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在水色遥感技术研究中,长期研究的重点是海洋、湖泊、河流等处于自然环境中的水体,对于它们的光学特性人们已经有了较深入的了解。然而,城市水体的光学特性却少有学者进行研究,原因有两点:一是水色遥感发展之初遥感器的空间分辨率不足够高,而城市水体的面积一般较小,在遥感图像上占据的像元数量有限;二是城市水体在有关部门管理之下,其水质的变化不大,水体中物质相对单一。随着高空间、高光谱分辨率遥感技术的发展和数据的不断普及,以及人们也越来越关注身边的环境生态,城市水体遥感也逐渐成为内陆水色遥感的一个重要方面。
作为城市生态系统的重要组成部分,城市水体与人类生活有着密切的关系,水环境问题在城市水体中的出现应该受到重视。本文以北京市典型的城市湖泊奥海和昆明湖为研究对象,分别于2011年9月及2012年4月在奥海及昆明湖进行了水样采集和光吸收特性研究。9月代表藻类植物大量存在和即将进入消亡的过渡季节,而4月是浮游植物经过冬季的休眠期后开始生长的季节。
水体各组分吸收系数测量准确与否将直接影响分析模型的精度,因而实验室测量工作是本研究的基础与核心。文中首先介绍了水体各组分吸收系数及叶绿素a、悬浮颗粒物浓度的样品制备与测量方法,并根据实验室的实际情况对已有方法进行了改进。
有色可溶性有机物(CDOM)与颗粒物吸收系数是水体固有光学量的重要组成。CDOM吸收系数随波长增加呈现出指数衰减的规律,指数斜率的季节差异明显。CDOM吸收系数的时间和空间差异都不明显,这与自然湖泊的情况大相径庭,其原因与湖泊中CDOM以陆源为主有关。
除去440nm和675nm的吸收峰,总颗粒物吸收系数随波长增加大致呈下降趋势,奥海总颗粒物吸收大于昆明湖,但季节性差异都不大。非藻类颗粒物吸收光谱形状与CDOM相似。两个湖泊菲藻类颗粒物吸收系数对季节变化并不敏感;奥海非藻类颗粒物吸收系数空间差异明显,昆明湖则很小。藻类颗粒物440nm与675nm吸收系数与叶绿素a浓度间的线性关系显著,证明了这两个波长处的强吸收与叶绿素a有关。藻类颗粒物吸收系数秋春差异不大,而空间分布呈现明显的规律性:奥海由西向东逐渐升高,昆明湖由北向南逐渐升高。
纯水、藻类颗粒物、非藻类颗粒物与CDOM的吸收特性共同决定了水体总吸收光谱的形状。水体各组分在不同波段、不同季节对湖水总吸收的贡献情况不同。总体来看,奥海各组分吸收贡献率排序是藻类颗粒物>CDOM>非藻类颗粒物>纯水,昆明湖各组分吸收贡献率排序是藻类颗粒物>CDOM>纯水>非藻类颗粒物。
本文的研究成果将为进一步认识城市水体光学特性提供实测数据与研究范例,并为遥感监测城市水体打下基础。