南漪湖叶绿素a浓度荧光反演算法研究

叶绿素a(Chlorophyll-a,Chl-a)浓度是监测浮游植物和水质状况的代表性指标,对湖泊富营养化评价具有重要意义。为了探求南漪湖多时相的Chl-a浓度高光谱特征及反演方法,选取2020年—2021年间南漪湖8次走航式水体实验同步采集的98组高光谱数据和Chl-a浓度数据,分析不同Chl-a浓度条件下南漪湖实测光谱的变化特征,同时考虑水质组分变化和采样时间变化对光谱的影响,提取能反映Chl-a浓度信息的特征波段。然后引入峰谷距离法、荧光基线高度法、峰面积法和基于峰面积法改进的谷上峰面积法共同反演南漪湖Chl-a浓度,并利用5折交叉验证法比较不同反演算法的优劣。研究结果表明:(1)随着Chl-a浓度的增大,荧光峰位置向红外方向移动,Chl-a吸收谷和荧光峰分别有加深和升高的趋势,峰谷差异更加明显,荧光峰附近谱段能够有效反映Chl-a浓度变化;(2)利用5折交叉验证法将样本分为5组,依次作为验证集进行建模,对于不同组别的验证集各方法的RMSE和MAPE极差平均值分别为0.4375μg·L^(-1)和28.27%,可见样本建模集与验证集的选取会显著影响精度评价结果,5折交叉验证的方法可以减小上述误差,在样本范围内最大程度地比较出各方法的优劣;(3)结合Chl-a浓度吸收谷极小值处水平切线提出的谷上峰面积法取得了最优的反演结果,其验证精度分别为R^(2)=0.7567,RMSE=1.6531μg·L^(-1),MAPE=40.77%,相较于峰谷距离法、荧光基线高度法和峰面积法精度均有提升,为叶绿素a浓度荧光反演提供了新的思路。