長(zhǎng)江口深水航道海域懸浮泥沙光譜特性研究

張 宏，韓 震，2，劉 瑜

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306）

長(zhǎng)江口深水航道海域懸浮泥沙光譜特性研究

張 宏1，韓 震1，2，劉 瑜1

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；
2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306）

長(zhǎng)江口深水航道治理和維護(hù)的核心問(wèn)題為泥沙問(wèn)題。對(duì)長(zhǎng)江口深水航道7個(gè)浮標(biāo)所在海域進(jìn)行了不同濃度含沙水體的反射光譜測(cè)量，并且結(jié)合“長(zhǎng)江口深水航道水文、泥沙、波浪自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)”遙測(cè)數(shù)據(jù)和野外現(xiàn)場(chǎng)取樣數(shù)據(jù)，對(duì)其光譜特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些海域懸浮泥沙的敏感波段在730～930 nm之間，并且731 nm附近的一階微分與懸浮泥沙濃度相關(guān)性較好。在對(duì)其光譜特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別建立了懸浮泥沙光譜反射率、光譜反射率均值和反射率一階微分的指數(shù)反演模型和二次反演模型，結(jié)果顯示900 nm波長(zhǎng)的指數(shù)模型可以較準(zhǔn)確地定量反演出懸浮泥沙濃度。

懸浮泥沙；反射光譜；遙感；長(zhǎng)江口深水航道

長(zhǎng)江口是我國(guó)典型的分汊型中等潮汐河口。長(zhǎng)江河口的懸浮泥沙主要來(lái)自長(zhǎng)江流域，長(zhǎng)江口深水航道處于河口最大渾濁帶活動(dòng)的范圍，其深水航道治理和維護(hù)的核心問(wèn)題為泥沙問(wèn)題［1］。了解懸浮泥沙時(shí)空分布規(guī)律是開(kāi)展航道回淤規(guī)律研究和指導(dǎo)防災(zāi)減淤工作的關(guān)鍵。

要獲取定量的懸浮泥沙時(shí)空分布數(shù)據(jù)，需建立遙感數(shù)據(jù)和懸浮泥沙含量之間的定量關(guān)系。傅克忖等在日本水產(chǎn)大學(xué)館山坂田實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的露天水池進(jìn)行了不同含量懸浮泥沙水體反射比與懸浮泥沙濃度的試驗(yàn)研究，探討了對(duì)懸浮泥沙遙感靈敏的波段，采用因子分析，建立了高濃度懸浮泥沙定量反演算法［2］；韓震等在天津國(guó)家海洋技術(shù)中心進(jìn)行了懸浮泥沙水槽試驗(yàn)，對(duì)懸浮泥沙光譜特性進(jìn)行了分析，并利用泥沙遙感參數(shù)建立了懸浮泥沙遙感定量分析統(tǒng)計(jì)相關(guān)模式［3］；Miller R L，Ruhl C A等也利用不同衛(wèi)星的不同空間分辨率、不同時(shí)間分辨率及不同光譜分辨率在不同海區(qū)結(jié)合工程和應(yīng)用需求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)試及準(zhǔn)同步采樣，建立了多種懸浮泥沙遙感統(tǒng)計(jì)分析和反演模式［4，5］。

本次研究利用長(zhǎng)江口深水航道治理二期工程完成的“長(zhǎng)江口深水航道水文、泥沙、波浪自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)”7個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)站懸浮泥沙實(shí)際的遙測(cè)數(shù)據(jù)和野外現(xiàn)場(chǎng)取樣數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)江口深水航道工程海域懸浮泥沙反射光譜特性進(jìn)行了研究，旨在加深對(duì)該海域懸浮泥沙的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和定量研究，為長(zhǎng)江口深水航道治理和維護(hù)提供了基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次光譜數(shù)據(jù)來(lái)自于上海海洋大學(xué)、上海河口海岸科學(xué)研究中心和國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心3家單位2008年3月24－26日在長(zhǎng)江口深水航道海域的水色光譜聯(lián)合試驗(yàn)。采樣路線及采樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1研究區(qū)和采樣路線Fig.1 Research area and sam pling routing

光譜采樣所使用的儀器是美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec Pro手扶式便攜光譜儀，其波長(zhǎng)范圍為325～l 075 nm，光譜分辨率為1.5 nm。遙測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于“長(zhǎng)江口深水航道水文、泥沙、波浪自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可全天候、實(shí)時(shí)地遙測(cè)長(zhǎng)江口水域7個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)站的水文、泥沙、波浪狀況（圖1）。本次采樣點(diǎn)共19處，按濃度從低到高隨機(jī)選取12個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)用于建立模型，剩余的7個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取?/p>

圖3 均值處理后水體光譜反射曲線Fig.3 Spectrum curves after meanvalue treatment

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 懸浮泥沙水體的光譜特征分析

2.1.1 光譜曲線預(yù)處理

圖2為原始數(shù)據(jù)未經(jīng)處理得到的不同濃度含沙水體的反射光譜曲線。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，曲線有許多表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則的高頻振動(dòng)的“毛刺”，在曲線的邊端尤其明顯。其原因一方面是儀器的靈敏性所致，另一方面是紫外和近紅外的光譜易受外界干擾［6］。我們采用均值法對(duì)光譜曲線進(jìn)行了預(yù)處理，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中Ri表示波長(zhǎng)為i時(shí)的反射率，公式（1）表示用相連3點(diǎn)反射率均值來(lái)代替中間一點(diǎn)的反射率值，公式（2）表示用相連5點(diǎn)的反射率均值來(lái)代替正中間一點(diǎn)的反射率值。

我們將曲線分為以下3段，分別采取不同的尺度進(jìn)行濾波。430～830 nm用公式（1）進(jìn)行處理，330～430 nm和830～930 nm用公式（2）進(jìn)行處理，圖3為處理結(jié)果。對(duì)比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)反射光譜曲線上原先的“毛刺”基本得到消除。

圖2 不同懸浮泥沙濃度水體光譜反射曲線Fig.2 Spectrum curves of different suspended sediment concentrations

2.1.2 光譜特征分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，反射光譜曲線因水體含泥沙濃度不同而存在差異。懸沙濃度低的水體光譜反射率低于懸沙濃度高的水體光譜反射率，隨著懸沙濃度的增加，水體光譜反射率逐漸增大，泥沙濃度差別越大，反射率增幅越大。懸沙水體光譜曲線呈現(xiàn)明顯“雙峰”特征，第一反射峰位置在600～700 nm，隨后開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在以水分子吸收為主的750 nm處形成一個(gè)反射谷。第二個(gè)反射峰寬度比較窄，出現(xiàn)在近紅外波段，其中心波長(zhǎng)位置約在810 nm處，水體光譜反射率在830 nm之后開(kāi)始迅速減小。當(dāng)泥沙濃度為1 496 mg／L時(shí)，水體光譜反射曲線的第二個(gè)反射峰峰值甚至大于其第一個(gè)反射峰峰值。

光譜微分技術(shù)是光譜數(shù)據(jù)處理常用方法之一，Gooding等人認(rèn)為水體反射光譜的一階微分可消除水面的影響，二階微分可以消除懸浮物濃度的影響［7］，光譜數(shù)據(jù)的一階微分可由下式計(jì)算得到

式中：R（λi），R（λi－1）分別是波長(zhǎng)為λi＋1，λi－1的光譜反射率；R（λi）＇是波長(zhǎng)為λi的一階微分反射光譜值。由公式（3）計(jì)算得到的光譜微分如圖4所示。通過(guò)一階微分曲線可以直觀分析水體光譜曲線的特征。圖4中460 nm處出現(xiàn)波峰說(shuō)明圖3中460 nm處是曲線的一個(gè)拐點(diǎn)，但是從圖3卻很難看出來(lái)，一階微分使得這種微小的變化變得明顯。圖4中560 nm處出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)于圖3中560 nm處曲線從陡峭開(kāi)始變平緩，圖4中600～700 nm曲線在x軸上方附近波動(dòng)，表明圖3中600～700 nm之間曲線變化較小。不同懸沙濃度的水體光譜反射曲線與x軸的第1個(gè)交點(diǎn)在700 nm左右，對(duì)應(yīng)于圖3中的第1反射峰位置。圖4中730 nm處出現(xiàn)谷值對(duì)應(yīng)于圖3中曲線在730 nm處從波峰迅速轉(zhuǎn)向波谷，圖4中曲線與x軸分別相交與750 nm左右和810 nm左右，則對(duì)應(yīng)于圖3中出現(xiàn)的波谷和第2個(gè)反射峰。圖4中790 nm處出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)于圖3中790 nm處曲線從波谷迅速轉(zhuǎn)向波峰，圖4中830 nm處出現(xiàn)谷值對(duì)應(yīng)與圖3中830 nm處曲線開(kāi)始迅速下滑。

圖4 光譜反射率一階微分曲線Fig.4 First-order derivative curves of spectrum reflectance

2.2 模型的建立與分析

2.2.1 基于光譜反射率模型

由于不同波長(zhǎng)位置處的水體光譜反射率對(duì)泥沙濃度的響應(yīng)能力不同，為了找到對(duì)泥沙濃度變化敏感的波段，我們計(jì)算了各波長(zhǎng)的光譜反射率和泥沙濃度的相關(guān)系數(shù)。從圖3可以發(fā)現(xiàn)在可見(jiàn)光波段反射率的變化幅度很小，而大于730 nm之后反射率的差異增大。由此可見(jiàn)在可見(jiàn)光波段泥沙濃度與光譜反射率之間的相關(guān)性較差，而波長(zhǎng)大于730 nm波段相關(guān)性卻很強(qiáng)，最大值為0.96。考慮到水體反射能力較低，我們選取位于波峰并且反射率與泥沙濃度相關(guān)性較高的波長(zhǎng)用于統(tǒng)計(jì)回歸分析。以懸浮泥沙濃度為因變量，光譜反射率為自變量，建立指數(shù)曲線和二次曲線形式的回歸方程，結(jié)果見(jiàn)表1，其中R2值代表回歸方程的擬合程度。由于地物光譜儀存在1 nm的波段間隔，水體反射率曲線存在一定的波動(dòng)，在濃度較低時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。采用不同波段反射率的平均值和懸浮泥沙濃度做相關(guān)分析可以減弱這種影響。R1，R2，R3分別代表反射谷740～760 nm、第二反射峰800～820 nm和近紅外900～920 nm光譜反射率的均值，將其與懸沙濃度作相關(guān)分析，得到Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.910，0.904和0.959，參照表1的方法建立回歸方程，結(jié)果見(jiàn)表2。2.2.2 基于光譜反射率一階微分模型

對(duì)泥沙水體光譜反射率一階微分與泥沙濃度作相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)601 nm，731 nm和841 nm處反射率一階微分和泥沙濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.817，0.912和0.920。參考光譜反射率模型的波長(zhǎng)，以光譜反射率一階微分作為自變量，以懸沙濃度作為因變量建立非線性回歸方程，結(jié)果如表3。

表1 懸浮泥沙濃度（y）和光譜反射率（x）的回歸方程Table 1 Regression equations between spectrum reflectance and suspended sediment concentration

表2 懸浮泥沙濃度（y）和光譜反射率均值（x）的回歸方程Table 2 Regression equations between spectrum reflectancemeanvalue and suspended sediment concentration

表3 懸浮泥沙濃度（y）和反射率一階微分（x）的回歸方程Table 3 Regression equations between reflectance first-order derivative and suspended sediment concentration

2.2.3 反演模型的檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_度，選擇剩余7個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)單一波長(zhǎng)建立的模型、光譜反射率均值建立的模型和光譜反射率一階微分建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途_度采用的指標(biāo)是均方根誤差（RMSE），分析所得結(jié)果如表4，從表4數(shù)據(jù)可知，單一波長(zhǎng)所建立的模型中（730 nm、800 nm、810 nm、860 nm、900 nm），900 nm波長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)效果最好，其指數(shù)模型的RMSE為0.163 1，二次三項(xiàng)式模型的RMSE為0.171 0；其次是800 nm波長(zhǎng)模型，其指數(shù)模型的RMSE為0.184 9，二次三項(xiàng)式模型的RMSE為0.232 9。在R1（740～760 nm）、R2（800～820nm）和R3（900～920 nm）光譜反射率均值所建立的模型中，R3所代表的900～920 nm波段光譜反射率均值模型預(yù)測(cè)精度優(yōu)于其他波段模型，其指數(shù)模型的RMSE為0.196 4，二次三項(xiàng)式模型的RMSE為0.204 4。光譜反射率一階微分所建立的模型中（601 nm、731 nm、841 nm），731 nm波長(zhǎng)光譜反射率一階微分模型預(yù)測(cè)效果比其他波長(zhǎng)模型好，其指數(shù)模型的RMSE為0.196 3，二次三項(xiàng)式模型的RMSE為0.203 3。在單一波長(zhǎng)建立的模型、光譜反射率均值建立的模型和光譜反射率一階微分建立的模型中，900 nm波長(zhǎng)建立的模型預(yù)測(cè)精度最好，其次是731 nm波長(zhǎng)反射率一階微分所建立的模型，從整體上看，指數(shù)模型的預(yù)測(cè)精度要優(yōu)于二次三項(xiàng)式模型的預(yù)測(cè)精度。

表4 回歸方程的精度檢驗(yàn)（N＝7）Table 4 Precision validation of regression equations（N＝7）

3 結(jié) 論

通過(guò)本次長(zhǎng)江口深水航道工程海域懸浮泥沙反射光譜特性研究，發(fā)現(xiàn)這些海域懸浮泥沙的敏感波段在730～930 nm之間，而且731 nm附近的一階微分與懸浮泥沙濃度相關(guān)性較好。在此基礎(chǔ)上，分別建立了懸浮泥沙光譜反射率、光譜反射率均值和反射率一階微分的指數(shù)反演模型和二次反演模型，結(jié)果顯示900 nm波長(zhǎng)的指數(shù)模型可以較準(zhǔn)確地定量反演出懸浮泥沙濃度。本次研究對(duì)我國(guó)Ⅱ類(lèi)水體的懸浮泥沙的遙感定量反演具有重要的參考價(jià)值，為長(zhǎng)江口深水航道治理和維護(hù)提供了基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)。

致謝：對(duì)華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室惲才興教授、上海河口海岸研究中心徐志揚(yáng)工程師、劉杰高工、國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心郭茂華工程師在本次研究工作中所做出的貢獻(xiàn)在此深表謝意。

［1］ 惲才興.長(zhǎng)江河口近期演變基本規(guī)律［M］.北京：海洋出版社，2004：250－274.（YUN Cai-xing.The Main Evolution Rules of the Yangtze River Estuary in Recent Years［M］.Beijing：Ocean Press，2004：250－274.（in Chinese））

［2］ 傅克忖，荒川久幸，曾憲模.懸沙水體不同波段反射比的分布特征及懸沙量計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，

1999，21（3）：134－140.（FU Ke-cun，HISAYUKI Arakawa，ZENG Xian-mo.Distribution feature of reflec-tance ofwater body containing suspended particles in dif-ferentwave lengths and experimental study on estimating amount of suspended particles［J］.Acta Oceanologica Sinica，1999，21（3）：134－140.（in Chinese））

［3］ 韓 震，惲才興，蔣雪中.懸浮泥沙反射光譜特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2003，（12）：118－121.（HAN Zhen，YUN Cai-xing，JIANG Xue-zhong.Experimental study on reflected spectrum of suspended sediment［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003，（12）：118－121.（in Chinese））

［4］ MILLER R L，CRUISE J F.Effects of suspended sedi-ments on coral growth：evidence from remote sensing and hydrologic modeling［J］.Remote Sensing of Environ-ment，1995，53（3）：177－187.

［5］ RUHLCA.Combined use of remote sensing and continu-ousmonitoring to analyse the variability of suspended sed-iment concentration in San Francisco bay California［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2001，53：801－812.

［6］ 王亞飛，錢(qián)樂(lè)祥，劉含海.地物光譜曲線特征點(diǎn)的提取和應(yīng)用［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，36

（4）：67－70.（WANG Ya-fei，QIANG Le-xiang，LIU Han-hai.Extraction and application of characteristic points for ground objects spectral reflective curve［J］.Journal of Henan University（Natural Science），2006，36（4）：67－70.（in Chinese））

［7］ GOODING D，HAN L，F(xiàn)RASER R，et a1.Analysis of suspended solids in water using remotely sensed high res-olution derivative［J］.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1993，59（4）：505－510.

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Experiment Research on Spectrum Characteristics of Suspended Sediment in Yangtze River Estuary Deepwater Channel

ZHANG Hong1，HAN Zhen1，2，LIU Yu1
（1.College of Marine Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.The Key Laboratory of Shanghai Education Commission for Oceanic Fisheries Resources Exploitation Shanghai 201306，China）

The key problem formaintenance and regulation of Yangtze River estuary deepwater channel is the sedi-ment.The paper hasmeasured the reflected spectrums of different suspended sediment concentrations in the Yan-gtze River estuary deepwater channel sea area where has 7 buoys，and analyzed their spectrum characteristics，in combination with the telemetry data of“hydrology，sediment and wave automatic telemetry system in the Yangtze River estuary deepwater channel”and the field survey data.We found that the suspended sediment sensitive band is in 730－930 nm，and the first-order derivative at731 nm nearby has better correlation with suspended sediment concentration.The suspended sediment exponent model and quadratic inversion model solving spectrum reflec-tance，spectrum reflectancemean value and reflectance first-order derivative are established respectively，based on the analysis of spectrum characteristics.The results showed that the 900 nm wavelength exponentmodel can accu-rately quantitatively inverse the suspended sediment concentrations.

suspended sediment；reflected spectrum；remote sensing；Yangtze River estuary deepwater channel

TV141；O433

A

1001－5485（2010）03－0070－04

2009-03-04；

2009-05-13

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（08ZZ81）、上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（08230510700）、教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（209047）、水利公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（200701026）資助

張 宏（1984-），男，安徽涇縣人，碩士研究生，主要從事環(huán)境遙感研究，（電話(huà)）15921779870（電子信箱）lkdd10000＠163.com。

韓 震（1969-），男，山東德州人，教授，博士，主要從事遙感技術(shù)研究，（電話(huà)）021-61900339（電子信箱）zhhan＠shou.edu.cn。