基于高光谱遥感的湿地植被氮素浓度监测及其对富营养化的响应研究

Coastal estuarine eutrophication has a farreaching impact on society and economy. Correctly monitoring water eutrophication status and efficiently deciding its quantitative effect on wetland ecosystem functions are main questions to constitute corresponding management measures. In this study, based on representative environment characteristics of the wetland, effectively monitoring nitrogen concentrations of wetland vegetations by hyperspectral remote sensing is exploring. It is by a new research idea that hyperspectral response characteristics of wetland vegetations are used to successfully indicate variations of water eutrophication in wetland regions. Such wrong evaluation conclusions derived from nutrition pulse effects are then solved. Main research contents are listed as follows: hyperspectral remote sensing is combined with multi-angle remote sensing to improve the inversion precision; spectral measures in field experiments combine multi-angle with foliar and canopy scale; structure features of wetland vegetations are input into inversion models of nitrogen concentrations; the effect of water contained in vegetation on nitrogen concentration inversion is removed; inversion spectral indexes are greatly modified; offset values of reference bands and nitrogen absorbed center bands for wetland vegetation are determined for different spectral indexes at foliar and canopy scale; nitrogen concentration inversion models of wetland vegetation at foliar and canopy scale are constructed by the combination of the geometrical optical model and the radiation transfer model; the relation, correlation and response variation among nitrogen concentration of wetland vegetation, total nitrogen concentration of wetland water, and water eutrophication of coastal estuary are analyzed.

海岸河口富营养化的问题造成了深远的社会经济影响。准确监测水体富营养化状况，以及有效定量其对湿地生态系统功能的影响效应，是制定相应管理措施面临的主要问题。本研究基于湿地的典型环境特点，挖掘高光谱遥感数据有效监测湿地植被氮素浓度的潜力，以新的研究思路通过湿地植被的高光谱响应特性来有效指示湿地所在区域水体富营养化变化状况，解决营养物质脉冲效应导致的错误评估结论。主要研究内容包括：多角度与高光谱相结合提高反演精度；野外实验中多角度与叶片和冠层尺度结合的光谱测量；将植被结构特征作为反演模型输入参数；消除氮浓度反演植被所含水分的影响；反演光谱指数的改进；湿地植被叶片和冠层尺度光谱指数的参考波段和氮吸收中心波段位置偏移值的确定；采用几何光学模型和辐射传输模型相结合，构建湿地植被叶片和冠层尺度氮浓度反演模型；湿地植被氮素浓度、湿地水体总氮浓度、海岸河口水体富营养化状况三者之间的联系、相关和响应变化。

近年来大多数滨海河口湿地都受到了人类活动的影响，水体富营养化加剧，亟待在不同时空尺度上以快速、稳定、准确的途径监测滨海河口水体富营养化。本项目的研究结果表明，滨海河口湿地植被可以作为表征水体富营养化水平的生物指示剂，可以通过监测湿地植被中氮素含量的响应变化，来获知滨海河口区域水体富营养化水平，湿地植被中的氮素含量是经历一段时期的累积结果，可以避免短期营养物质脉冲效应导致的错误水体富营养化水平评估结论。本项目充分挖掘能够提取湿地植被氮吸收光谱特征细微变化的高光谱遥感技术，项目研究结果证明，湿地植被氮浓度的高光谱响应特征，可用于监测滨海河口水体氮浓度的时空分布变化，进而可以指示湿地所在区域水体富营养化水平的变化状况。本项目主要研究内容包括：采用高光谱数据反演湿地植被氮素浓度，基于Hyperion和NDNI/SAVI1510高光谱指数的湿地植被冠层氮浓度反演，基于bootstrap PLSR和光谱变换技术的湿地芦苇叶片氮浓度反演；采用高光谱遥感数据HJ-1A HSI和基于Bootstrap的支持向量机模型（SVM），反演水体总氮浓度；在叶片、冠层和景观3种尺度上，研究了湿地植被氮浓度对水体富营养化的高光谱响应特征，可应用于海岸河口富营养化高光谱遥感监测，该方法已获得国家发明专利“一种海岸河口富营养化高光谱遥感监测方法”；项目在盘锦双台河口湿地和乌梁素海湿地开展了多次野外实验，进行了湿地植被叶片尺度和冠层尺度的光谱测量，湿地植被氮素含量测量，水质测量（包括氨氮、硝酸盐氮、总氮等）、湿地土壤光谱测量，湿地土壤全氮和全磷测量等；基于减小水分影响光谱变换技术的湿地植被氮素浓度反演，可以有效减小叶片水分的影响，增强鲜叶片光谱中细微的氮吸收特征，提高了湿地植被氮浓度的估算精度；对湿地植被氮浓度反演光谱指数进行改进，构建了湿地植被冠层氮浓度监测高光谱植被指数（NDNI/SAVI1510），能够降低来自湿地植被复杂背景的多种散射信号对湿地植被冠层氮浓度估算精度的影响，从而以较高的精度估算湿地植被冠层氮浓度，该方法已获得国家发明专利“一种基于高光谱植被指数监测湿地植被冠层氮浓度的方法”；叶片和冠层尺度湿地植被高光谱响应特征对比；湿地土壤全氮和全磷含量高光谱遥感研究，采用bootstrap SMLR、bootstrap PLSR建模方法和光谱变换技术，建立了湿地土壤全氮和全磷含量的估算模型。