基于ASD光譜儀的懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)研究*

何穎清，鄧孺孺，陳啟東，陳 蕾，2，秦 雁

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;2.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300)

水體光學(xué)特性的研究是水質(zhì)遙感的基礎(chǔ)，而現(xiàn)今的研究多以水體的表觀光學(xué)性質(zhì)為主，缺乏對水體固有光學(xué)參數(shù)的研究。目前獲取水體固有光學(xué)參數(shù)的方法主要是通過儀器測量，包括實驗室測量和野外實地測量。實驗室測量中最常用的儀器是分光光度計[1]，這種方法使用定量濾膜技術(shù)將待測成分從水中過濾出來，通過測量光量的衰減來計算物質(zhì)的吸收系數(shù)，該方法精度較高。而野外測量中常用的儀器有：美國Wetlabs公司生產(chǎn)的水體吸收、衰減系數(shù)測量儀AC9(雙光路、9通道)可測定水體的吸收、衰減系數(shù)[2]；光譜吸收儀AC-S(測量波段為400～750 nm)可測量水體的吸收系數(shù)[3]；加拿Satlantic公司生產(chǎn)的水下光譜儀SPMR(9通道)可測量水體的漫衰減系數(shù)[4]；美國Hobilabs 公司后向散射系數(shù)測量儀HS6(6通道)可測量水體的后向散射系數(shù)[5-7]。野外測量的環(huán)境接近于遙感成像時水體的狀態(tài)，獲取的水體固有參數(shù)對于水質(zhì)模型的建立更有意義。然而這些儀器的工作波段大都在可見光范圍內(nèi)，獲取的數(shù)據(jù)也是離散的數(shù)個通道，加之這些測量儀器價格不菲，廣泛應(yīng)用具有一定的困難。美國ASD公司的FieldSpec3 便攜式地物波譜儀廣泛應(yīng)用于地表、水表光譜測量中，很多研究機(jī)構(gòu)都配備了該儀器用于研究。該儀器探測的波長范圍為350～2 500 nm，可獲取連續(xù)光譜?；谝陨铣霭l(fā)點，本文設(shè)計了一套基于ASD光譜儀的實驗裝置，可用于觀測水體的光學(xué)衰減系數(shù)。

自然水體的光學(xué)衰減系數(shù)主要由純水、可溶性有機(jī)物、懸浮顆粒物的吸收、散射組成。很多學(xué)者[8-14]對于自然水體的衰減系數(shù)與有機(jī)顆粒物、無機(jī)顆粒物、葉綠素的關(guān)系進(jìn)行了研究，他們得出的結(jié)論是：光線在水體中傳輸?shù)乃p主要由懸浮物的吸收和散射所致，且無機(jī)懸浮物的影響占主導(dǎo)地位。內(nèi)陸水體中懸浮物的一個主要成分就是懸浮泥沙。懸浮泥沙大量存在于內(nèi)陸以及近岸水體中，主要因為內(nèi)陸、水體大都水深較淺，受風(fēng)浪的攪動作用水底的泥沙上浮，造成水中懸浮泥沙含量增大；近年來很多河流、水庫采沙現(xiàn)象日益嚴(yán)重，更使得水中的懸浮泥沙含量增大。因此，懸浮泥沙衰減系數(shù)的研究對水質(zhì)遙感的應(yīng)用意義重大。有些學(xué)者針對于含沙水體的表觀反射率、吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)進(jìn)行過實驗[6,15-17]，但尚無專門針對于懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)的研究。

綜上，本文設(shè)計了基于人工光源的實驗，使用ASD光譜儀測量光源穿透不同質(zhì)量濃度含沙水體的輻照度，計算泥沙對光源的衰減量，最終獲取泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)。

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)置

1.2 實驗原理

實驗中所使用的光源為方向性良好的大功率探照燈，其可視為平行光。如圖1所示入射光源在穿透待測水體后，穿過暗箱頂部的開口在標(biāo)準(zhǔn)板上形成一個圓形的光斑。圖1中d為暗箱開口直徑，α為光譜儀探頭的半視場角，H為暗箱頂部到標(biāo)準(zhǔn)板的距離，φ為探頭的傾角，r為探頭橢圓視場長軸。光譜儀在進(jìn)行輻亮度定標(biāo)時，探頭的視場范圍須覆蓋整個被測目標(biāo)，所以實際測量中探頭的視場范圍需小于光斑。如圖2所示，實驗時可調(diào)節(jié)H、φ、d使得探頭對準(zhǔn)光斑的中心，且r≤d/2。根據(jù)幾何關(guān)系容易求出

(1)

圖1 實驗光路圖

其中，H=26.5 cm，φ=37°，α=2.5°，求得r=3.75 cm。即d≥2r=7.5 cm，本實驗中取d=9.5 cm。光源垂直穿透水深為h待測水體、玻璃缸后到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)板，被標(biāo)準(zhǔn)板反射進(jìn)入光譜儀探頭，由于標(biāo)準(zhǔn)板為朗伯體，則光譜儀接收到的輻射亮度L(λ)可表示為

(2)

式中,Ed(λ,h)為水深h處波長為λ時的下行輻照度，Tg為玻璃缸的透過率，Rp為標(biāo)準(zhǔn)板反射率。

在光學(xué)性質(zhì)均勻的水體中，若假設(shè)水表面h=0處波長為λ時的輻射照度為Ed(λ,0)，k(λ,h)為待測水體的光學(xué)衰減系數(shù)，則有：

Ed(λ,h)=Ed(λ,0)e-k(λ,h)h

(3)

若光源、玻璃缸、標(biāo)準(zhǔn)板、光譜儀、探頭以及水深皆保持不變，改變待測水體樣本可得2組數(shù)據(jù)L1(λ)、L2(λ)。2組數(shù)據(jù)之比可得：

(4)

(5)

水體的衰減系數(shù)等于水分子以及水中雜質(zhì)的衰減系數(shù)的代數(shù)和，待測水體樣本為純凈水加上泥沙，即k=kw+ks，ks為泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)。若使用純水作為參照與含沙水體做比，即待測樣本1為水深h的純水獲取數(shù)據(jù)Lw(λ,h)，樣本2為水深h的含沙水體獲取數(shù)據(jù)Ls(λ,h)，由(5)式可得：

(6)

ks(λ,h)即為水深h處懸浮泥沙的衰減系數(shù)。

2.2.2 錄制視頻PPT的制作 視頻錄制時一般要輔助課件PPT。對于反轉(zhuǎn)課堂PPT的制作要求內(nèi)容清晰，與講授內(nèi)容相符。因為考慮到線上學(xué)習(xí)的靈活機(jī)動性，以及手機(jī)線上學(xué)習(xí)的軟件要求問題。所以課件制作無需十分復(fù)雜，但要文字表述清楚簡潔，內(nèi)容規(guī)劃調(diào)理清楚，可以穿插圖片、表格等。使得課件可以在微課錄制時輔助講授展示。也可分享到教學(xué)平臺讓學(xué)習(xí)者單獨下載，便于查閱和學(xué)習(xí)。

1.3 實驗步驟

實驗時若水過少，泥沙較難均勻懸浮，因此實驗的最小水深為5 cm，如表1共選取6個水深進(jìn)行實驗。加入純水后依次加入泥沙進(jìn)行實驗，每個深度共測得5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括1個純水參照，4個泥沙質(zhì)量濃度。由于實驗在室內(nèi)進(jìn)行，水面基本無晃動，光譜曲線穩(wěn)定，每次保存5條光譜曲線取平均即可。光譜積分時間為136 ms，故每組數(shù)據(jù)可在1 s內(nèi)采集完畢，每個深度實驗可在5 min內(nèi)完成。

表1 實驗中泥沙質(zhì)量濃度以及水深

2 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)校正

數(shù)據(jù)校正包括數(shù)據(jù)跳躍點校正和光源衰減校正。

光線穿透水體，通過暗箱開口到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)板，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)板反射進(jìn)入ASD光譜儀探頭，測得其輻亮度(此后稱作L光源)如圖2所示。由于ASD光譜儀的光纖輸入端口是由57條光纖構(gòu)成的，在測量距離比較小的時候，不同的光纖采集到不同位置的樣品光譜，導(dǎo)致圖3中糾正前的曲線在1 000、1 830 nm處出現(xiàn)了光譜連接點跳躍。這個問題不會影響所采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量，我們可將其糾正過來。ASD公司的FieldSpec 3 便攜式地物波譜儀由三組探測器組成，其光譜范圍分別為：350～1 000 nm，1 000～1 900 nm，1 700～2 500 nm。地物光譜曲線由這三組探測器獲得的數(shù)據(jù)接合而成。ASD公司經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，儀器所使用的三個探測器在不同的環(huán)境功能溫度以及預(yù)熱時間下具有變化的響應(yīng)度，但是在SWIR1(1 000～1 900 nm)波段傳感器的響應(yīng)度不受影響。因此我們以1 000～1 900 nm之間的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，根據(jù)以下等式對數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。光源糾正前后的曲線如圖2所示。

圖2 糾正前后的光源輻射亮度

(7)

由于所用光源為蓄電池供電，所以光源存在一定程度的衰減。經(jīng)過多次專門針對光源輻亮度的測量，發(fā)現(xiàn)光源隨時間呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性衰減。若以開燈時刻為初始時刻，即t=0，光源的輻射亮度可用下式表示：

L光源(t)=at+b

(8)

保存光譜數(shù)據(jù)時形成的原始*.asd文件屬性中可查看測量時間，可以針對于實驗前后的L光源進(jìn)行測量，計算其衰減斜率a、截距b，用于實驗中數(shù)據(jù)的糾正。任意時刻的測量數(shù)據(jù)可用下式進(jìn)行糾正：

Lcor(t)=L光源(0)·L(t)/(at+b)

(9)

實際測量時間很短，燈光衰減非常小，5 min內(nèi)的衰減約0.5%左右。為了提高實驗精度，應(yīng)盡量提高實驗的效率，縮短實驗時間。

2.2 泥沙衰減系數(shù)計算

圖3是6個水深測量得到的6組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括了測量同一水深下的純凈水、4個不同質(zhì)量濃度含沙水體經(jīng)校正后的輻亮度光譜曲線。由于水在紅外波段強(qiáng)吸收，曲線在紅外波段之后的值基本為0。因此圖中只截取了1 250 nm之前的數(shù)據(jù)顯示。容易看出隨著懸浮泥沙質(zhì)量濃度的增加，測量所得輻亮度越來越小，即泥沙質(zhì)量濃度越高，水體的消光作用越大。對比圖2光源的光譜曲線可知：加入水體之后的光譜曲線在750、980 nm出現(xiàn)2個明顯的谷值，這正好對應(yīng)于純水的吸收峰；對應(yīng)這2個谷值處，隨著水深的增加，水的消光作用增大，因此不同質(zhì)量濃度含沙水體的輻亮度在此處的間隔也越來越大；由為避開純水的兩個強(qiáng)吸收帶，實驗中截取920 nm之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

將每組數(shù)據(jù)中不同質(zhì)量濃度的含沙水體與純水的測量值做比，根據(jù)(6)式對不同水深的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行計算獲取泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)，共獲取6組數(shù)據(jù)如圖4所示。相比SPMR水下剖面儀測得的衰減系數(shù)而言，實驗獲取的是衰減系數(shù)的連續(xù)光譜，數(shù)據(jù)波長間隔是1 nm，而SPMR得到的只是9個波段的衰減系數(shù)。所有的24條曲線形狀基本一致，在350～400 nm處都存在微小的數(shù)據(jù)波動，這是由于光源在此處的輻亮度較小，加之水的吸收造成這部分信號較弱但仍在光譜儀的靈敏度范圍內(nèi)，所以使這部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)微小的震蕩。

圖3 光源穿透不同質(zhì)量濃度含沙水體后的輻亮度曲線

由實驗結(jié)果可以看到，實驗?zāi)嗌硺颖镜墓鈱W(xué)衰減系數(shù)光譜特征比較單一，近似為一條傾斜的直線，隨著波長的增加，衰減系數(shù)略有減小。根據(jù)Dekker的研究[18]，光學(xué)衰減系數(shù)是由吸收系數(shù)以及后向散射系數(shù)決定的。吸收系數(shù)由泥沙的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)決定，懸浮泥沙的吸收系數(shù)光譜通常隨著波長的增大而逐漸降低，近似符合負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律[17,19]；散射主要由泥沙的粒徑尺度決定，根據(jù)泥沙的粒徑尺度，散射的類型包括有瑞利散射、米散射、無選擇散射。前兩種散射強(qiáng)度都隨波長增大而逐漸降低，而無選擇散射則與波長無關(guān)。因此不管發(fā)生何種散射，綜合考慮吸收和散射兩者，泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)都應(yīng)當(dāng)存在隨著波長而減小的趨勢，這和實驗的結(jié)果是相符的。

圖4 不同質(zhì)量濃度不同水深懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)曲線

圖5 懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)隨泥沙質(zhì)量濃度變化圖

(10)

圖6 不同水深單位質(zhì)量濃度懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)

2.3 光學(xué)衰減系數(shù)的垂直變化

據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，自然界水體的光學(xué)衰減系數(shù)的垂直變化比較復(fù)雜,有遞增的、遞減的、均勻的，還有不規(guī)則型的,種類繁多[12]。這種變化往往是由于不同研究區(qū)域各個水層的物質(zhì)種類、含量的差異造成的。因此，對于研究單一成分是如何影響光學(xué)衰減系數(shù)的垂直變化是很有意義的。

大部分學(xué)者在研究自然水體的光學(xué)衰減系數(shù)時采用一種簡化的模式,即認(rèn)為k(λ)在觀測深度范圍內(nèi)不隨波長而變化,可近似地看為常數(shù)[20-21]。

由2.2可知，泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)波長依賴性不大，因此在研究泥沙光學(xué)衰減系數(shù)的垂直變化時，我們忽略其隨波長的變化，得到泥沙光學(xué)衰減系數(shù)的簡化計算式：

(11)

圖7 懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)隨水深變化圖

表2 實驗所用泥沙單位質(zhì)量濃度光學(xué)衰減系數(shù)

Table 2 Diffuse attenuation coefficient of per unit suspended sediment concentration used in the experiment

波長/nmks?/(m2·g～1)波長/nmks?/(m2·g～1)350～3830.084574～6130.076384～4040.083614～6530.075405～4240.082654～7020.074425～4430.081703～7390.073444～4730.080740～7900.072474～5060.079791～8400.071507～5420.078841～9120.070542～5730.077913～9200.069

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了利用ASD光譜儀測量懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)的實驗，以純水為參照，對不同水深處不同質(zhì)量濃度的含沙水體光學(xué)衰減系數(shù)進(jìn)行了測量，揭示了某一粒徑組成下的懸浮泥沙在5～40 mg/ L 質(zhì)量濃度范圍、350～920 nm波段內(nèi)光譜衰減的變化規(guī)律，并計算出了單位質(zhì)量濃度懸浮泥沙在350～920 nm波段內(nèi)，光譜間隔為1 nm的光學(xué)衰減系數(shù)，為水質(zhì)遙感物理分析模型提供了必要參數(shù)。實驗結(jié)果表明：

1)實驗所用泥沙粒子的光學(xué)衰減系數(shù)表現(xiàn)為一條略傾的曲線，其光譜特征較為單一，波長依賴性不大。隨著波長的增大，衰減系數(shù)略有減??；

2)懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)在0～40 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與泥沙的質(zhì)量濃度成正比；

3)懸浮泥沙光學(xué)衰減系數(shù)在0～0.15 m深度范圍內(nèi)的垂直變化可以忽略。

從微觀角度來看，泥沙光學(xué)衰減系數(shù)的光譜特征與泥沙的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及粒度組成有很大關(guān)系。因此，以上結(jié)論皆針對于本實驗所用懸浮泥沙。不同粒徑組成下泥沙的光學(xué)衰減系數(shù)的光譜特征還有待研究。

此外，本文設(shè)計的基于ASD光譜的實驗方案，簡單易操作，能獲取連續(xù)的光學(xué)衰減系數(shù)光譜曲線，光譜分辨率高，波段范圍寬，能測量其他水質(zhì)成分的光學(xué)衰減系數(shù)，也是下一步研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建華.分光光度計測量2類水體光譜吸收系數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)[J].海洋技術(shù),2003,22(1):34-39.

[2]李剛.水體吸收衰減系數(shù)測量儀定標(biāo)技術(shù)[J].海洋技術(shù),2005,24(4):120-123.

[3]MOORE C, BARNARD A, HANKINS D, et al.Spectral Absorption and Attenuation Meter (Ac-S) User’s Guide,Revision A [M] .America:WET Labs Inc,2004:5-20.

[4]彭海龍,孫從容,張正,等.黃、東海區(qū)光譜漫衰減系數(shù)特性研究[J].海洋通報,2004,23(4):15-18

[5]MAFFIONE R A , DANA D R.Instruments and methods for measuring the backward scattering coefficient of ocean waters [J] .Applied Optics, 1997, 36 (24) : 6057- 6067.

[6]宋慶君,唐軍武,馬榮華.水體后向散射系數(shù)校正方法研究[J].海洋技術(shù),2008,27(1):48-52.

[7]韓震,惲才興,蔣雪中.懸浮泥沙反射光譜特性實驗研究[J].水利學(xué)報,2003,12:118-122.

[8]BLOM G, Van DUIN E H S, LIJKLEMA L.Sediment resuspension and light conditions in someshallow Dutch lakes[J].Wat Sci Technol, 1994,30: 243-252.

[9]BUITEVELD H.Amodel for calculation of diffuse light attenuation (PAR) and secchi depth.Neth J Aquat Ecol, 1995,29:55-65.

[10]Van DUIN E H S, BLOM G, LOS F J,et al.Modelingunder water light climate in relation to sedimentation, resuspension,water quality and autotrophic growth[J].Hydrobiologia, 2001,444:25-42.

[11]孫德勇,李云梅,樂成峰,等.太湖水體散射特性及其與懸浮物質(zhì)量濃度關(guān)系模型[J].環(huán)境科學(xué),2007(12):688-2693.

[12]張運林,秦伯強(qiáng),陳偉民,等.太湖水體光學(xué)衰減系數(shù)的分布及其變化特征[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(4):447-453.

[13]張運林,秦伯強(qiáng),陳偉民,等.太湖水體光學(xué)衰減系數(shù)的特征及參數(shù)化[J].海洋與湖沼,2004,35(3):209-213.

[14]樂成峰,李云梅,查勇,等.太湖水體漫射衰減系數(shù)的光學(xué)特性及其遙感反演模型[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,2(2):337-343.

[15]王艷姣,張培群,董文杰.懸浮泥沙反射光譜特性和泥沙量估算試驗研究[J].泥沙研究,2007,10:36-41.

[16]沈芳,周云軒,李九發(fā),等.河口懸沙粒徑對遙感反射率影響的理論分析與實驗觀測[J].紅外與毫米波學(xué)報,2009,28:168-172.

[17]孫德勇,李云梅,王橋,等.不同質(zhì)量濃度懸浮泥沙水體的光譜吸收特性模擬[J].地理與地理信息科學(xué),2008(24):16-20.

[18]DEKKER A G,HOOGENBOOM H J, GODDIJN L M,et al.the relationship between spectral reflectance absorption and backscattering for four inland water types[C]∥Proceedings of 6thint symp on physical measurements and signatures in remote sensing,CNES, France,1994: 245-252.

[19]BOWERS D G, BINDING C E.The optical properties of mineral suspended particles : A review and synthesis [J] .Estuarine ,Coastal and Shelf Science ,2006 ,67 :219-230.

[20]KIRK J T O.Light and photosynthesis in aquatic ecosystem[M].Cambridge: Cambridge University Press, 1983:113-114, 115-117.

[21]李武,張士魁,吳曙初,等.北黃海水中輻照度的分布變化特征[J] .黃渤海海洋,1997,15(2): 16-20.