長江口水域懸浮泥沙粒徑對(duì)光譜反射率的影響分析

馮雪花，蘇金善

(伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆伊寧　835000)

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長江口水域懸浮泥沙粒徑對(duì)光譜反射率的影響分析

馮雪花，蘇金善

(伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆伊寧835000)

在懸浮泥沙遙感研究中,通常忽略粒度特征因子,主要考慮懸沙濃度單個(gè)因子與光學(xué)特性的關(guān)系.而單純考慮濃度與光譜反射特性關(guān)系所建立的模型在應(yīng)用的時(shí)空尺度方面會(huì)受到較大的限制.將沉積物打碎并分散在溶液中,然后從不同角度照射懸浮在溶液中的顆粒,并統(tǒng)計(jì)不同粒徑區(qū)間內(nèi)顆粒的數(shù)量和比例,從而描繪出粒徑頻率分布圖獲取粒徑參數(shù)方式，分析懸沙粒徑因子對(duì)光譜反射率的影響.測(cè)試結(jié)果表明懸沙粒徑分布主要是通過后向散射來對(duì)光譜反射率產(chǎn)生影響,細(xì)顆粒泥沙具有較大的后向散射，粗顆粒泥沙則具有較小的后向散射；細(xì)粒徑泥沙會(huì)增大光譜反射率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力證實(shí)了理論分析.

懸沙粒徑；光譜反射率；懸沙濃度

在相關(guān)懸浮泥沙遙感研究中,懸浮粒子濃度這一單個(gè)因子與光學(xué)特性的相關(guān)方面研究較為成熟，而有關(guān)懸浮顆粒粒徑與固有光學(xué)量之間的相關(guān)關(guān)系研究較少.Kostadinov[1]利用查找表的方法結(jié)合MIE散射理論對(duì)全球海洋的懸浮物粒徑分布特征進(jìn)行了討論；Huang等[2]利用不同類型的遙感數(shù)據(jù)反演潮間帶懸浮泥沙平均粒徑，并對(duì)多光譜和高光譜遙感數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行了比較分析，較為深入地揭示了粒度特征與光學(xué)量之間的關(guān)系，引發(fā)了國內(nèi)研究者的關(guān)注.目前國內(nèi)關(guān)于粒徑與光量特征的研究還主要集中在潮間帶區(qū)域，而對(duì)表層海水的懸浮物粒徑研究較少，最近楊曦光等[3]利用MIE理論，結(jié)合海洋光學(xué)原理建立了基于表層海水固有光學(xué)參數(shù)的懸浮泥沙平均粒徑的遙感反演模型[3].蔣雪中等[4]對(duì)長江口最大渾濁帶懸浮粒徑同光譜特征做了大量實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為懸浮泥沙平均粒徑及中值粒徑皆與光譜反射率具有一定的關(guān)系，在350～600 nm段呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，600～1000 nm 段呈正相關(guān)關(guān)系，750～930 nm 波段相關(guān)性最好.事實(shí)證明粒徑對(duì)光譜反射率的確具有一定的影響.同時(shí)也表明遙感應(yīng)用中不考慮粒徑對(duì)遙感反射率影響的確會(huì)導(dǎo)致懸浮顆粒濃度反演有較大的誤差.但是此項(xiàng)研究也存在遺憾之處，研究中通過建模,理論分析得出粒徑對(duì)光譜產(chǎn)生影響的機(jī)理較明確，但沒有用長江口的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)這一研究理論.

對(duì)于懸沙粒徑特征來說,河口區(qū)域不同時(shí)間不同地點(diǎn)皆有差別,長江口區(qū)域懸浮泥沙濃度及粒徑在不同區(qū)域分布上有較大差異,并且還呈現(xiàn)出時(shí)間上的周期性變化(潮周期,大小潮周期,季節(jié)性周期)[5].考慮到除泥沙濃度外,粒徑參數(shù)對(duì)光譜特性的影響,研究懸沙濃度及粒徑雙因子共同作用下的水體光譜反射特性具有一定的意義.因此，在考慮懸浮粒子濃度的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步引入粒徑這一影響因子作為研究參數(shù),具有十分現(xiàn)實(shí)的意義.一方面有利于加深我們對(duì)于水體光學(xué)特性更為全面的理解,與此同時(shí)，也能有效降低僅將懸浮粒子濃度這一單一因子作為光學(xué)特性相關(guān)研究帶來的多種應(yīng)用中的受限.

1　懸沙濃度及粒徑數(shù)據(jù)的獲取與處理

首先要獲取長江口流域的懸沙濃度及粒徑數(shù)據(jù)，通過野外采樣定點(diǎn)觀測(cè)的方式獲取了懸沙濃度及粒徑數(shù)據(jù)，懸沙濃度的獲取采用了激光原位散射和透射測(cè)量法.

1.1現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取與處理

1)懸沙粒徑采用野外同步采樣,由于水體懸沙濃度變化與潮汐的變化有著直接的關(guān)系，野外數(shù)據(jù)的獲取采用定點(diǎn)觀測(cè)的方式.該方式能夠較好的捕捉到懸沙濃度的梯度，獲取不同時(shí)段懸浮顆粒水體的光譜數(shù)據(jù).同步采集水體表層水樣,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量水樣的泥沙濃度及粒徑分布數(shù)據(jù)；獲取方法是將沉積物打碎并分散在溶液中,從不同的角度對(duì)懸浮在溶液中的顆粒進(jìn)行照射,統(tǒng)計(jì)不同粒徑區(qū)間內(nèi)顆粒的數(shù)量,然后計(jì)算各區(qū)間顆粒數(shù)在總顆粒數(shù)中的比例,從而描繪出粒徑頻率分布圖和累計(jì)頻率分布圖,并得出粒徑統(tǒng)計(jì)參數(shù).

2)分析水體光譜反射率的基本特征；

3)理論分析解釋懸沙粒徑對(duì)光譜反射率的影響,并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基本結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證；

實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)主要來自于三個(gè)方面:

1)實(shí)測(cè)水面光譜數(shù)據(jù);

2)測(cè)量水體光譜數(shù)據(jù)的同時(shí),在測(cè)量點(diǎn)取表層水樣,利用過濾法在室內(nèi)進(jìn)行泥沙濃度分析,獲取泥沙濃度數(shù)據(jù)；

3)與光譜數(shù)據(jù)同步采樣獲取所測(cè)粒徑數(shù)據(jù).

1.2儀器使用與參數(shù)計(jì)算

本研究采用LISST(Laser In-Situ Scattering and Transmissometry)進(jìn)行了現(xiàn)場連續(xù)觀測(cè),由于儀器本身需要安置于水下一定深度,同時(shí)考慮到船體晃動(dòng)的影響,儀器探頭安置于距離水面約一米水深處，在不加光程縮短器的情況下,儀器測(cè)量懸沙濃度的上限約為0.2 g·L-1,由于長江口懸沙濃度較高,這一測(cè)量范圍不能滿足要求,為提高儀器懸沙濃度的測(cè)量范圍,儀器探頭處加裝了40 mm的光程縮短器，光程縮短器提高儀器測(cè)量懸沙濃度的范圍,本研究中儀器的濃度測(cè)量范圍提高了5倍，測(cè)量懸沙濃度范圍達(dá)到1 g·L-1.

表1給出LISST-100獲得的數(shù)據(jù)的方式,處理過程中主要是根據(jù)其中32個(gè)粒級(jí)的體積濃度數(shù)據(jù)計(jì)算出懸浮物的體積濃度和平均粒徑，體積濃度計(jì)算公式為

(1)

其中Vci為第i個(gè)粒級(jí)數(shù)據(jù)的體積濃度數(shù)據(jù),總懸浮物的體積濃度即為這32個(gè)粒級(jí)的體積濃度之和.平均粒徑計(jì)算公式為

(2)

其中,Dmi表示第i粒級(jí)的平均粒徑;Pi為第i粒級(jí)的體積濃度占總懸浮物的體積濃度的百分比.Dmi從表2中獲取.

表1　LISST-100數(shù)據(jù)格式

表2　32個(gè)粒級(jí)的平均粒徑值

2　粒徑對(duì)光譜反射率的影響分析

2.1懸沙粒徑分布對(duì)遙感反射率的影響

在單次近似的條件下,遙感反射率Rrs與固有光學(xué)之間的關(guān)系可表示為

(4)

其中,a為水體總吸收系數(shù);bb為水體總后向散射系數(shù).由以上可知,遙感反射率與吸收系數(shù)和后向散射具有直接的關(guān)系，散射理論在假定理想條件下,懸浮物顆粒均為球狀,直徑為D,粒子的后向散射同顆粒濃度、折射系數(shù)、粒徑及分布的關(guān)系可用下式表示

(5)

其中，bbs(λ)為后向散射系數(shù)；Qbb(D,mp,λ)為后向散射效率因子；D為粒子直徑；N(D)為粒子分布描述函數(shù)，經(jīng)過進(jìn)一步建模,假定粒子分布為榮格分布以Forget給出了表達(dá)式

(6)

其中，ρSPM為懸浮顆粒物密度;SPM為懸浮顆粒物濃度.由(5)和(6)式可以看出粒子的粒徑及其分布主要通過對(duì)后向散射的改變來對(duì)遙感反射率產(chǎn)生影響.當(dāng)探測(cè)波長一定時(shí)，懸浮泥沙顆粒的后向散射率隨粒子半徑的增大而減小；當(dāng)懸浮泥沙顆粒半徑一定時(shí)，其后向散射率隨探測(cè)波長的增大而增大.小粒子在大角度上散射強(qiáng)烈,而且隨波長變化較大,而大粒子在小角度上散射則更為強(qiáng)烈,對(duì)波長不敏感[6].

2.2懸沙粒徑對(duì)遙感反射率影響的實(shí)驗(yàn)分析

圖1給出了懸沙濃度大致為0.25,0.42,0.486g·L-1,作為參數(shù)獲得的三組測(cè)量曲線.這些懸沙光譜曲線是在不同時(shí)段獲取的,可以看出在同一濃度水平下,懸沙光譜曲線形態(tài)基本一致,但是反射率絕對(duì)值波動(dòng)很大.

根據(jù)前述理論分析可知,在相同懸沙濃度情況下,懸沙粒徑越小,對(duì)后向散射的貢獻(xiàn)越大,因而水體的光譜反射率值也更高.選取3組懸沙濃度近似相等,但粒徑差距較大的曲線,通過統(tǒng)計(jì)比較兩者反射率的高低關(guān)系發(fā)現(xiàn),同濃度條件下,平均粒徑較小的光譜反射率曲線要整體高于平均粒徑較大者的光譜.同時(shí)發(fā)現(xiàn),細(xì)粒徑懸沙水體光譜反射率曲線高于粗粒徑懸沙水體光譜反射率，同理論推斷完全一致.

考慮到野外測(cè)量光譜曲線影響因素的復(fù)雜性,同時(shí)我們也可以發(fā)現(xiàn),細(xì)粒徑懸沙水體光譜反射率曲線高于粗粒徑懸沙水體光譜反射率曲線，具有一定的規(guī)律性：

1)在350～900nm范圍內(nèi),以500nm左右的范圍為界限,前一段范圍內(nèi)兩者反射率之間相差不大,而在500～900nm圍內(nèi),尤其在600～800nm一段,兩者差距明顯增大；

圖1　同濃度下不同粒徑的光譜反射率

2)濃度相差越大，光譜反射率絕對(duì)值相差越大.分別取兩組被測(cè)數(shù)據(jù)，泥沙濃度0.25和0.42g·L-1為第一組，濃度0.486和0.42g·L-1為第二組，兩組濃度絕對(duì)值分別相差0.17和0.066g·L-1；為滿足科學(xué)的比較，兩組被測(cè)數(shù)據(jù)均取波長750nm為參照點(diǎn).0.25g·L-1粗粒徑和細(xì)粒徑的光譜反射率分別近似為0.018和0.028，粗細(xì)粒徑光譜反射率絕對(duì)值相差0.001，泥沙濃度為0.42g·L-1的粗粒徑和細(xì)粒徑的光譜反射率分別近似為0.027和0.031，光譜反射率絕對(duì)值相差0.006；通過比較分析，濃度絕對(duì)值相差0.17g·L-1的第一組，粗粒徑和細(xì)粒徑的光譜反射率差值為0.004；同樣的比較方法，濃度相差0.066g·L-1的第二組，粗粒徑和細(xì)粒徑的光譜反射率差值為0.001，說明濃度相差越大，光譜反射率絕對(duì)值相差越大.

3　結(jié)論

1)泥沙粒徑與光譜分析具有一定的相關(guān)性,但不能簡單依此判定就是粒徑對(duì)光譜的影響,因?yàn)槟嗌沉奖旧砗湍嗌碀舛染哂休^好的相關(guān)性,泥沙粒徑分布主要是通過影響后向散射來對(duì)光譜反射率產(chǎn)生影響,細(xì)顆粒泥沙具有較大的后向散射，而粗顆粒泥沙則具有較小的后向散射.

2)野外數(shù)據(jù)分析表明,細(xì)粒徑泥沙會(huì)增大光譜反射率,與理論分析一致

本文關(guān)注懸沙粒徑對(duì)光譜特性的影響，并用實(shí)證的研究方法證實(shí)了理論的結(jié)論，有必要將懸沙濃度及懸沙的粒徑納入到綜合考慮之中，研究懸沙濃度及粒徑分布雙因子影響下的光譜反射特征,加深對(duì)懸沙水體光譜反射特征的理解,以期為在探討懸沙濃度的同時(shí),通過增加粒徑參數(shù)、提高模型的反演精度的后續(xù)研究提供理論依據(jù).

[1]KOSTADINOVTS,SIEGELD,MARITRENASS.Retrievalofthepaticlesizedistributionfromsatelliteocenacloreobservation[J].Journal of Geophysical Research,2009,114:427.

[2]HUANG Hai-jun,LIU Yan-xia,WANG Bo.Effect of spatial spectral resolution of images on intepoterting intertidal estuarine sediment grain size distributions[C]//IEEEInernationalGeoscienceandRemoteSensingSymposiumPiscataway,2010.

[3]楊曦光，黃海軍，嚴(yán)立文.近岸水體表層懸浮泥沙平均粒徑遙感反演[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2015(2):164.

[4]蔣雪中，王維佳，張俊儒.長江口最大渾濁帶表層水體懸沙粒徑對(duì)離水光譜反射率的影響[J].泥沙研究,2015(5):1.

[5]張俊儒.長江口最大渾濁帶表層懸浮物濃度及粒徑對(duì)水體光譜特性影響的研究[D].上海:華東師范大學(xué)，2010．

[6]黃龍，張志珣，耿威.閩浙沿岸東部海域表層沉積物粒度特征及其沉積環(huán)境[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2014(6):161.

(責(zé)任編輯孫對(duì)兄)

The influence analysis of spectral reflectance on the Changjiang river estuary waters suspended sediment particle

FENG Xue-hua，SU Jin-shan

(College of Electronics and Information Engineering,Yili Normal College,Yining 835000,Xinjiang,China)

The research about the remote sensing of suspended sediment usually ignore those factors such as mineral composition,size characteristics,the main consideration is the relationship between the single suspended sediment concentration and optical properties.If only do that,the model by this way will be subject to greater restrictions in application of spatial and temporal scales.In this paper,the sediments are broken and dispersed in solution,with different incident angle of suspended particles in the solution is counted in different size particles in the interval number，then calculates the number of particles of each section and the proportion of particles,which depicts frequency distribution diagram of particle size parameters and analyses the effect of suspended sand size factor on the spectral reflectance effect.Test results show that the size distribution of suspended sediment is mainly through to scattering to impact on the spectral reflectance,fine sediment with a large scattering and coarse sediment is lesser scattering;fine particle size will increase the spectral reflectance.The experimental results are in agreement with the theoretical analysis.

suspended sand diameter；spectral reflectance；suspended sediment concentration

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.05.014

2016-04-03;修改稿收到日期:2016-06-22

新疆自然科學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2016D01C382)

馮雪花(1978—)，女，甘肅武威人，講師，碩士.主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用.

E-mail:120607705@qq.com

TV 148.9

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1001-988Ⅹ(2016)05-0060-04