潮灘表層沉積物光譜的實驗室測量方法研究

尹 君，張 東，劉 鑫，陶 旭

（南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210046）

潮灘表層沉積物光譜的實驗室測量方法研究

尹 君，張 東*，劉 鑫，陶 旭

（南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210046）

潮灘沉積物樣品的實驗室光譜測量是對潮灘沉積物野外光譜測量的重要補充，但是不同的實驗室測量條件會產(chǎn)生不同的光譜測量結(jié)果，進而影響到沉積物光譜特征分析。針對可能對潮灘沉積物樣品實驗室光譜測量產(chǎn)生影響的因素，設(shè)計了培養(yǎng)皿內(nèi)壁光線反射影響實驗、不同視場角及不同高度對光譜測量結(jié)果的影響實驗以及培養(yǎng)皿擺放位置影響實驗，通過分析不同實驗方案下測量得到的光譜差異，確定合理的沉積物光譜室內(nèi)測量方案。實驗結(jié)果表明：（1）培養(yǎng)皿內(nèi)壁暴露部分需要做涂黑消光處理，否則玻璃壁對光線的反射會使沉積物反射率測量結(jié)果整體增加，增加幅度約為黑壁條件下測量結(jié)果的4.1%；（2）在保證沉積物樣品探測范圍的前提下，測量高度對小視場角的光譜測量結(jié)果有較大影響，但是不同高度下的光譜曲線之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.954；（3）測量干土光譜時培養(yǎng)皿擺放位置對測試結(jié)果影響很小，而當測量濕土光譜時，在靠近人工光源的位置測量會產(chǎn)生較大測量偏差，需要通過多點位測量求平均來減小沉積物表面不均一性對光譜測量結(jié)果的影響。

沉積物光譜；實驗室測量；潮灘

土壤是地球陸地表面的覆蓋層，是大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈之間的交界地帶[1]。作為地球生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，近年來對土壤的研究得到越來越多的重視，土壤光譜特性的研究逐漸發(fā)展為一門獨立的學科。眾所周知，土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量、土壤水分高低等的差異會對土壤光譜產(chǎn)生重要影響，從而使光譜曲線具有不同的形狀、斜率、坡向和吸收特征[2-3]?；谶@些特征的光譜曲線分析，可以提取農(nóng)田土壤的有機質(zhì)含量、養(yǎng)分狀況以及土壤重金屬含量等信息，為指導農(nóng)業(yè)活動、保護生態(tài)環(huán)境提供決策參考[4-6]；對于潮灘地區(qū)則可以提取海岸帶潮灘沉積物質(zhì)地（砂、粘土含量）、有機碳以及總氮含量等信息[7]；且能夠反演潮灘沉積物類型和粒度參數(shù)的空間分布[8]。而要得到這些沉積物參數(shù)信息，關(guān)鍵在于掌握正確的沉積物光譜測量方法，獲取合適的沉積物光譜曲線數(shù)據(jù)。

沉積物光譜曲線的獲取通常有兩種方法，即遙感測量和地表測量，其中地表測量包括野外光譜測量和實驗室光譜測量。野外測量受到大氣傳輸狀況、云層、風等因素的影響，同時儀器視場角、觀測和光線照射的結(jié)合角度、儀器掃描速度、目標特征的時空變化等因素也會影響到最終的野外光譜采集結(jié)果[9-11]，因此，沉積物光譜的野外實地測量受到眾多的外界因素制約。

與此相比，實驗室測量具有以下優(yōu)勢[12-13]：（1）測量不受天氣條件和日照時間長短的限制，可以進行長時間的重復觀測；（2）可以設(shè)計多組實驗方案，得到不同的測量結(jié)果；（3）觀測條件、試驗儀器架設(shè)固定，測量可以大大減少人為因素帶來的誤差。特別是在淤泥質(zhì)潮灘潮間帶區(qū)域，由于潮汐水位變動的影響以及潮灘本身泥濘不堪，野外光譜測量非常困難。因而采集少量沉積物樣本，按要求設(shè)置不同的測試要素，進行實驗室光譜測量，是獲取潮灘沉積物實測光譜數(shù)據(jù)的重要途徑[14]。

盡管如此，由于光譜的實驗室測量不如野外測量使用廣泛，相關(guān)測量規(guī)范也較少，因此實際操作過程中，很多的實驗室光譜采集條件、儀器架設(shè)均是參照野外測量規(guī)范進行的，隨意性較大。而兩者在測量環(huán)境上有很大的差別，單以野外光譜測量規(guī)范為依據(jù)并不能完全適應實驗室測量的環(huán)境。據(jù)此本文根據(jù)《我國典型地物標準波譜數(shù)據(jù)庫規(guī)范與標準(試行版)匯編》中的相關(guān)規(guī)定，主要考慮實驗室測量環(huán)境下潮灘沉積物含水量對沉積物光譜的影響，設(shè)計以下3個相關(guān)實驗：人工光源下培養(yǎng)皿內(nèi)壁的光線反射影響實驗、不同視場角和不同高度對光譜測量的影響實驗、培養(yǎng)皿擺放位置影響實驗，擬通過這一系列實驗，對比分析沉積物實測光譜之間的差異及轉(zhuǎn)化方法，為確定室內(nèi)測量沉積物光譜實驗條件提供參照。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗樣品及處理

本次實驗的沉積物樣品取自江蘇省鹽城市大豐王港和新洋港的潮間帶光灘（圖1），采樣時間分別為2008年6月1～5日和2011年7月14～15日。沉積物樣品為沉積物表面約1 cm厚的土樣，采樣時使用密封袋密封、編號并保存。采回的樣品在實驗室使用MasterSizer2000激光粒度儀進行沉積物粒度參數(shù)分析，并根據(jù)Shepard分類方法對樣品進行分類。經(jīng)分析，樣品一共可分為5類，分別是：粉砂、粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂。在樣品中選取實驗樣本9個，分別為粉砂質(zhì)砂、砂、砂質(zhì)粉砂、粘土質(zhì)粉砂樣本各2個，粉砂樣本1個。

由于本實驗主要考慮潮灘沉積物含水量隨時間變化時對應的實測光譜曲線變化情況，沉積物樣品存在水分，為了便于土樣的存放、稱重、烘干，實驗樣品統(tǒng)一使用直徑為9 cm，高度為1.6 cm的培養(yǎng)皿盛放。進行光譜測試前，首先將測試的土樣放入燒杯加水攪勻，靜置12 h以上，待土樣全部沉淀之后抽去表層水，然后將土樣放入培養(yǎng)皿中，土樣高度為1 cm左右，該高度可以屏蔽培養(yǎng)皿底部的反射，模擬無限深的現(xiàn)場沉積物環(huán)境。在進行干土光譜測試時，需要對相關(guān)樣品在105℃條件下烘6 h，獲得干土樣本。

1.2 實驗儀器以及實驗環(huán)境設(shè)計

沉積物光譜測量采用美國ASD公司的ASD FieldSpec Pro FR全光譜便攜式光譜分析儀，儀器波長范圍為350～2 500nm。在350～1000nm范圍內(nèi)儀器采樣間隔為1.4nm，光譜分辨率為3 nm；在1 000～2 500 nm范圍內(nèi)儀器采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm。

實驗在暗室中進行，采用ASD自帶的50 W鹵素燈人工光源提供平行光。人工光源照射方向與垂直方向夾角15°，光源距離培養(yǎng)皿的垂直高度為50 cm。光譜儀探頭垂直于培養(yǎng)皿架設(shè)。測試前樣品周圍使用黑色吸光絨布遮蓋，避免測量時周圍物體對光產(chǎn)生折射而引起誤差。測試時培養(yǎng)皿上方用中心被剪成直徑約為6 cm的圓形的黑色吸光絨布遮蓋，減少培養(yǎng)皿沉積物上部露出的玻璃壁部分對光線產(chǎn)生二次反射造成的光譜測量結(jié)果影響。

1.3 實驗方案設(shè)計

1.3.1 實驗內(nèi)容

（1）培養(yǎng)皿內(nèi)壁光線反射影響實驗：由于培養(yǎng)皿為玻璃材質(zhì)，光滑透明的玻璃壁對光具有反射作用，這對于實驗室采集沉積物光譜信息的準確性具有一定的影響。為此設(shè)計了人工光源下培養(yǎng)皿內(nèi)壁的光線反射影響實驗。實驗時一部分培養(yǎng)皿邊壁涂上黑漆，進行吸光處理，反射率近似為0，稱為黑壁；另一部分培養(yǎng)皿內(nèi)壁未作處理，稱為玻璃壁。將同一土樣分別放入上述兩種不同內(nèi)壁條件的培養(yǎng)皿內(nèi)進行光譜測量，對比測試結(jié)果，分析玻璃壁對光譜測量可能產(chǎn)生的影響。實驗采用5°視場角，探頭距離土樣的高度為28 cm。

（2）不同視場角、不同高度對光譜測量的影響實驗：視場角的大小以及探測器頭部與樣品的垂直距離決定了儀器探測到的土樣面積，不同的視場角與測試高度組合會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。何挺等[11]認為野外光譜采集時儀器距目標物的高度應在15～20 cm范圍內(nèi)，因此本實驗將實驗高度初步定為18 cm以及28 cm，在該高度下，可選用的視場角為1°和5°。根據(jù)初步測試的結(jié)果并結(jié)合土樣可探測面積的大小，選擇1°視場角在13～48 cm高度范圍內(nèi)以5 cm為間隔，測試8組不同高度的反射率，分析反射率與測試高度之間的變化關(guān)系。

（3）培養(yǎng)皿擺放位置影響實驗：由于沉積物表面存在不均一性，光譜測試時，在探測器可測范圍內(nèi)，以光纖探頭垂直落點為中心，以人工光源入射方向為0°方位，將培養(yǎng)皿土樣向前后左右隨機移動4個不同的位置，取其均值作為沉積物光譜的測量結(jié)果。分析測量結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，各樣品不論內(nèi)壁情況如何，其4次不同位置測試中均有1次結(jié)果偏離其他3次的測試結(jié)果，為此設(shè)計了本實驗來確定培養(yǎng)皿擺放位置對光譜測量結(jié)果的影響。實驗時，以光纖探頭在測試臺的垂直落點為中心位，以該中心位為圓心、1 cm為半徑畫圓，培養(yǎng)皿中心在該圓上移動。移動時以人工光源入射方向為0°方位，培養(yǎng)皿逆時針方向每隔90°測量1次，共取5次測量結(jié)果。實驗中為了考慮水分對沉積物光譜測量的影響，在測試時增加了濕土的情況。

1.3.2 實驗方案

實驗前將待測試的土樣放入培養(yǎng)皿中，輕輕晃動培養(yǎng)皿使土樣表面平整。測試時除實驗三測試了5個不同位置外，其余實驗均測試除0°以外的4個位置，每次數(shù)據(jù)采集前都進行標準白板校正，每個位置記錄10條反射率光譜曲線。光譜測量數(shù)據(jù)去除震蕩較大的350～380 nm和2 400～2 500 nm，并計算3次3點滑動平均以消除“毛刺”現(xiàn)象，然后對同一樣品測試的不同位置計算平均值，作為該樣品的最終測試結(jié)果。表1為實驗所使用的樣品對應的實驗方案列表。

表1 沉積物光譜實驗室測量實驗方案列表

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

在實驗中會測得多組沉積物光譜曲線，針對兩條光譜曲線，采用協(xié)方差Cov來統(tǒng)計曲線上不同波段反射率數(shù)據(jù)對之間的相隨變動特征，描述光譜曲線在形態(tài)上的相似度；采用CRr（Change Rate of reflection）指標來分析兩條光譜曲線之間的變化幅度，計算公式如下：

式中：n為波段數(shù)；i為波段序號；R1i和R2i分別代表光譜曲線1與光譜曲線2在i波段的光譜反射率。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同內(nèi)壁對光線反射的影響對比分析

實驗結(jié)果顯示，同一沉積物在不同內(nèi)壁條件下測得的干土反射率值，玻璃壁的測試結(jié)果均大于黑壁的測試結(jié)果，圖2顯示了其中的粘土質(zhì)粉砂1號樣品的沉積物光譜曲線對比，其它樣本結(jié)果類似。說明由于玻璃內(nèi)壁對光線的直接反射以及沉積物表面反射到玻璃內(nèi)壁造成的二次反射作用，增加了探測器測量到的沉積物光譜反射率。表2顯示了不同樣本在玻璃壁與黑壁條件下測量的沉積物光譜曲線差異CRr的分布?？梢钥闯?，玻璃壁與黑壁相比，除了粉砂質(zhì)砂1號樣品為0.033、砂2號樣為0.004外，其余樣品均在0.01左右，玻璃壁條件下測得的反射率整體上比黑壁條件下測得的反射率大4.1%左右。對兩者進行相關(guān)分析，結(jié)果如圖3所示，對應的線性轉(zhuǎn)化模型如下：

式中：Rg和Rb分別為玻璃壁和黑壁條件下測量得到的沉積物光譜反射率；i為波段號。經(jīng)分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.997。使用粘土質(zhì)粉砂1號和砂2號進行驗證，R2分別為0.993和0.992，可見玻璃壁與黑壁條件下測得的沉積物反射光譜具有顯著的線性相關(guān)特征。

進一步統(tǒng)計同種樣品在不同內(nèi)壁條件下光譜反射率之間的協(xié)方差Cov，結(jié)果如表2所示。所有樣品均在0.005左右，差異非常小，這也說明了不同內(nèi)壁條件下沉積物光譜反射率不僅具有線性相關(guān)性，而且在光譜曲線形態(tài)上具有極高的相似度，因此可以利用式（2）來有效消除玻璃壁的光線反射影響，獲得正確的沉積物樣本光譜反射率，從而實現(xiàn)沉積物光譜曲線的還原。

表2 培養(yǎng)皿內(nèi)壁的光線反射影響實驗結(jié)果統(tǒng)計

2.2 不同視場角、不同高度對沉積物光譜測量的影響分析

對粉砂質(zhì)砂1號以及粉砂兩個樣本分別進行了1°和5°視場角下18 cm和28 cm高度的沉積物光譜影響測試實驗。圖4顯示了粉砂質(zhì)砂1號樣品在相同高度不同視場角下的光譜曲線對比?？梢钥吹?，在18 cm高度下，5°和1°視場角對沉積物光譜測量基本沒有影響，兩者的CRr為0.008；但是在28 cm高度下，兩者差異較大，經(jīng)計算，CRr為0.03，可見，不同視場角下測量高度對測試結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。

進一步統(tǒng)計分析可知，在18 cm和28 cm兩個測量高度，粉砂質(zhì)砂1號樣品當視場角為1°時測試結(jié)果間CRr出現(xiàn)0.03的偏差，而5°視場角時CRr僅為0.008 9；同樣，粉砂樣品在1°視場角時測試結(jié)果間CRr為0.06，而5°視場角時CRr為0.012，可見在不同測試高度下1°視場角對光譜測量的影響要大于5°視場角。結(jié)果表明，1°視場角下不同高度光譜測量差異較大，而5°視場角下光譜測量對高度的變化不敏感。其主要原因在于相同的測量高度條件下，1°視場角時探頭能夠探測到的半徑僅為5°視場角時的1/5左右，而沉積物表面的不均一性會使同一土樣在4個不同位置的光譜測量產(chǎn)生偏差，從而導致同一樣品在不同高度的光譜測量結(jié)果出現(xiàn)偏離。

因此，在1°視場角下對5種沉積物樣本測量了13～48 cm的高度范圍內(nèi)以5 cm為間隔的40組光譜數(shù)據(jù)，進行不同高度對光譜測量結(jié)果的影響分析。以20 cm高度為光譜測量高度基準，建立了不同高度下沉積物反射率與20 cm高度測量光譜之間的統(tǒng)計相關(guān)模型如下：

式中：h為沉積物光譜測量時探頭距離目標物的實際高度（cm）；R20為探頭距離目標物20 cm時的沉積物反射率；R為對應高度為h測量的沉積物反射率；i為波段號。經(jīng)分析，建模組和驗證組的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.910和0.958。因此可以利用式（3）實現(xiàn)50 cm以內(nèi)任意高度下測量的沉積物光譜向20 cm基準高度測量光譜的轉(zhuǎn)換，從而降低不同高度對1°視場角下光譜測量結(jié)果的影響。

2.3 培養(yǎng)皿擺放位置對光譜測量結(jié)果的影響分析

做了8個樣品共10組測試，對應的樣品編號如表1所示。測試結(jié)果顯示：干土情況下培養(yǎng)皿在5個不同擺放位置測量的光譜曲線基本重合，對沉積物光譜測量結(jié)果無影響，而濕土在0°位置的測量結(jié)果偏離其他位置的測量結(jié)果。圖5為粘土質(zhì)粉砂2號濕土樣品在視場角為5°、探頭距離目標28 cm條件下的光譜測量結(jié)果?？梢钥闯?，培養(yǎng)皿擺放在0°位置時，光譜曲線在758～1 850 nm范圍內(nèi)測量結(jié)果比其他位置的測試值要大0.02左右?？赡艿脑蚴怯捎诔练e物水處于飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)時，沉積物表面會形成一層水膜，而在地表平坦時，接近于鏡面反射，其反射率會增高[15]。在這種狀況下，當實驗土樣位置接近人工光源，即采用0°位置時，光線投射到樣品表面，將有更多的反射光進入探頭，從而使該位置下濕土反射率明顯大于其他位置時的反射率值。因此在進行沉積物光譜測量特別是含水量有變化時，應避開距離人工光源過近的位置，取其它4個位置的光譜測量值進行平均和平滑處理，以此作為該樣本的平均光譜反射率。

3 結(jié)論

實驗室沉積物光譜測量不同于野外地物光譜測量，培養(yǎng)皿內(nèi)壁的反射、視場角的選擇、探頭距離沉積物的高度、培養(yǎng)皿擺放位置等環(huán)境因素會對光譜測量產(chǎn)生影響。根據(jù)上述實驗結(jié)果分析可知，在實驗室條件下采集沉積物光譜曲線時需要注意：

（1）利用培養(yǎng)皿作為沉積物容器進行光譜測量分析時，1 cm左右的土層厚度可以模擬無限深的現(xiàn)場沉積物環(huán)境。正常情況下，培養(yǎng)皿內(nèi)沉積物上部露出的玻璃壁需要做涂黑消光處理，以減少玻璃壁對光線的反射。如果不做涂黑處理，測量得到的沉積物反射率會比做涂黑處理得到的反射率增加約4.1%。但是，兩者在光譜曲線形態(tài)上具有很好的相似度，相關(guān)系數(shù)R2達到0.997，因此可以通過建立線性相關(guān)模型，消除培養(yǎng)皿玻璃壁的反射影響。

（2）在保證沉積物樣品探測范圍的前提下，視場角越大，對沉積物樣品表面的探測面積也越大，沉積物表面顆粒的不均一性對測量光譜的影響越小。因此，大視場角條件下測量高度對光譜測量結(jié)果的影響可以忽略。而小視場角條件下，測量高度對光譜測量結(jié)果有較大影響，不過光譜曲線之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，可以實現(xiàn)不同高度間反射率的轉(zhuǎn)換。因此，如果利用培養(yǎng)皿進行沉積物光譜測量，建議使用5°視場角。如果采用1°視場角，可通過線性轉(zhuǎn)換關(guān)系推算出在20 cm高度時的沉積物光譜反射率，作為樣品的最終光譜反射率。

（3）通常情況下，由于沉積物表面存在不均一性，在測試同一沉積物樣品的光譜時，需移動樣品進行多次測試。干土樣品可以選擇光纖探頭在測試臺的垂直落點為中心位，以人工光源入射方向為0°方位，取1 cm為移動幅度，逆時針方向移動，測量中心位、0°位、90°位、180°、270°位的結(jié)果，取平均值作為樣本的實測光譜。具體移動幅度以保證能夠測量到沉積物光譜為原則，參照培養(yǎng)皿的大小進行設(shè)計。濕土樣品在靠近人工光源的0°位光譜測量值較其余4個位置有較大偏差，具體測量時建議去除該位置的測量，取中心位、90°位、180°、270°位的測量結(jié)果的平均值作為樣本的實測光譜。

致謝：南京師范大學李歡博士對本研究中實驗方案的設(shè)計以及數(shù)據(jù)分析提供了幫助與指導，謹致謝忱。

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Study of Sediment Spectrum Measurement Method for Tidal Flat Sediment Samples under Laboratory Conditions

YIN Jun,ZHANG Dong,LIU Xin,TAO Xu
(College of Geography Science,Nanjing Normal University,Nanjing Jiangsu210046,China)

Laboratory spectrum measurement can be thought of as a beneficial supplement to field spectrum measurement,however,different observation environment will lead to different results,which in turn affects the spectral characteristics of sediment.Thus,an experiment was designed to figure out the spectral response when observation angle and height varied and culture dish placement changed,meanwhile the light pollution from the inner wall of culture dish was also considered in this process.Through spectral analysis and comparison of reflectance measured under different observation conditions,a reasonable operation procedure was proposed and the results indicates that:(1)The inner wall of culture dish which is exposed in air should be paint with black color for reducing light pollution from the wall of culture dish,otherwise reflectance of sediment would approximately increase the extent of 4.1%about the reflectance measured under black wall condition;(2)Sediment spectra were sensitive to the change of observation height under relatively small observation IFOV,however,the spectra measured under different observation height possessed significant linear correlation while the correlation coefficient reached 0.954; (3)The placement of culture dish effected reflectance of dry sediment diminutively,on the contrary,reflectance had an obvious change when culture dish moved to artificial light source,in the latter condition,spectra of sediment measured from multiple nadir location should be averaged to reduce the effects of sediment surface heterogeneity on optical measurements.

sediment spectrum;laboratory measurement;tidal flat

P712

A

1003-2029（2013）01-0001-06

2012-11-10

國家自然科學基金資助項目(40606044)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目

尹君(1987-)，女，碩士研究生，主要從事海岸帶高光譜遙感應用研究。Email：465405852@qq.com

張東，博士，副教授，主要研究方向為海洋信息技術(shù)及海洋動力過程模擬。Email：zhangdong@njnu.edu.cn