鴨綠江口及其附近海域相對(duì)懸浮泥沙濃度遙感監(jiān)測(cè)

程思思，張海昂，謝迎春，范 芳，李婧玥

（1. 核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2. 石家莊工程技術(shù)學(xué)校，河北 石家莊 050070）

鴨綠江口及其附近海域相對(duì)懸浮泥沙濃度遙感監(jiān)測(cè)

程思思1，張海昂2，謝迎春1，范 芳1，李婧玥1

（1. 核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2. 石家莊工程技術(shù)學(xué)校，河北 石家莊 050070）

在分析研究了含沙水體的光譜特征、遙感監(jiān)測(cè)原理及常用的遙感監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，對(duì)鴨綠江口及其附近海域相對(duì)懸浮泥沙濃度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，并分析了鴨綠江口懸浮泥沙的分布趨勢(shì)和形成機(jī)制。

遙感；懸浮泥沙；光譜；Landsat8 OLI；鴨綠江口

0 前 言

水體中懸浮物，尤其是懸浮泥沙的含量大小直接影響水體的透明度、渾濁度和水色等光學(xué)性質(zhì)，也影響水體的生態(tài)條件和河道、海岸帶沖淤變化過(guò)程，因此，懸浮泥沙的監(jiān)測(cè)對(duì)河流、海岸帶的水質(zhì)、地貌等研究以及海岸工程、港口建設(shè)具有重要意義。采用遙感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)懸浮泥沙大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同步性好，周期短，成果及時(shí)有效，目前已成為近海和河口懸浮泥沙檢測(cè)的重要手段之一。

1 含沙水體光譜特征

泥沙進(jìn)入水體后，會(huì)導(dǎo)致水體反射光譜發(fā)生變化。眾多研究表明［1-2］：含沙水體在550～670 nm的黃光波段及780～830 nm的近紅外波段存在兩個(gè)明顯的反射峰，且前者高于后者。隨著含沙量增加，反射峰由短波向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即產(chǎn)生“紅移現(xiàn)象”。含沙水體的反射率隨水體含沙量增加而增加，但增長(zhǎng)率隨含沙量增加逐漸減小。當(dāng)含沙量較大時(shí)，水體反射率趨于某一常量。含沙量較低時(shí)，黃光波段的反射峰要高于近紅外波段反射峰。近紅外反射峰隨著含沙量增加逐漸升高，且高于黃光反射峰的升高速度，這也是懸浮泥沙的監(jiān)測(cè)原理。

2 懸浮泥沙濃度遙感監(jiān)測(cè)常用方法

目前，最常用的懸沙濃度監(jiān)測(cè)方法為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即利用遙感圖像各波段反射率值與同步泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立反演模型，主要有以下幾種方法。

1） 單波段模式，主要利用遙感數(shù)據(jù)某一波段的灰度值或反射率值與同步實(shí)測(cè)泥沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

2） 雙波段比值模式，主要是采用兩波段的灰度值或反射率比值（或?qū)?shù)值）與同步實(shí)測(cè)泥沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

3） 多波段組合模式，主要是采用多個(gè)波段的灰度值或反射率值組合與同步實(shí)測(cè)泥沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

4） 懸浮泥沙指數(shù)模式，該模式是根據(jù)不同波段之間的相互關(guān)系，建立泥沙指數(shù)，再利用泥沙指數(shù)與同步實(shí)測(cè)泥沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析［3-4］。

3 相對(duì)懸浮泥沙濃度遙感監(jiān)測(cè)

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省鴨綠江口及其附近海域（124°00′00″～124°30′30″E，39°30′13″～40°0′42″N）。鴨綠江口處于北黃海西朝鮮灣的灣頂，江口附近寬 8～9 km，河口形態(tài)呈喇叭型，口門附近心灘、沙島發(fā)育。

對(duì)于鴨綠江口入海泥沙的輸運(yùn)擴(kuò)散，有人做過(guò)很多研究。鴨綠江河口屬山溪性強(qiáng)潮河口，分為東、西水道。從整體上看，東水道是河口入海的主要通道，沉積泥沙來(lái)自鴨綠江中下游各支流，西水道上口淤積嚴(yán)重，其泥沙主要來(lái)自鴨綠江中。東水道入海的泥沙在較強(qiáng)風(fēng)浪作用下，泥沙隨漲潮流自南向北運(yùn)移，一部分沉積在西水道，還有一部分隨落潮流被帶至外海。20世紀(jì)30年代以后，整個(gè)鴨綠江流域先后修建水庫(kù)約40座，大量泥沙被攔蓄在水庫(kù)內(nèi)，導(dǎo)致鴨綠江主流線轉(zhuǎn)而指向東水道［5］。多年來(lái)，朝鮮在東水道筑壩圍墾，減少了西水道的納潮量，更加速了西側(cè)水道淤積［6］?？傮w來(lái)講，鴨綠江口泥沙濃度具有西高東低，河口口門地區(qū)普遍高于上游河口和下側(cè)海域的分布模式。

3.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

選用Landsat8 OLI數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，成像時(shí)間為2013年10月16日，無(wú)云雪覆蓋，可滿足研究需求見圖1。

圖1 研究區(qū)Landsat8 OLI 432波段合成影像

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括大氣校正和水陸分離。大氣校正基于FLASH大氣校正模塊進(jìn)行。水陸分離主要利用近紅外波段水體的強(qiáng)吸收特征進(jìn)行水陸閾值劃分。同時(shí)，由于近海有較多的水塘和養(yǎng)殖場(chǎng)分布，采用人機(jī)交互方法提取水體信息。

3.3 研究方法

由于缺乏野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本次研究只能監(jiān)測(cè)研究區(qū)相對(duì)泥沙濃度。對(duì)影像進(jìn)行目視采點(diǎn)得到的不同濃度含沙水體的反射光譜曲線如下圖2所示?？梢钥闯觯乘w在OLI數(shù)據(jù)B3、B4波段具有很高的反射率，這與前人的研究結(jié)果，不同含沙水體的反射峰主要集中在550～700 nm之間相吻合。進(jìn)一步分析可知，在一定的水深范圍內(nèi)，B4對(duì)泥沙的靈敏度高于B3，隨著泥沙濃度的增加，B4反射率增加速率明顯高于B3。因此綜合利用B3和B4的反射特征，通過(guò)影像反射率值疊加可以使水體反射率值差異變的更加顯著。同時(shí)，B3綠光波段是葉綠素的反射峰，參考王心源等［4］提出的TM數(shù)據(jù)泥沙指數(shù)模型，提出來(lái)基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)的研究區(qū)相對(duì)泥沙濃度指數(shù)模型SI=（B3+B4）/（B3/B4）。采用以下區(qū)間劃分不同濃度含沙水體［5］，得到研究區(qū)相對(duì)泥沙濃度分布圖見圖3。

圖2 研究區(qū)水體OLI數(shù)據(jù)反射光譜

圖3 研究區(qū)相對(duì)泥沙濃度分布

相對(duì)高濃度含沙水體：SI＞M+D；相對(duì)中濃度含沙水體：M＜SI≤M+D；

相對(duì)低濃度含沙水體：M-D＜SI≤M；相對(duì)清潔水體：Min＜SI≤M-D。

其中，M表示平均值，D為標(biāo)準(zhǔn)方差，Min為最小值。

3.4 成果分析

圖3可見，鴨綠江口及其附近海域懸浮泥沙分布基本具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：鴨綠江口懸浮泥沙最大渾濁帶出現(xiàn)在河口口門區(qū)域，向上和向下入海區(qū)域泥沙濃度逐漸減小。從橫向上看，西側(cè)水域普遍高于東側(cè)水域。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，分析了含沙水體的光譜特征，總結(jié)了常用的幾種懸浮泥沙遙感監(jiān)測(cè)方法，并基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，對(duì)鴨綠江口及其附近海域地區(qū)懸浮泥沙相對(duì)濃度進(jìn)行了研究，并分析其分布模式及影響因素。表明受特殊的地形地貌和水動(dòng)力等條件影響，鴨綠江口懸浮泥沙具有河口口門地區(qū)高于上游河口和下側(cè)海域，西側(cè)高于東側(cè)的特征。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本相符合，表明基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)快速獲取河口水域的相對(duì)懸浮泥沙濃度分布具有一定的可用性，但由于缺乏野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本次研究的精度有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］ 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）： 118-122.

［2］ 李四海，惲才興. 河口表層懸浮泥沙氣象衛(wèi)星遙感定量模式研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2001， 5（2）： 154-160.

［3］ 李洪靈，張鷹，姜杰. 基于遙感方法反演懸浮泥沙分布［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2006， 17（2）： 242-245.

［4］ 王心源，李文達(dá). 基于Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)提取巢湖懸浮泥沙相對(duì)濃度的信息與空間分布變化［J］. 湖泊科學(xué)，2007， 19（3）： 255-260.

［5］ 程巖，劉月，高建華，等. 近百年來(lái)人類活動(dòng)對(duì)鴨綠江口河床演變的影響［J］. 地理學(xué)報(bào)，2012， 37（5）： 609-620.

［6］ 杜啟明，郭維東. 鴨綠江河道演變分析［J］. 中國(guó)科技信息，2006， （19）：52-53.

M onitoring of Relative Suspended Sediment Concentration in Yalu River Estuary and Ad jacent Sea Area Using Remote Sensing Technology

CHENG Sisi1，ZHANG Haiang2，XIE Yingchun1，F(xiàn)AN Fang1，LI Jingyue1
（1. Airborne Survey and RemoteSensing Center of Nuclear Industry，Shijiazhuang，Hebei 050002，China；2. Shijiazhuang Engineering School，Shijiazhuang，Hebei 050070，China）

First， the characteristics of ref ected spectra of suspended sediment， remote sensing monitoring principle and commonly used methods were analyzed. On this basis， using ASTER data， we researched the relative suspended sediment concentration in Yalu River estuary and adjacent sea area， analyzed the distribution mechanism as well.

Remote sensing；Suspended sediment；Spectra；Landsat8 OLI；Yalu River estuary

X55

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.043

2016-08-24

程思思（1985-），女，河南孟州人，工程師，研究方向：遙感技術(shù)應(yīng)用，手機(jī)：15830671891，E-mail：chengsi1013@163.com.