浅海水体水质与光学指标估算的一阶导数分析方法

《Remote Sensing》：First-Derivative Analysis for Estimating Water Quality and Optical Metrics in Shallow Coastal Waters

　　

该研究量化了遥感反射率（_Rrs）、其一阶导数（FD）与水质及光学指标之间的相关性，这些指标包括叶绿素a（Chl-a）、脱镁叶绿素、总悬浮物（TSM）、有色溶解有机物（CDOM）以及光合有效辐射标量环境衰减系数（_K0(PAR)）。2022年和2023年夏季在德国波罗的海沿岸14个站位（n = 23）采集的数据确立了夏季专属的光学基准。在计算FD之前，使用10点移动平均（10MA）平滑技术或离散小波变换（DWT）对_Rrs进行了预处理。结果显示，使用简单算法估算各类变量时具有中等到强的相关性。Chl-a和Pha最好通过685 nm处的FD峰值来估算（R²分别为0.67和0.69），不过这种反演高度依赖于局部的营养盐富集。TSM的估算通过DWT基线峰值算法（670至750 nm）得到了优化，在更强的反向模型之上产生了物理上一致的正相关（R² = 0.17）。CDOM和_K0(PAR)分别在689 nm和629 nm处得到最优反演（R²分别为0.51和0.48）。信号处理显著影响结果，且600–850 nm波段被证明具有极高的敏感性。该方法减轻了风浪效应，展示了不受大气干扰的高分辨率原位光谱的实用性。

沿岸浅海水体是光学性质复杂的系统，其中多种成分及其相关的光学活性成分是水质、初级生产力和生态系统健康的重要指标。在这些复杂的二类水体中，叶绿素a（Chl-a）、脱镁叶绿素、总悬浮物（TSM）和有色溶解有机物（CDOM）的浓度变化受到化学、物理和生物等多种因素的影响。由于这些变量无法在大尺度上直接测量，通常通过表面遥感反射率（_Rrs）进行推断。然而，在浅海沿岸水域，_Rrs信号强烈受到浊度、底部反射率、表面波浪和大气条件的干扰，导致常规遥感监测难以准确提取各类成分的浓度。高阶导数分析在增强重叠光谱特征的同时，会指数级放大环境噪声，因而难以适用。为了解决上述问题，研究人员开展了一项探索性方法框架研究，旨在系统评估一阶导数（FD）分析在高度复杂的局部二类水体环境中估算各类变量的潜力。该研究得出结论，将FD分析与适当的信号处理方法相结合，能够有效实现从_Rrs反演水质和光学指标，并证明了该方法在减轻风浪等不利影响上的实用性。这对于实现不受复杂大气干扰的准确水质监测具有重要意义，该论文发表在《Remote Sensing》上。

为开展这项研究，研究人员使用了以下关键技术方法：研究人员沿德国波罗的海浅水海岸线设置了14个采样站，于2022年和2023年夏季采集样本（n=23）。利用双光束紫外可见吸收光谱仪测量水质成分浓度，使用光谱仪获取水下标量衰减系数；采用光谱辐射计测量水面以上的下行太阳辐射和上行辐射，据此计算_Rrs。在计算FD光谱前，对原位_Rrs数据分别采用10点移动平均（10MA）平滑和离散小波变换（DWT）进行预处理去噪。最后通过线性或对数回归模型建立预测算法，并使用均方根误差（RMSE）和平均绝对偏差（MAD）评估其预测精度。

生物光学特性的时空变异性
通过分析23个采样点的水质和光学指标发现，这些参数显示出明显的空间和时间变异性。Chl-a和Pha的浓度范围极宽，在大多数站点浓度较低，但在少数位置出现强烈富集。TSM同样表现出强烈的变异性。相比之下，_K0(PAR)的变异性较小，且2022年的数值普遍高于2023年。这反映了陆地输入和水动力条件的综合影响。

光谱反射率特征与分组
通过分析平均反射率曲线，研究站点可基于其水质和光学指标分为三个光谱组：第1组（沙质底质）在500-600 nm区域有显著单峰，向红光和近红外（NIR）区域稳定下降；第2组（高OACs影响）在600-750 nm区域显示出复杂的波峰和波谷；第3组（中等影响）也表现出OACs相关特征，但幅度较弱。原始_Rrs与水质成分的相关性普遍较弱，但通过波段响应可见，Chl-a和Pha在700 nm红边附近相关性最强，TSM在500 nm附近影响最大。

导数与去噪算法的性能
为了克服原始光谱的局限性并增强被掩盖的细微特征，研究人员计算了10MA平滑后的FD光谱。第1组在600 nm处表现出显著单谷，而第2组演变为多谷特征。FD分析显著增强了反射率与成分之间的相关性，Chl-a和Pha在700 nm附近达到约0.7的峰值相关性。随后应用DWT去噪计算的FD光谱进一步揭示了蓝绿区域的细微特征，站点可重新分为以底反射为主的第1组和以水柱为主的第2组。在DWT处理后的光谱中，Chl-a和Pha在800-850 nm范围内相关性达到约0.7。CDOM相关性得到大幅增强，在红光-NIR范围内达到约0.7。在所有算法比较中，FD的峰值幅度指标表现最佳。

水质与光学指标估算的最终回归模型
为了优先保证模型的鲁棒性和物理可解释性，研究人员舍弃了具有负相关（反比）关系的统计峰值，选择物理上更为可靠的正相关波段建立模型：Chl-a在10MA平滑下于685 nm建立正相关（R² = 0.67）；TSM在DWT去噪后通过基线峰值算法（670-750 nm）建立正相关（R² = 0.17）；CDOM在10MA平滑下于689 nm处得到正相关的对数模型（R² = 0.51）。Pha和_K0(PAR)自然在最优波段685 nm和629 nm处表现出正相关。结果表明，红边区域在二类水体监测中对色素反演具有极高的信息含量，而FD分析对TSM的宽波段散射信号提取能力有限。此外，波罗的海强烈的季节演替和营养富集的斑块性使得当前模型严格局限于夏季专属的光学基准。

讨论部分与结论总结
研究人员指出，在复杂的光学浅水环境中，信号处理方法的选择至关重要。DWT方法能在多尺度上分离噪声和真实信号，有效抑制水面干扰和宽基底效应。为了避免在连续高光谱范围内仅基于最高R²值选择波段而产生的I类错误，研究框架严格排斥数学变换（如DWT）可能放大的、不符合光学物理意义的反向统计相关性，优先选择红边附近的特征波段。研究最终得出结论：结合合适平滑或去噪方法的FD分析，能够抑制宽基底效应并减轻底质干扰，在浅海二类水体中实现中等至强的变量反演相关系数（0.5 ≤ R² ≤ 0.7）。600至850 nm波段被证明是最可靠的监测窗口。尽管FD光谱技术展现出处理复杂光谱的巨大潜力，但该研究框架基于时空受限的数据集，未来仍需在更大范围的二类水体数据集中进行充分验证。