基于资源一号02D高光谱数据在闽江流域福州段的叶绿素a反演
数据与方法
1 研究区概况及数据获取
闽江是福建最大的水系，发源于武夷山脉，从水口镇流入福州境内，因南台岛分为南、北2港，北港穿过福州市区至马尾港区，河宽一般为300～600 m。研究区从闽侯竹岐乡至马尾青州段，涵盖闽江北港，总长为52 km，面积约为50 km2。根据工作部署，在2022年8月8日，采用星地同步的方式，获取了资源一号02D卫星高光谱影像和闽江50 个水质样品，采样间隔约1 000 m（图1）。在实际采样过程中，根据河流分汊和排污口分布进行相应调整，选择交汇处下游50 m内采样，以增大水质变化的强度。
图1 研究区工作范围高光谱图
2 大气校正
此次研究大气校正采用 ENVI 软件的 FLAASH Atmospheric Correction 模 块，FLAASH 大 气 校正是最常见、使用较多、精度较好的大气校正方法，是一个从高光谱亮度影像提取波谱反射率的大气校正模拟工具，可精确地弥补大气效应，嵌入 MODTRAN 4 辐射传输代码，可以为影像选择标准MODTRAN 模型大气和气溶胶类型进行大气校正。
3 遥感反射率计算
通常认为，影像中短波红外的反射率是由于天空光的影响，故将其反射率用于天空光的去除，获得遥感反射率。研究选择了基于影像的遥感反射率近似估计方法进行计算，公式如下：
R crs(λ)=ρ(λ)/π （1）
式中：R crs(λ) 为影像上近似估计的遥感反射率，ρ(λ) 为地表反射率。
4 光谱特征分析
通过分析50个采样点的光谱曲线可以发现（图2），波长在 395 ～ 500 nm 范围内，由于叶绿素 a和黄色物质的强吸收，水体的反射整体较低。在波长 585 nm 附近，叶绿素 a 和胡萝卜素弱吸收，加上细胞散射作用的影响，出现反射峰，该反射峰值与色素组成关系密切，可作为叶绿素a的定量标志。在波长 688 nm 附近，由于藻类叶绿素 a 对红光的强烈吸收作用，出现波谷。在波长 705 nm 存在一个明显的反射峰，一般认为是叶绿素 a 的荧光峰，它是含藻类水体最显著的光谱特征，是判断水体中是否有藻类叶绿素的重要标志。在波长 705 nm 后吸收系数不断增大，水体的光谱反射率迅速降低，至 731 nm 附近出现波谷。748 nm 之后出现明显反射峰。至 765 nm 左右触底，并在 782 ～ 800 nm 出现一个弱反射峰，该反射峰是由于悬浮物的散射形成的，随着水体中悬浮物含量的增加，该反射峰的位置向长波方向移动，出现“红移现象”，这与王艳姣等在水池中做的研究一致。在波长 900 nm以后随着波长增大，曲线趋向缓和。
图2 50 个采样点地表反射率与光谱曲线图
5 光谱归一化处理
采用包络线去除的方法实现光谱反射率的归一化，是一种比较常见、有效的光谱特征增强处理方法。将光谱反射率归一化为 0 到 1，光谱的吸收特征也归一化到一致的光谱背景上，有利于与其他光谱曲线进行特征数值的比较，从而提取特征波段以供分类识别。
反演结果
基于 B35-B38-B40 三波段最优模型，对闽江流域福州段进行资源一号 02D 高光谱影像叶绿素 a浓度反演，得到叶绿素 a 浓度分布图（图 3），其总体上呈现低 - 高 - 低的特点：金水湖上游叶绿素 a 含量最低，小于 30 μg/L，水质较好；金水湖中游叶绿素a出现异常高值，但由于汇入闽江的小目溪水面窄且浅，参照历年卫星影像，此溪经常处于断流或半断流的状态，对闽江水质影响不大，仅提高20 μg/L左右；金水湖下游随着居民区增多，叶绿素a浓度逐渐升高，至荆溪段，由于荆溪的富营养化，溪流的汇入导致闽江叶绿素a浓度发生剧烈变化，但因不远处即为闽江分汊口，主航道变为乌龙江，流速呈南快北慢的特点，异常的叶绿素 a随水流南移，对闽江北港的影响有限；分汊口至洪山大桥段，水质较为稳定，浓度为50～100 μg/L。 其后突然升高，水面可见较多的白色泡沫，浓度在100 ～ 200 μg/L，多数超过 150 μg/L，持续到尤溪洲大桥附近，长约为 5 km。且在 2021 年 1 月 25日影像图上，仍可见泡沫，说明此问题在较长时间一直存在，但未见明显汇入水系或排污口，该地处于西区水厂取水口附近，亦是水源保护区，应当引起重视；过尤溪洲大桥后，叶绿素 a 浓度一直呈下降趋势，至马尾段叶绿素 a 浓度降至 30 μg/L 以下；从反演结果来看，福州最大的内河——晋安河的汇入对闽江北港水质没有造成负担，且叶绿素 a浓度要远低于闽江北港。
图3 研究区叶绿素 a 浓度反演图
