湖泊(bo)藻(zao)華與(yu)葉綠素濃(nong)度(du)評估

湖泊(bo)藻(zao)華與(yu)葉綠素濃(nong)度(du)評估

監測湖泊(bo)中(zhong)的藻華和(he)葉綠素a（Chl-a）濃(nong)度(du)，對於富(fu)營(ying)養化治理(li)、飲用水(shui)源(yuan)保(bao)護及生(sheng)態系統(tong)健(jian)康評估至關(guan)重要(yao)。藍藻大(da)量繁殖(zhi)時(shi)會(hui)產生(sheng)有害(hai)毒(du)素(su)，進而(er)對飲用水(shui)供應和(he)水(shui)生(sheng)生(sheng)物(wu)構(gou)成(cheng)威(wei)脅。因(yin)此(ci)，對作(zuo)為(wei)藻(zao)類(lei)生(sheng)物(wu)量替代指標的葉綠素a進行(xing)準(zhun)確、空(kong)間連續的監測，是(shi)環境(jing)管(guan)理(li)和(he)水(shui)質(zhi)建(jian)模(mo)的關(guan)鍵。傳統(tong)的現(xian)場采(cai)樣(yang)方法(fa)能(neng)提供精(jing)確的點(dian)測量數(shu)據(ju)，但(dan)空(kong)間覆蓋稀(xi)疏(shu)且(qie)耗(hao)費(fei)人(ren)力(li)。相(xiang)比之下，遙感(gan)技術可實(shi)現(xian)大(da)範(fan)圍(wei)、可重(zhong)復(fu)且(qie)可擴(kuo)展的(de)評估。在各(ge)類遙感(gan)技術中，高光譜(pu)成像(xiang)能(neng)提供最詳盡的光譜(pu)信息(xi)，即(ji)便(bian)在光學特性(xing)復(fu)雜(za)的內(nei)陸(lu)水(shui)域(yu)，也(ye)能(neng)可靠(kao)區(qu)分藻類色(se)素並(bing)估算葉綠素濃(nong)度(du)。

高光譜(pu)成像(xiang)（HSI）能(neng)夠對水(shui)質(zhi)參(can)數(shu)進行(xing)跨(kua)空(kong)間和(he)時(shi)間的詳細光譜(pu)表征(zheng)。

本文(wen)聚(ju)焦(jiao)於(yu)地面(mian)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)系統(tong)，該系統(tong)可對湖泊(bo)和(he)水(shui)庫進行(xing)高(gao)分辨(bian)率(lv)、靈活且(qie)經濟高效的監測。通過在(zai)近(jin)水(shui)面(mian)的(de)固定或移動(dong)平(ping)臺(tai)（如(ru)碼(ma)頭(tou)、監測塔或船只）上運行(xing)，地面(mian)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)tian補(bu)了(le)原(yuan)位測量與(yu)航(hang)空(kong)/衛(wei)星(xing)觀測之間的空(kong)白(bai)。

高光譜(pu)遙感(gan)原(yuan)理

高光譜(pu)傳感(gan)器可獲(huo)取(qu)400–1000納米的可見(jian)光至近紅外(wai)波段範(fan)圍(wei)內(nei)、數(shu)百個(ge)連續的窄(zhai)光譜(pu)波段（通常帶(dai)寬(kuan)為(wei)2–10納米）的反(fan)射率數(shu)據(ju)。這(zhe)種精(jing)細的光譜(pu)分辨(bian)率(lv)能(neng)夠精(jing)確識(shi)別(bie)與(yu)色(se)素、懸(xuan)浮(fu)物(wu)及溶(rong)解(jie)性(xing)有機(ji)物(wu)質相(xiang)關(guan)的細微吸(xi)收(shou)和(he)散射(she)特(te)征。

湖泊(bo)水(shui)體(ti)的(de)上行(xing)離(li)水(shui)反(fan)射光譜(pu)是(shi)壹(yi)種復(fu)合(he)信號，受多(duo)種因(yin)素(su)影(ying)響，包(bao)括：

l                      葉綠素 a 及輔助色(se)素（如(ru)藻(zao)藍蛋(dan)白、類(lei)胡蘿(luo)蔔素）的吸收(shou)作(zuo)用

l                      懸(xuan)浮(fu)沈積物(wu)和(he)浮(fu)遊(you)植(zhi)物(wu)的後(hou)向散(san)射作(zuo)用

l                      有色(se)溶(rong)解(jie)性(xing)有機(ji)物(wu)質（CDOM）的吸收作(zuo)用

l                      葉綠素在(zai) 681 納米附(fu)近(jin)的熒(ying)光發射

地面(mian)系統(tong)能(neng)夠以ji高的(de)信噪(zao)比（SNR）解(jie)析(xi)這(zhe)些(xie)精(jing)細尺(chi)度(du)特征(zheng)，使(shi)其成為(wei)校(xiao)準(zhun)與(yu)驗證研究(jiu)的理(li)想選(xuan)擇。

地面(mian)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)的優(you)勢(shi)

l                      可控(kong)觀測幾何(he)

地面(mian)系統(tong)（安裝在碼(ma)頭(tou)、船只或三(san)腳(jiao)架上）可對觀測角度(du)和(he)光照角(jiao)度(du)進行(xing)精(jing)確控(kong)制，最大(da)限(xian)度(du)減(jian)少鏡面(mian)反(fan)射和(he)鄰域(yu)效應。

l                      高時(shi)空(kong)分辨(bian)率(lv)

可捕(bu)捉厘(li)米至(zhi)米尺(chi)度(du)的局部(bu)藻(zao)華(hua)斑(ban)塊或梯(ti)度(du)變化。

重復(fu)采集(ji)（分鐘(zhong)至(zhi)小時(shi)級）能(neng)夠對藻華(hua)演變進行(xing)時(shi)間序列(lie)分析(xi)。

l                      與(yu)原(yuan)位測量直(zhi)接對準(zhun)

可輕(qing)松(song)與(yu)水(shui)樣(yang)采集(ji)（葉綠素 a、藻(zao)藍蛋(dan)白、總(zong)懸(xuan)浮(fu)固體（TSM）、有色(se)溶(rong)解(jie)性(xing)有機(ji)物(wu)質（CDOM）結(jie)合(he)。

有助(zhu)於衛(wei)星(xing)或無人(ren)機(ji)應用的算法驗證。

l                      成(cheng)本效益(yi)與(yu)易(yi)獲(huo)取(qu)性(xing)

避(bi)免飛(fei)機(ji)成本、飛行(xing)後(hou)勤和(he)空(kong)域(yu)許(xu)可問題。

適(shi)用於連續或半永(yong)jiu監測站。

l                      光譜(pu)配置(zhi)的靈活性

便(bian)攜(xie)式(shi)光譜(pu)儀或高光譜(pu)相(xiang)機(ji)可根據目(mu)標色(se)素調整至(zhi)可見(jian)光或可見(jian) - 近(jin)紅(hong)外（VNIR）波段範(fan)圍(wei)。

地面(mian)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)系統(tong)配置(zhi)

²                      典型組件

l                      高光譜(pu)相(xiang)機(ji)（推(tui)掃式(shi)）

l                      穩(wen)定安裝平(ping)臺(tai)（三(san)腳(jiao)架、雲臺(tai)或萬(wan)向節）

l                      校(xiao)準(zhun)附(fu)件(jian)（Spectralon 板、用於輻射定標的參(can)考燈(deng)）

l                      帶(dai) GPS / 時(shi)間標記(ji)的數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)計算(suan)機(ji)

l                      可選(xuan)的(de)下行(xing)輻照度(du)輻射傳(chuan)感(gan)器（用於計算(suan)反(fan)射率）

²                      安裝選項

l                      固定站(zhan)點：安裝在碼(ma)頭(tou)、監測塔或橋梁上(shang)，用於重復測量

l                      移(yi)動(dong)平(ping)臺(tai)：搭載(zai)在船只或浮(fu)筏(fa)上，對湖泊(bo)斷(duan)面(mian)進行(xing)掃描(miao)

l                      掃描(miao)設置：水(shui)平(ping)掃描(miao)湖泊(bo)的(de)部(bu)分區域(yu)，以生(sheng)成高(gao)光譜(pu)鑲嵌圖(tu)

藻類(lei)和(he)葉綠素檢(jian)測的關(guan)鍵光譜(pu)特征(zheng)

高(gao)光譜(pu)成像(xiang)在內(nei)陸(lu)水(shui)域(yu)的(de)優(you)勢(shi)

l                      增(zeng)強色(se)素鑒(jian)別(bie)能(neng)力(li)

高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)可解(jie)析(xi)窄(zhai)吸收(shou)特(te)征(zheng)（例如(ru)藻(zao)藍蛋(dan)白的(de) 620 納米吸收峰），從而(er)實(shi)現(xian)藍藻與(yu)綠(lv)藻的區分。

l                      提升(sheng)葉綠素定量(liang)精(jing)度(du)

窄(zhai)波段指數(shu)可捕(bu)捉細微的(de)紅(hong)邊(bian)偏移，能(neng)夠在貧營養和(he)富(fu)營(ying)養水(shui)體(ti)中(zhong)均實(shi)現(xian)葉綠素估算。

l                      算法設(she)計靈活性

用戶可調整自定義(yi)波段組合，或應用半分析(xi)模(mo)型，不受限(xian)於固定的(de)多光譜(pu)波段。

l                      跨傳(chuan)感(gan)器可遷(qian)移性與(yu)機(ji)器學習(xi)訓(xun)練(lian)

高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)集(ji)支(zhi)持(chi)機(ji)器學習(xi)模(mo)型（如(ru)隨(sui)機(ji)森林（RF）、ji端梯(ti)度(du)提升(sheng)（XGB）、卷積神經網絡(luo)（CNN））的開(kai)發，這些(xie)模(mo)型可在(zai)不(bu)同(tong)湖泊(bo)和(he)季(ji)節間泛(fan)化。

l                      前瞻(zhan)性(xing)

新(xin)的衛(wei)星(xing)任務(wu)（PRISMA、DESIS、EnMAP、CHIME）和(he)航(hang)空(kong)傳(chuan)感(gan)器確保了(le)數(shu)據(ju)的(de)連續性和(he)全(quan)球覆(fu)蓋。

現(xian)場實(shi)施示(shi)例

實(shi)際部(bu)署(shu)可包(bao)括以下環節：

l                      壹臺(tai) ClydeHSI VNIR-S 相(xiang)機(ji)（波段範(fan)圍(wei) 400–1000 納米，光譜(pu)分辨(bian)率(lv) 5 納米）安裝在俯瞰(kan)湖泊(bo)的(de)碼(ma)頭(tou)

l                      白天時(shi)段每 30 分鐘(zhong)進行(xing)壹(yi)次(ci)周(zhou)期(qi)性(xing)成像(xiang)

l                      同(tong)步(bu)采(cai)集(ji)水(shui)樣(yang)，用於測定葉綠素 a（Chl-a）、藻(zao)藍蛋(dan)白（PC）和(he)總懸(xuan)浮(fu)固體（TSM）

l                      使(shi)用反(fan)射率 99% 的(de) Spectralon 板進行(xing)校(xiao)準(zhun)

l                      處(chu)理數(shu)據(ju)以繪(hui)制近岸(an)區(qu)葉綠素 a 分布地圖(tu)，分辨(bian)率(lv)約(yue)為(wei) 10 厘(li)米。

此(ci)類(lei)系統(tong)可探(tan)測藻華(hua)的早(zao)期(qi)發(fa)生(sheng)、追蹤(zong)色(se)素的(de)日(ri)變(bian)化，並為(wei)衛(wei)星(xing)算法驗證提供真(zhen)實(shi)的地面(mian)數(shu)據(ju)。

高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)使(shi)用流(liu)程(cheng)

l                      數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)

獲(huo)取(qu)高(gao)光譜(pu)影(ying)像(xiang)（例如(ru) PRISMA、DESIS、EnMAP 衛(wei)星(xing)或航(hang)空(kong)影(ying)像(xiang)）

確保采(cai)集(ji)時(shi)間與(yu)用於校(xiao)準(zhun)的野(ye)外(wai)采(cai)樣(yang)時(shi)間同(tong)步(bu)

l                      預(yu)處(chu)理

進行(xing)輻射定標和(he)大(da)氣校(xiao)正(zheng)，以推(tui)導離(li)水(shui)反(fan)射率（ρw 或 Rrs）

執行(xing)耀(yao)光和(he)鄰近效應校(xiao)正(zheng)（對小型湖泊(bo)至(zhi)關(guan)重要(yao)）

l                      光譜(pu)分析(xi)

使(shi)用感(gan)興(xing)趣(qu)區(qu)域(yu)（ROI）掩膜(mo)或 shapefile 提取(qu)水(shui)體(ti)像(xiang)素的(de)光譜(pu)

計算(suan)光譜(pu)指數(shu)（例(li)如(ru) NDCI、MCI、藻(zao)藍蛋(dan)白（PC）比(bi)值(zhi)）

可選(xuan)步(bu)驟(zhou)：進行(xing)導數(shu)分析(xi)或連續統(tong)去除(chu)，以增(zeng)強光譜(pu)特征(zheng)

l                      算法(fa)應用

應用基於本地野(ye)外(wai)數(shu)據(ju)訓(xun)練(lian)的優化經驗模(mo)型或機(ji)器學習(xi)回(hui)歸(gui)模(mo)型

生(sheng)成葉綠素和(he) / 或藻藍蛋(dan)白濃(nong)度(du)分布圖

l                      驗證與(yu)校(xiao)準(zhun)

將衛(wei)星(xing)反(fan)演的濃(nong)度(du)與(yu)原(yuan)位葉綠素 a 數(shu)據(ju)進行(xing)對比

使(shi)用均方根誤差(cha)（RMSE）、偏差(cha)和(he)決(jue)定系數(shu)（R²）評估精(jing)度(du)

l                      輸(shu)出(chu)

生(sheng)成葉綠素 a 和(he)藻藍蛋(dan)白（PC）濃(nong)度(du)的地理(li)參(can)考地圖(tu)識(shi)別(bie)藻(zao)華區域(yu)及其時(shi)間變化，為(wei)管(guan)理(li)應對提供支(zhi)持(chi)

示(shi)例：高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)在(zai)湖泊(bo)葉綠素估算中的應用

1. 從湖泊(bo)區(qu)域(yu)的(de)高(gao)光譜(pu)影(ying)像(xiang)中提取(qu)反(fan)射光譜(pu)

2. 為(wei)每個(ge)像(xiang)素計算(suan)歸(gui)壹化葉綠素指數(shu)（NDCI）或三(san)波段紅邊(bian)指數(shu)

3. 利用基於野(ye)外(wai)數(shu)據(ju)得出的回(hui)歸(gui)系數(shu)，將指數(shu)值(zhi)轉換(huan)為(wei)葉綠素 a 濃(nong)度(du)

4. 可視(shi)化空(kong)間分布，以識(shi)別(bie)藻(zao)華強度(du)區域(yu)

這(zhe)yi流(liu)程(cheng)可實(shi)現(xian)對藻華(hua)動(dong)態的(de)近實(shi)時(shi)監測，並有助(zhu)於與(yu)水(shui)動(dong)力(li)模(mo)型或水(shui)質(zhi)模(mo)型進行(xing)整合(he)。

可選(xuan)：基(ji)於(yu)無人(ren)機(ji)的高(gao)光譜(pu)成像(xiang)系統(tong)

若需(xu)要(yao)覆蓋(gai)更(geng)大(da)的湖泊(bo)區(qu)域(yu)，無(wu)人(ren)機(ji)（UAV）高光譜(pu)系統(tong)可提供壹種靈活的中(zhong)間解決(jue)方案(an)

。搭載(zai)在無人(ren)機(ji)上的(de)現(xian)代輕(qing)量化推(tui)掃式(shi)或快照式(shi)相(xiang)機(ji)（例如(ru) Headwall Nano-Hyperspec、

Cubert UHD）能(neng)夠：

l                      獲(huo)取(qu)厘(li)米級(ji)分辨(bian)率(lv)的(de)光譜(pu)數(shu)據(ju)

l                      在(zai)數(shu)分鐘(zhong)內(nei)覆蓋(gai)整個(ge)湖泊(bo)表(biao)面

l                      支(zhi)持(chi)與(yu)地基(ji)系統(tong)相(xiang)同(tong)的(de)校(xiao)準(zhun)和(he)處(chu)理流(liu)程(cheng)

然而(er)，無(wu)人(ren)機(ji)作(zuo)業(ye)需(xu)要(yao)獲(huo)得空(kong)域(yu)許(xu)可、保(bao)證光照穩(wen)定，並(bing)進行(xing)精(jing)確的輻射定標，以確保結(jie)果(guo)的(de)定量(liang)性。

地基(ji)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)為(wei)湖泊(bo)水(shui)質(zhi)監測提供了(le)壹(yi)種強大(da)、靈活且(qie)經濟高效的方法(fa)。高(gao)光譜(pu)成像(xiang)為(wei)監測湖泊(bo)中(zhong)的藻華和(he)葉綠素動(dong)態提供了(le)壹(yi)種定量(liang)、光譜(pu)信息(xi)豐(feng)富(fu)且(qie)可擴(kuo)展的(de)解決(jue)方案(an)。其窄(zhai)波段數(shu)據(ju)能(neng)夠捕捉到(dao)多光譜(pu)系統(tong)所遺漏的關(guan)鍵色(se)素吸(xi)收(shou)和(he)散射(she)特(te)征，從而(er)實(shi)現(xian)對藻類(lei)生(sheng)物(wu)量和(he)藍藻活動(dong)的精(jing)準(zhun)檢(jian)測。

主(zhu)要(yao)優勢(shi)包(bao)括：

l                      高(gao)時(shi)間分辨(bian)率(lv)和(he)局部(bu)區(qu)域(yu)的(de)準(zhun)確性

l                      可直(zhi)接驗證生(sheng)物(wu)光學模型和(he)機(ji)器學習(xi)模(mo)型

l                      適用於長期(qi)部(bu)署(shu)或自動(dong)化部(bu)署(shu)

l                      具有與(yu)無(wu)人(ren)機(ji)（UAV）和(he)衛(wei)星(xing)系統(tong)整合(he)的(de)潛(qian)力(li)

通過聚(ju)焦(jiao)地基(ji)地基(ji)高(gao)光譜(pu)觀測，研究(jiu)人(ren)員(yuan)和(he)管理(li)人(ren)員(yuan)能(neng)夠建(jian)立(li)連續、定量(liang)的色(se)素監測框架，為(wei)有害(hai)藻華(hua)預(yu)警(jing)系統(tong)提供支(zhi)持(chi)，並(bing)為(wei)更(geng)廣(guang)泛(fan)的遙感(gan)網(wang)絡提供可靠(kao)的(de)校(xiao)準(zhun)依(yi)據。