濃度信息，在復(fù)雜的巢湖水體條件下仍保持了一定的可適用性。

本文通過(guò)分析比較簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)水體及復(fù)雜巢湖水體條件下利用反射率、偏振度光譜特性進(jìn)行葉綠素濃度反演的結(jié)果，論證了偏振度光譜用于水體水質(zhì)反演的有效性，對(duì)偏振度光譜與反射率光譜攜帶水體水質(zhì)信息能力的差異性進(jìn)行了討論。如何利用反射率、偏振度光譜的這種差異性，將離水輻射的強(qiáng)度、方向特性結(jié)合起來(lái)，從而豐富遙感所獲得的信息量，提高水體水質(zhì)的反演精度是需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。