湖泊富营养化的偏振高光谱遥感监测机理研究

湖泊水体组成上的复杂性及其浅水湖底反射的干扰，使得目前基于辐射光谱的遥感方法面临着信息量不足、难以建立有效水质反演模型的困难。充分利用湖泊水体辐射的偏振光谱与辐射光谱，显然比仅靠辐射光谱更具克服复杂条件的能力。然而，对于湖泊水体相对较弱的偏振信息与湖底反射存在圆偏振信息的状况，目前的偏振探测方式存在很大局限，一是难以高精度获取偏振高光谱，二是不能获取圆偏振光谱，这也是导致湖泊水质偏振遥感探测研究进展缓慢的重要原因。.本项目在研究过程中，将从水体污染物发光机理出发，深入研究湖泊水体组分和水底反射的光谱学机理，充分掌握水体污染物辐射光谱和偏振光谱特性及其相互影响的规律。同时借助我们在国家863计划支持下完成的辐射与偏振高光谱同时获取技术，高精度地同时获取线偏振高光谱、圆偏振高光谱和辐射高光谱信息。在此基础上，摆脱目前仅依赖辐射光谱信息的局限，建立基于辐射光谱与偏振光谱的湖泊水质遥感反演模型。

湖泊水体成分复杂性及其成分间的相互作用，极大影响了湖泊富营养化遥感模型的够建，从而使得至今还难以形成有效的湖泊富营养化遥感监测技术。本项目从偏振高光谱遥感监测机理入手，通过对湖泊偏振高光谱辐射特性研究，探索偏振高光谱在湖泊遥感上的作用，力求为湖泊富营养化遥感技术的突破提供理论支持。. 项目执行过程中，针对研究目标的需求，完成了系列基础工作和关键难点攻关。在基础工作方面，对偏振光谱仪进行了改造和定标研究，保证了仪器测量能力和测量精度，以适应项目实验的需求；结合模拟计算和湖泊水体辐射特点的分析，设计了实验室水体配制、测量和湖泊实地测量的方法，保证了实验数据的可靠性；开展了水面偏振测量的耀斑剥离方法研究，避免了水体测量上的反射光干扰；对水体测量的光谱进行了优化处理方法研究，这些方法在降低环境影响的同时，突出了水体辐射的强度光谱和偏振光谱特征，提高了特征光谱选择的质量。在关键难点攻关方面，通过对实验配制水样、巢湖实际水体实验与分析，发现了一些偏振波段组合，在建立偏振光谱与浓度关系上具有较强的抗环境干扰能力，这一发现在推动湖泊富营养化遥感具有重要作用；针对水体场地为单点测量而遥感为面探测的技术上差异，项目引入了地统计学中克里格方法，通过考虑样本点的形状、大小和空间方位上与未知样点相互关系，在单点测量向区域面拓展方面进行了探索，为进行水面测量与遥感观测关系的建立进行了有效尝试。. 项目在机理性研究方面取得了较为重要的结果，发现了一些偏振波段在湖泊复杂水体中对环境较强的抗干扰能力，主要体现在：第一，对于泥沙，560nm和520nm的偏振度比值，在实验室配制的单一水体和巢湖复杂水体条件下，都具有良好的函数关系，而反射率比值只在实验水体具有良好的函数关系，在巢湖水体则杂乱无章；第二，对于叶绿素，530nm和440nm的偏振度比值，在实验水体和巢湖水体条件下，都具有良好的函数关系，而反射率比值只在实验水体中具有良好函数关系，在巢湖条件下，则杂乱无章；第三，对于叶绿素，705nm和675nm的偏振度比值与反射率比值，在实验室水体和巢湖水体条件下，都具有良好的函数关系。这些结果与近期国外文献如以色列Amit的模拟结果，即关于偏振光在水体中传输时具有较强抗干扰能力的结论相一致。