焦岗湖沉水植被对水体反射光谱的影响

王杰，崔玉环，李健，王旦，王晟

(1.安徽大学 资源与环境工程学院，合肥 230601；2.安徽大学 湿地生态保护与修复安徽省重点实验室，合肥 230601；3.安徽农业大学 理学院，合肥 230036)

0 引言

近年，随着内陆湖泊水环境问题的突出，利用卫星遥感技术对湖泊水质状况开展实时监测的需求越来越迫切。水质遥感的核心问题就是建立水体表观反射率与水质参数间的关系，而水体表观反射率往往会受到水体生物、大气散射及水气界面折射等方面的干扰，进而降低了水体内部物质浓度的反演精度[1]。在内陆湖泊中存在着大量的光学浅水区，湖泊底质对水中太阳光线存在着一定的吸收或反射作用，对湖泊离水辐射信号产生了重要影响。

常见的湖泊底质类型有草型、淤泥型、岩石型以及混合型等，存在着不同的光学特性，导致光学浅水区水底反射光对湖泊离水辐射信号产生的影响存在明显差异[2-4]。与其他底质类型不同，草型底质属于波段选择性吸收与散射型，反射特性与波长的关系较为密切。已有研究表明，浅水湖泊沉水植被冠层对水体反射光谱的影响程度因冠层水下深度(简称冠层水深)、植被盖度、水体透明度及遥感波段而异[5-6]。

目前许多研究者利用遥感技术对Laurentian湖、太湖等浅水湖泊的沉水植被生长特征进行识别与监测[7-10]，并探究了水环境因素(如悬浮物、叶绿素a)对沉水植被冠层光谱特征的影响[11-12]。在太湖地区的研究发现，受到沉水植被生长高度、水质条件等因素的影响，草型湖泊底质反射对水面遥感反射率的影响程度存在较大的空间差异[13]。在海南新村港海草底质光学浅水区的光谱测试分析表明，水体反射光谱在550 nm处形成反射峰，随海水深度增加发生蓝移，随叶面积指数增加发生红移[14]。然而，针对内陆湖泊光学浅水区中沉水植被生长参数(冠层盖度、冠层水下深度)对水体表观反射光谱的影响机理还需要开展进一步的研究。

鉴于此，本文选择淮河流域焦岗湖为研究区，通过湖泊水体反射光谱、沉水植被生长参数的现场测定，结合水色要素的室内测定结果，探究湖底沉水植被生长状态对焦岗湖光学浅水区水体反射光谱的影响。开展该研究对提高内陆湖泊水质参数遥感反演精度、改进现有的沉水植被遥感信息提取算法具有重要理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

焦岗湖地跨安徽省淮南市凤台县与阜阳市颍上县，位于淮河干流北岸，平均水深为0.8 m，属于淮河流域的浅水型淡水湖泊，为国家级湿地公园、国家4A级旅游景区。该湖泊近似椭圆形，在平水期湖面面积为31.3 km2，东西长度为15 km，南北最宽距离为5 km。湖泊汇水总面积480 km2，纳颍上境的古沙河、老墩沟，凤台境的浊沟、花水涧来水，经湖区调蓄后，由便民沟经焦岗闸注入淮河。

湖中西部为养殖区，面积近13.0 km2，水体较为浑浊，悬浮物含量在80 mg/L左右，沉水植被生长较少；湖泊东部为非养殖区，水体较清澈，湖泊底质为淤泥，湖底沉水植被生长状况良好，优势物种为菹草，伴生物种为狐尾藻、金鱼藻、荇菜等，其盖度在冬季可达到80%～97%[15]。

1.2 水样采集与测试

本研究采样工作在2017年12月23—24日开展，天气晴朗无云，水面平静。由于焦岗湖沉水植被生长在湖泊非养殖区，光谱采样点主要分布在湖泊东南部菹草生长区，按照相近盖度不同冠层水深、相近冠层水深不同盖度的采样方案，共布设了10个沉水植被生长区水体光谱样点(L2～L11)。为与其他类型水体作比较，本文在淤泥底质型光学浅水区、光学深水区共布设了4个样点(L1、L12、L13、L14)，具体测定参数见表1。

表1 焦岗湖水体采样点实测参数

2 结果分析

2.1 无植被生长区水体光谱特征

与沉水植被生长区水体反射光谱作比较，本文在湖泊无植被生长区选择4个样点，实地测定了无植被生长区水体反射光谱。其中，L1、L12、L14为光学深水区样点，L13为光学浅水区样点。

由图1可看出，焦岗湖光学深水区水体呈现出典型的水体光谱特征，在可见光部分的绿波段0.58 um附近形成了明显的反射峰，在0.67 um处形成吸收谷，而在近红外波段反射率明显下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2个小的反射峰。由于焦岗湖水体中叶绿素含量介于14～26 ug/L，空间差异不明显(表1)，悬浮物含量成为影响光学深水区水体反射光谱的主要因素。即随着悬浮物含量的增加，在0.4～0.58 um水体光谱反射率呈减小的趋势，这与叶绿素对其吸收作用的影响有关，而在0.58～0.9 um光谱反射率呈增大的趋势，反映了近红外波段对悬浮物含量变化更为敏感。

图1 焦岗湖光学深水区水体反射光谱

本文测定了焦岗湖光学浅水区(L13)的水体表面及对应淤泥底质的反射光谱(图2)。受淤泥底质对入射太阳光线吸收作用的影响，无植被生长的光学浅水区水体反射光谱表现出不同于光学深水区的光谱特征，在可见光部分的红波段(0.58～0.71 um)有宽的反射峰，在近红外波段反射率下降，且在0.8 um处有小的反射峰。其中，焦岗湖光学浅水区在0.4～0.61 um光谱反射率要低于光学深水，而在0.61～0.9 um要高于光学深水，反射率最大差值达到0.04，出现在0.8 um附近。

图2 无植被生长光学浅水区水体反射光谱

由图中看出，无植被生长光学浅水区光谱反射率介于光学深水与淤泥底质反射光谱之间，这反映了湖泊淤泥底质对水体反射光谱的影响在不同的太阳光谱波段存在一定差异，在蓝绿波段以吸收作用为主，在红光、近红外波段以反射作用为主。

2.2 不同冠层盖度条件下的水体光谱特征

除了淤泥型底质，草型底质对湖泊光学浅水区水体反射光谱也有着一定的影响。本文根据焦岗湖菹草生长区的水体反射光谱(样点L2、L5、L6、L9、L10)，分析在同一冠层水深(20 cm)不同冠层盖度条件下的水体反射光谱特征。

图3显示了在同一冠层水深下不同盖度沉水植被生长的焦岗湖水体反射光谱曲线。从图中可以看出，在焦岗湖地区沉水植被生长的水体反射光谱特征与光学深水区(L1)光谱特征相似，在绿光波段0.58 um附近形成了明显的反射峰，在近红外波段反射率明显下降，在0.7 um、0.8 um附近形成了2个小的反射峰。然而，由于沉水植被冠层的选择性吸收作用[2]，可见光波段的反射率低于光学深水区光谱反射率，且随着沉水植被盖度的增大，水体光谱反射率整体呈增大的趋势，其中在0.45～0.7 um、0.8～0.9 um水体反射光谱对沉水植被盖度变化最为敏感。

图3 同一冠层水深不同植被盖度下水体反射光谱

2.3 不同冠层水深条件下的水体光谱特征

已有研究表明，沉水植被冠层水深也是影响湖泊光学浅水区水体反射光谱的重要因素[12，14，18]。本文测定了相同植被盖度(80%)不同冠层水深的水体反射光谱(样点L3、L4、L7、L8、L11)，分析冠层水深变化对光学浅水区水体反射光谱的影响。

由图4可以看出，在盖度相同的情况下，随着植被冠层水深的减少，沉水植被冠层逐渐接近水面，水体光谱反射率在可见光波段(0.4～0.7 um)呈显著增大的趋势，而在近红外波段(0.8～0.9 um)变化趋势不明显。当沉水植被冠层生长到水面时，水体反射光谱呈现出近似于陆生植被的反射光谱特征，反映了沉水植被冠层水深对焦岗湖水体反射光谱具有一定的贡献度，且其贡献度随着植被冠层水深的减少而增大。这与马荣华等[11]在太湖的东部湖湾区利用Hydrolight水体辐射传输模型模拟的研究结论相一致。

图4 相同盖度不同冠层水深下水体反射光谱

3 讨论

3.1 悬浮物浓度及透明度对光学浅水区水体反射光谱的影响

由于研究区水体叶绿素含量较低(表1)，悬浮物含量成为影响湖泊水体反射光谱的重要因素。本文通过分析光学浅水区水体悬浮物含量以及透明度与实测光谱反射率的关系，探究悬浮物含量、透明度对光学浅水区水体反射光谱的影响(图5)。

图5 水体悬浮物含量、透明度与水体光谱反射率的相关关系

由图5看出，在沉水植被生长的湖泊光学浅水区，悬浮物含量与水体光谱反射率总体呈正相关，但其相关性并不显著，相关系数最高仅达到0.4。这可能是由于沉水植被生长对水体悬浮物颗粒有着强烈吸附作用，导致悬浮物含量较低，相对于沉水植被冠层，悬浮物颗粒的散射作用对光学浅水区水体反射光谱特征的影响并不明显。

水体透明度与光谱反射率呈负相关关系，且在0.4～0.68 um二者间相关性显著，相关系数最大达到0.78左右。这是由于透明度能综合反映水体中悬浮物、叶绿素、CDOM等参数对水体光学性质的影响[5]，可以作为水体反射光谱的指示性指标。

3.2 底质类型对光学浅水区水体反射光谱的影响

在内陆湖泊光学浅水区，湖泊底质是影响水体反射光谱的重要因素，其反射特性对于水底反射光对水面遥感信号的贡献度有着显著的影响[19]。本文所研究的焦岗湖地区，湖泊底质包括淤泥型与草型这2种类型。为探究草型底质对水体反射反射光谱的影响，本研究根据湖泊水体样点L12(光学深水)、L13(淤泥底质光学浅水)、L4(草型底质光学浅水)光谱测定结果，比较并分析不同湖泊底质及光学深水区水体反射光谱特征(图6)。

图6 不同湖泊底质类型水体反射光谱

图6显示了焦岗湖不同底质类型的光学浅水区以及光学深水区水体反射光谱特征。从图中可看出，淤泥型底质、草型底质对水体反射光谱的影响存在着明显差异。在可见光波段0.4～0.6 um，淤泥型底质、草型底质水体反射率均小于湖泊光学深水区，这说明2种类型底质在可见光波段对水体入射光线具有吸收作用，但草型底质的吸收作用明显强于淤泥型底质；在0.6～0.9 um波谱范围内，湖泊光学深水区水体反射率高于草型底质水体，低于淤泥型底质水体，最大反射率差值位于0.7 um附近，这反映了草型底质对水体入射光线的选择性吸收作用，而淤泥型底质则具有较强的反射作用。以上结论在Mobley、周冠华等的研究[2-3]中也得以证实。

3.3 沉水植被生长对光学浅水反射光谱的影响

为进一步分析沉水植被生长对光学浅水区水体反射光谱的影响，本研究分析沉水植被盖度、冠层水深与水体光谱反射率的关系，探究沉水植被盖度、冠层水深对水体反射光谱的影响(图7)。

图7 沉水植被盖度、冠层水深与水体光谱反射率的相关关系

从图7看出，在草型底质湖泊光学浅水区，沉水植被盖度、冠层水深均对水体光谱反射率存在一定的影响。其中，在相同冠层水深条件下，沉水植被盖度与水体光谱反射率呈正相关，在0.67 um附近相关系数达到0.81；在相同植被盖度情况下，随着冠层水深的减小，水体光谱反射率呈增加的趋势，在0.7～0.9 um处相关系数较高，最大值达到0.78左右。这反映了焦岗湖沉水植被冠层对入射太阳光具有一定的透射与折射作用[20]，即随着植被盖度增大或者冠层水深的减少，沉水植被冠层对太阳光的透射与折射作用加强，其对水体反射光谱的贡献度增加，进而导致水体光谱反射率的增大。

3.4 构建光学浅水区水体光谱综合模型

在沉水植被生长的湖泊光学浅水区，水体反射光谱受水体悬浮物含量、叶绿素含量、沉水植被生长参数、底质类型等因素综合作用的影响。本文基于电磁波与水体相互作用的辐射传输理论，在Lee等[21]提出的生物光学模型基础上，构建了适用于光学浅水沉水植被生长区的水体反射光谱综合模型。该模型将水体离水辐射信号分解为来自水体自身散射、底质反射两部分(式(1))。

(1)

(2)

(3)

ρ(λ)=F(T，FC，R，λ)

(4)

4 结束语

本文根据2017年冬季淮河流域焦岗湖光学浅水区水体反射光谱与沉水植被生长参数的实测数据，结合采样点水质参数实验室测定，探究沉水植被生长参数对浅水型湖泊光学浅水区水体反射光谱特征的影响，初步得出以下结论：

①在无沉水植被生长区，焦岗湖光学浅水区水体反射光谱介于淤泥底质与光学深水之间，在可见光波段光谱反射率要低于光学深水，而在近红外波段要高于光学深水，反射率最大差值出现在0.8 um附近，反映了湖泊淤泥底质对水体光谱反射率的影响在不同光谱通道存在明显差异。

②不同湖泊底质类型对水体反射光谱的影响存在明显差异。在可见光波段，草型与淤泥型底质对水体入射光线都具有吸收作用，草型底质的吸收作用明显强于淤泥型底质；在近红外波段，草型底质、淤泥型底质对水体入射光线具有一定的反射作用，淤泥型底质的反射作用明显强于草型底质。

③在沉水植被生长区，焦岗湖光学浅水区水体反射光谱特征与光学深水区相似，但整体光谱反射率低于光学深水区，沉水植被盖度、冠层水深均对水体反射光谱存在影响。植被盖度与水体光谱反射率呈正相关，在0.67 um附近相关性达到最高；冠层水深与水体光谱反射率呈负相关，在0.88 um处相关性最高。这反映了沉水植被冠层对入射太阳光具有一定的反射作用，随着植被盖度的增大或者冠层水深的减少，沉水植被冠层在近红外波段反射作用对水体反射光谱的贡献度增大，导致水体反射光谱的增大。

本文根据淮河流域焦岗湖实测光谱数据探究了沉水植物菹草生长对光学浅水区水体反射光谱特征的影响规律。然而，湖泊沉水植被对水体反射光谱的影响规律因沉水植物优势群落类型以及水体自身环境(如悬浮物浓度、叶绿素含量)的不同可能会存在一定的差异[2，11，18]，因此这些因素对湖泊光学浅水区反射光谱所产生的影响还有待于进一步的研究。