水质光谱检测曲线的的奥秘

水，化学式为H₂O，是由氢、氧两种元素组成的无机物，无毒，可饮用。在常温常压下为无色无味的透明液体，被称为人类生命的源泉。

水是地球上Z常见的物质之一。地球表面有72%被水覆盖。它是包括无机化合、人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体Z重要的组成部分。

你可曾想过，为什么自来水是透明无色的而大海却是蓝色的呢？

海水的颜色是由海面反射光和来自海水内部的回散射光的颜色决定的。由于可见光在水中的穿透力强，其中蓝光和绿光在水中的穿透力zui强，所以，它们回散射的机会也就ZD。所以，海水看上去呈蓝色或者绿色。因为自来水距离人眼较近，全体可见光穿透水后几乎没有损失的回射混合为白光，所以我们看到的自来水是透明无色的。

水质光谱曲线介绍

水体反射率较低，小于10%，远低于大多数的其他地物，水体在蓝绿波段有较强反射，在其他可见光波段吸收都很强。纯净水在蓝光波段ZG，随波长增加反射率降低。在近红外波段反射率为0；含叶绿素的清水反射率峰值在绿光波段，水中叶绿素越多则峰值越高。这一特征可监测和估算水藻浓度。而浑浊水、泥沙水反射率高于以上，峰值出现在黄红区。

1、纯净水

纯水在400~1100nm之间的吸收和散射特征如图1所示，其在可见光波段有较低的吸收率，通俗点讲，纯水在可见光部分几乎全反射，反射回的光又混合成白光，这也是纯净水透明无色的原因。在近红外波段1000nm左右有一个吸收波峰。

图1 纯水在400~1100nm之间的吸收和散射特征

2、含叶绿素的水

叶绿素含量较高的水体受水中叶绿素的光学特征影响较大，如图2所示，叶绿素含量越高，水体对可见光波段的反射率逐步升高、吸收率逐步下降，这种光谱曲线变动现象的原因在于叶绿素本身对于可见光的吸收作用[1]。

图2 不同叶绿素浓度的海水的波谱曲线

3.含有泥沙的浑浊水

浙大大学周斌老师团队曾对含有泥沙的浑浊水体光谱曲线进行分析研究，实验现场采集的水样[2]经过实验室测量得到水体含沙量的ZD值为1.950g/L，Z小值为0.133g/L，平均值为0.705g/L。图3为对应不同采样时刻水体表层含沙量变化的反射率光谱曲线。从图3中可以看出，含沙水体反射率随波长而变化，在可见光波段出现两个反射峰，DY个反射峰在650~700nm之间，第二个反射峰在800nm附近，反射谷则出现在750nm附近。在含沙量较低时，DY反射峰值高于第二反射峰值，随着水体含沙量的增加，水体在各个波长处的反射率都相应增加，但是增加的幅度不同，其中第二反射峰的增加速度度高于DY反射峰，与之相连的反射峰两侧“肩部”也增加较快，反射率增大幅度ZD的波长与反射率光谱ZD峰值位置基本吻合。水体反射率光谱曲线随含沙量浓度增大也相应升高，反射率峰值出现“红移现象”

图3 不同沉积物浓度的海水的波谱曲线

图4则展示了黄河水、长江水及湖水的波谱曲线，其中三河的泥沙含量信息也在图中展示，随着泥沙含量的ZG，可见光及近红外波段反射率逐步升高。

图4 黄河水、长江水及湖水的波谱曲线

正因为不同种类水体呈现了不同波段的反射与吸收特征，才给予利用高光谱技术进行水质参数反演可能性，通过对波段的不同波段特征与真实水质参数值建立相关性模型，即可实现对大范围水域的水质监测。

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参考文献

[1]赵英时. 遥感应用分析原理与方法，2003：414-419.

[2]王繁，周斌，徐建明，等.杭州湾混浊水体表面光谱测量及光谱特征分析[J].光谱学与光谱分析，2009(03):156-160.