有害藍(lán)藻（cyanoHABs）通常生長(zhǎng)在世界各地的水生環(huán)境中，包括北美五大湖的淡水湖。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富或過(guò)量（例如N和P）的水體可以支持藍(lán)藻的快速生長(zhǎng)。除此之外，水溫，風(fēng)，浪和水流都會(huì)影響水華的形成和垂直分布。一些藍(lán)藻會(huì)產(chǎn)生有毒化合物從而危害動(dòng)物和人類(lèi)健康。因此對(duì)有害藻華的預(yù)先監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
【摘要】利用美國(guó)航空航天局（NASA）格倫研究中心開(kāi)發(fā)的高光譜成像系統(tǒng)于2015年至2017年在伊利湖和俄亥俄河采集高空間分辨率數(shù)據(jù)。配合密歇根理工學(xué)院實(shí)施的替代校正方法，將HSI系統(tǒng)采集的輻亮度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的反射率數(shù)據(jù)，并使用現(xiàn)有算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害藻華。替代校正方法依賴(lài)于成像光譜恒定的目標(biāo)以歸一化大氣和儀器校準(zhǔn)信號(hào)的高光譜數(shù)據(jù)。對(duì)伊利湖西部盆地附近的一個(gè)大型瀝青停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行光譜特征分析，確定為一個(gè)合適的校正目標(biāo)。機(jī)載HIS可以提供對(duì)水質(zhì)狀況的獨(dú)特見(jiàn)解。飛機(jī)可以在云層下運(yùn)行，并且可以根據(jù)需要選擇和更改飛行路線(xiàn)，這比基于空間平臺(tái)的靈活性更大。HIS能以較高的空間分辨率（~1 m）采集數(shù)據(jù)，從而可以監(jiān)測(cè)小型水體，檢測(cè)小塊的表面浮渣，以及監(jiān)測(cè)水華與感興趣目標(biāo)（例如進(jìn)水口）的接近程度。借助這種新的快速周轉(zhuǎn)時(shí)間，機(jī)載數(shù)據(jù)可以作為現(xiàn)有衛(wèi)星平臺(tái)的補(bǔ)充監(jiān)測(cè)工具，針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域并按需響應(yīng)水華事件。
2015年NASA GRC HIS停車(chē)場(chǎng)反射率。粗紅線(xiàn)表示ASD FieldSpec III的原位反射率。校正前，HIS光譜表現(xiàn)出異常低的反射率，且光譜畸形。校正后，除了3個(gè)多云天的2個(gè)（虛線(xiàn)所示）外，HIS光譜分布在原位反射光譜周?chē)?/span>
圖中顯示了2015年（A）和2016年（B）的典型水生光譜，包括ASD FieldSpec III的原位光譜和HIS系統(tǒng)的機(jī)載數(shù)據(jù)（校正前后）。差異線(xiàn)（黑色）是校正后的HIS信號(hào)減去ASD信號(hào)。同時(shí)顯示了2015年（C）和2016年的校正因子。2016年校正因子變化比較平坦，比2015年校正因子低的多。
美國(guó)國(guó)家航空航天局格倫研究中心高光譜成像系統(tǒng)自2015年8月10日開(kāi)始追蹤托萊多取水口附近，用CI（A）和SSI（B）算法處理后結(jié)果顯示了藻華和表面浮渣的空間變異性。HIS圖像的高分辨率揭示了天基觀測(cè)平臺(tái)掩蓋的細(xì)節(jié)。托萊多取水口用黑色圓圈表示。
2015年9月3日，在俄亥俄河上使用CI算法處理的NASA GRC HIS航跡。飛行軌跡顯示在3個(gè)城市中：俄亥俄州米勒（A），俄亥俄州普羅克托斯維爾（B）和肯塔基州亨廷頓（C）。在飛行軌跡上，顏色從深綠到亮綠表明藍(lán)藻存在從低到中等，透明則表示CI算法未檢測(cè)到藍(lán)藻存在。
2015年7月27日，NASA GRC HIS軌跡（基于HIS衍生的CI，從深綠到亮綠按比例著色）覆蓋在MTRIMODIS有害藍(lán)藻（cyanoHABs）制圖上（橙色部分）。紅點(diǎn)表示托萊多取水口。
【結(jié)論】NASA GRC HIS系統(tǒng)是高分辨率的高光譜成像儀，能夠在進(jìn)行替代校正后生成高質(zhì)量的輻亮度數(shù)據(jù)及合理的反射率估計(jì)。結(jié)合易于實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)化的CI和SSI算法，近實(shí)時(shí)的處理大量飛行數(shù)據(jù)。飛機(jī)部署的靈活性（即在云下運(yùn)行飛機(jī)路線(xiàn)的位置）與高分辨率和快速分析相結(jié)合，可提供對(duì)水質(zhì)狀況的獨(dú)特見(jiàn)解。雖然部署成本和機(jī)載遙感的有限空間覆蓋限制了對(duì)大型湖泊日常監(jiān)測(cè)的能力，但這是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域（包括取水口和小型水體）的有效工具，同時(shí)還可按需求部署以捕獲水華事件。這種方法并不意味著取代可以提供有價(jià)值的全區(qū)域范圍的衛(wèi)星遙感技術(shù)。而是一個(gè)補(bǔ)充的數(shù)據(jù)集，有助于監(jiān)測(cè)cyanoHABs（現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法輕易或有效監(jiān)測(cè)）。
【建議】替代校正技術(shù)將傳感器的HIS反射率充分轉(zhuǎn)換為表面反射率。未來(lái)的工作將集中在對(duì)天空漫反射進(jìn)行校正，以消除水生光譜的影響。這將在生物光學(xué)算法（例如CPA-A,QAA和GIOP）的適用性中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這些算法可以檢索水的固有光學(xué)特性，但與像CI或SSI這樣的基于形狀的簡(jiǎn)單算法相比，對(duì)天空污染的漫反射魯棒性較低。未來(lái)工作還應(yīng)調(diào)查浮游植物和藍(lán)藻色素吸收和散射特征，以評(píng)估物種和大小分布，從而利用傳感器的高光譜性質(zhì)。此外，可用于cyanoHAB事件的早期監(jiān)測(cè)，這是當(dāng)前使用CI方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
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使用NASA格倫高光譜成像儀進(jìn)行實(shí)時(shí)HAB制圖.pdf