油沙藻混合水體遙感反射率光譜特征分析

黃妙芬，駱蔚健，邢旭峰，劉 楊，張楠楠

(1.廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088;3.中國石油勘探開發(fā)研究院測井與遙感技術(shù)研究所,北京 100083)

引 言

在水色遙感領(lǐng)域，將石油類污染水體中的石油類物質(zhì)作為一種新的水色因子進(jìn)行研究工作已經(jīng)開展，相關(guān)研究主要集中在含油類物質(zhì)水體的固有光學(xué)特性(Inherent optical properties，IOPs)、表觀光學(xué)特性(Apparent optical properties，AOPs)特性及熒光特性等方面。邢旭峰等(2021)[1]和黃妙芬等(2020)[2]分別分析了石油類污染水體的后向散射系數(shù)和比吸收系數(shù)的特征；Król等(2006)[3]和駱蔚健等(2021)[4]分別利用實測數(shù)據(jù)和模擬方法分析了石油類污染水體的表觀光學(xué)特性；黃妙芬等(2014)[5]利用實測數(shù)據(jù)對石油污染水體熒光圖譜特征進(jìn)行了分析。這些研究進(jìn)展為進(jìn)一步探究多組分含油混合水體的光學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)。

遙感反射率(Remote sensing reflectance,Rrs)屬于水體組分的AOPs，為離水輻射Lw與入射到水面的太陽輻射的比值,而Lw是水色衛(wèi)星傳感器能直接接收到的物理量，它攜帶了一定深度水體組分與濃度信息[6]，針對不同水體組分和濃度對Rrs影響的相關(guān)研究一直是一個熱點問題。國際上得到廣泛應(yīng)用的反演水體組分濃度的生物光學(xué)模型，其構(gòu)建就是基于Rrs與水體固有光學(xué)參數(shù)(包括吸收系數(shù)和后向散射系數(shù))的相互關(guān)系[7]。目前，生物光學(xué)模型主要集中在Rrs與水色三要素(葉綠素、黃色物質(zhì)和懸浮物)性質(zhì)的關(guān)系研究方面，Huang等(2016)[8]和Haule等(2017)[9]分別探索了利用針對水色三要素開發(fā)的生物光學(xué)模型來提取油類物質(zhì)濃度的遙感模型，并得到了應(yīng)用[10-11]。

Hydrolight是國際上進(jìn)行自然水體輻射傳輸特性研究的一種常用的模式，它以IOPs、各水色因子的濃度和環(huán)境背景參數(shù)等作為輸入數(shù)據(jù)，從正演的角度來模擬出各種水體組分AOPs的光學(xué)特征[12]。已有的研究表明，輻射傳輸模式Hydrolight是進(jìn)行石油類污染水體輻射傳輸特性研究的有效模型，因而可以利用Hydrolight從正演的角度來模擬含油混合水體Rrs的光譜輸出[13]。

在自然水體中，懸浮顆粒物主要包括藻類和懸浮泥沙，而石油類物質(zhì)對水體散射特性的影響主要是通過懸浮顆粒物的吸附作用而體現(xiàn)出來，進(jìn)而影響Rrs的光譜特征，因而在石油類污染水體中，通過遙感技術(shù)手段獲得的Rrs主要是油(石油類物質(zhì))、沙(懸浮泥沙)和藻(葉綠素)三類水體組分共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。駱蔚健等(2021)[14]基于大連港實測油類物質(zhì)的IOPs及其他數(shù)據(jù)，利用Hydrolight對油藻混合水體的Rrs光譜曲線進(jìn)行了模擬分析。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究添加懸浮泥沙組分后的油沙藻混合水體Rrs的光譜特征，所得結(jié)果有助于提高基于Rrs所建立的石油類污染濃度Coil遙感反演模型的精度。

1 試驗數(shù)據(jù)獲取

1.1 采集區(qū)域與采集時間

試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)域位于遼寧省大連港海域，共選擇了3個固定的觀測站點，分別命名為A(38°57.365′N，121°53.683′E)、B(38°58.318′N，121°55.696′E)和C(38°54.408′N，121°50.912′E)，其中，A站點位于歷史原油事故發(fā)生點附近，B站點位于碼頭東側(cè)的重要航道上，C站點位于遠(yuǎn)離事故發(fā)生地與航道的小島附近。

試驗數(shù)據(jù)采集日期為2018年8月25—27日，共計3 d，每天定點觀測1個站點，觀測時段為7:00—17:00[10]。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量

現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)包括：①水體吸收系數(shù)a、后向散射系數(shù)bb，這兩者主要作為運用Hydrolight進(jìn)行Rrs模擬時的輸入?yún)?shù)；②藻類的葉綠素濃度Cchl、水中油濃度Coil，這兩者主要用于計算葉綠素和石油類物質(zhì)的比吸收系數(shù)a*；③遙感反射率Rrs光譜，主要用于對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的測量過程遵循NASA水色觀測規(guī)范。Coil、a及bb的測量方法參見文獻(xiàn)[1]和[2]。葉綠素的a按照浮游植物色素吸收系數(shù)測量計算方式得到，葉綠素a*采用Cchl與a計算得到[15]。后向散射系數(shù)的測量儀器采用的是HydroScat-6(HS-6)，該儀器由美國HOBI labs公司生產(chǎn)。利用HS-6測量得到的bb混合水體共同作用的結(jié)果，需要對它們進(jìn)行分離。黃妙芬等(2017)[15]建立了計算油和沙的bb模型，本文引入該方法分別計算出油和沙的bb，然后采用余項法求出葉綠素的bb，再根據(jù)bb與散射系數(shù)的比例關(guān)系推算出葉綠素的散射系數(shù)，最后求出比散射系數(shù)b*。由于篇幅限制，在此不再贅述。

1.3 Hydrolight模擬參數(shù)設(shè)置

輻射傳輸模型Hydrolight提供多種可進(jìn)行光學(xué)參數(shù)模擬的功能模塊供用戶選擇，本文采用“A User Defined Model”(用戶自定義模式)的功能模塊，對石油類物質(zhì)、葉綠素和懸浮泥沙單一水體組分以及它們之間所構(gòu)成的混合水體的Rrs進(jìn)行模擬。

運用該模塊時，需要將油類物質(zhì)、葉綠素和懸浮泥沙的a*、b*、體散射函數(shù)或者散射相函數(shù)作為已知的輸入條件，然后再結(jié)合Hydrolight提供入射輻亮度、水體狀況、水底邊界條件、內(nèi)部輻射源等參數(shù)，進(jìn)行油類物質(zhì)、懸浮泥沙和藻類物質(zhì)的Rrs光譜模擬，因而需要對Hydrolight模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。關(guān)于油類物質(zhì)輸入?yún)?shù)的設(shè)置按照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行，懸浮泥沙的a*和b*采用的是軟件自帶的紅粘土數(shù)據(jù)(redclay)[16-18]，而葉綠素的a*和b*則是基于大連港實測數(shù)據(jù)計算得到，兩者的設(shè)置見圖1(a)和(b)。葉綠素和懸浮泥沙的相函數(shù)采用Hydrolight模式自帶數(shù)據(jù)[16-18]。油類物質(zhì)、葉綠素和懸浮泥沙的配比濃度分別按0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10.0設(shè)置，單位分別為：mg/L、mg/m3和g/m3，對于模擬過程中所需的外界環(huán)境參數(shù)設(shè)置，天頂角取30°、云量和風(fēng)速都取0，水深采用無限深設(shè)置。

圖1 懸浮泥沙和葉綠素a*和b*的光譜曲線Fig.1 Spectral curves of a*and b*of suspended sediment and chlorophyll

圖2 模擬懸浮泥沙的RrsFig.2 The Rrs of simulated suspended sediment

2 結(jié)果與討論

2.1 單一組分水體Rrs光譜模擬

單一組分包括純油、純藻和純沙3種。關(guān)于純油和純藻的Rrs光譜模擬參見文獻(xiàn)[4]和[14]。本小節(jié)僅討論純沙水體的Rrs光譜特征。

圖2為不同懸浮泥沙濃度Cspm下的Rrs模擬曲線，分析圖2可知：①不同Cspm的Rrs在440 nm處出現(xiàn)了交匯，在440 nm之前，不同Cspm各自對應(yīng)的Rrs在量級差異不大，光譜形狀都呈現(xiàn)出隨λ增加而線性增加的趨勢且差別不大；在440 nm之后，Rrs光譜形狀變化和量級的差異逐漸拉大，呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)；②當(dāng)Cspm高于2.0 g/m3時Rrs光譜曲線的反射峰開始呈現(xiàn)出來，峰值位置510～600 nm之間，峰線位置呈現(xiàn)向長波方向傾斜的趨勢，表明隨Cspm增加峰值的位置產(chǎn)生“紅移”現(xiàn)象；③在560～700 nm波段，Rrs隨λ增大逐漸降低，下降的差異取決于Cspm。這些結(jié)論與Han等(1994)[19]的研究結(jié)果基本是一致的。

2.2 兩種含油組分混合水體Rrs光譜模擬

兩種含油組分的混合水體主要是油藻、油沙混合，關(guān)于油藻混合水體的Rrs光譜模擬，駱蔚健等(2021)給出了相關(guān)的研究結(jié)果[4，14]，在此不再贅述。本小節(jié)僅討論油沙混合的Rrs光譜模擬特性。

油沙混合水體Rrs光譜模擬如圖3所示。圖3描述的是油類物質(zhì)濃度Coil固定時Rrs隨Cspm的變化曲線，圖3(a)和(b)分別為Coil取值1.0和10.0 mg/L的情況代表低Coil和高Coil情況。分析圖3(a)和(b)可見，在油沙雙組分混合水體中：①Rrs的峰值隨Cspm增大而逐漸增大，并往長波方向移動，這表明在低Coil情況下，懸浮泥沙對光譜的影響起著主導(dǎo)作用；②在Coil取值為10.0 mg/L的情況下，Rrs的峰值小于Coil取值為1.0 mg/L的情況說明當(dāng)Coil值較高時Rrs的變化疊加了油類物質(zhì)的作用，此時形狀依然反映為懸浮泥沙的光譜特征，并表明油類物質(zhì)的存在未改變油沙混合水體的光譜形狀。

圖4描述的是Cspm固定時Rrs隨Coil的變化曲線，圖4(a)和(b)Cspm分別取值1.0和10.0 g/m3，代表低Cspm和高Cspm情況，由圖4(a)可知，在低Cspm下，在590 nm處呈現(xiàn)出一個交匯點，在交匯點之前光譜曲線的量級隨著Coil增大而降低，在交匯點之后光譜曲線的量級隨著Coil增大而增大，Coil越大光譜曲線的變化越平緩。由圖4(b)可見，在高Cspm情況下，Rrs隨波長λ的變化在550～600 nm之間呈現(xiàn)出一個峰值，隨Coil的增大Rrs的峰值隨之下降，但Rrs隨波長λ變化趨勢沒有明顯變化，這是由于油類物質(zhì)與懸浮泥沙混合時，前者會吸附在后者之上，這種吸附屬于物理吸附，并不改變后者的特性。

綜上可見，油類物質(zhì)的存在只改變油沙混合水體Rrs量值大小，并不改變Rrs隨λ變化形狀。

圖3 油沙雙組分混合水體Rrs隨懸浮泥沙濃度Cspm的變化曲線Fig.3 Variation of Rrs with suspended sediment concentration Cspm in two-component water mixed with oil and sand

圖4 油沙雙組分混合水體Rrs隨石油類物質(zhì)濃度Coil的變化曲線Fig.4 Variation of Rrs of with Coil in two-component water mixed with oil and sand

2.3 三種含油組分混合水體Rrs光譜模擬

針對油類物質(zhì)、懸浮泥沙和葉綠素三種組分混合水體的光譜模擬，本文采用固定其中兩種組分，變化另外一種組分的模式進(jìn)行討論。

圖5為Coil和Cchl固定取值情況下，Rrs隨Cspm變化曲線，具體取值設(shè)置參見表1。

表1 圖5對應(yīng)的Coil、Cchl、Cspm取值設(shè)置Table 1 The corresponding value settings of Coil, Cchl and Cspm in Fig.5

圖5 油沙藻三組分混合水體中Rrs隨Cspm變化的光譜曲線Fig.5 Spectral curve of Rrs with suspended sediment concentration Cspm in a three-component mixed water of oil sand algae

根據(jù)表1可見，本文將圖5分為三組對比圖，其中圖5(a)～(c)為一組，對應(yīng)的Coil取值固定為0.1 mg/L，代表低石油污染濃度的情況；圖5(d)～(f)為一組，對應(yīng)的Coil取值固定為1.0 mg/L，代表中等石油污染濃度的情況；圖5(g)～(i)為一組，對應(yīng)的Coil固定取值為5.0 mg/L，代表高石油污染濃度情況。對于這每一組圖，Cchl對應(yīng)的取值依次都為0.1 mg/m3、1.0 mg/m3、5.0 mg/m3。

分析圖5(a)～(c)可見，在低Coil情況下，550～600 nm處的峰值一直存在，Cchl和Cspm數(shù)值變化對Rrs光譜形狀影響都不大，但隨著Cspm的增加Rrs的數(shù)值均在降低。分析圖8(d)～(f)可見，在中等Coil情況下雖然Coil設(shè)置為1.0 mg/L，比圖5(a)～(c)高了10倍，但Rrs的形狀與數(shù)值變化與圖5(a)～(c)基本類似，表明油類物質(zhì)含量的增加對Rrs光譜特征變化的影響還沒有顯現(xiàn)出來；分析圖5(g)～(i)可見，此時Rrs的形狀變化與前兩組的變化曲線基本是一致的，形狀上依然沒有受到Coil的影響，但Rrs的數(shù)值明顯降低了，說明Coil>1.0 mg/L之后，油類物質(zhì)對Rrs的影響會顯現(xiàn)出來。

綜上可見，圖5表明在三組分混合水體中，Rrs的量值存在隨著Cspm的增加逐漸增大，但隨著Cchl的增加逐漸下降的現(xiàn)象，在Cchl為5.0 mg/m3情況下，Rrs隨Cspm的變化反射峰“紅移”現(xiàn)象不明顯。由2.2的分析可知，在油沙混合水體中，光譜特性以懸浮泥沙的光譜特性為主導(dǎo)，油濃度的影響只反映在Rrs量值上，因此當(dāng)Cchl較高時會出懸浮泥沙光譜特性中的“紅移”現(xiàn)象在一定程度上會受到抑制；在Cchl較高時，隨Cspm的增大水體的Rrs逐漸反映為類似懸浮泥沙的Rrs光譜特性，隨著Cchl的增大Rrs的光譜形狀并沒有明顯改變。從整體上看，Coil的影響只反映于量值上，并不改變光譜形狀，因此三組分混合水體的光譜形狀主要受懸浮泥沙的影響，油類物質(zhì)對光譜形狀的影響較小。

圖6為Coil和Cspm固定取值并不同組合情況下Rrs隨Cchl變化曲線。表2為圖6對應(yīng)的Coil、Cspm和Cchl取值設(shè)置明細(xì)表。

表2 圖6對應(yīng)的Coil、Cchl、Cspm取值設(shè)置Table 2 The corresponding value settings of Coil, Cchl and Cspm in Fig.6

分析圖6可知，在油沙藻三組分混合水體中，從曲線的整體變化趨勢看，Rrs量值隨Cchl的升高而逐漸下降，在570 nm之前，Rrs的量值隨Cchl增大呈線性式下降，在570 nm之后Rrs的量值隨Cchl變化差異性較??；不論Coil和Cspm如何配置組合，當(dāng)Cchl取值5.0 mg/m3，Rrs量值下降最快。分析圖6(b)可見，當(dāng)Cspm較低時(取值1.0 g/m3)，油沙藻混合水體的光譜形狀隨Cchl增大變化明顯，藻類影響起主導(dǎo)作用；分析圖6(a)和(c)可見，當(dāng)Cspm較高時(取值5.0 g/m3)，油沙藻混合水體光譜形狀受Cchl影響不明顯。

圖6 油沙藻三組分混合水體中Rrs隨葉綠素濃度Cchl變化的光譜曲線Fig.6 Spectral curve of Rrs with chlorophyll concentration Cchl in a three-component mixed water of oil sand algae

圖7為Cchl和Cspm固定取值并不同組合情況下Rrs隨Coil變化曲線。表3為圖7對應(yīng)的Coil、Cspm和Cchl取值設(shè)置明細(xì)表。

圖7 油沙藻三組分混合水體Rrs隨石油物質(zhì)濃度Coil變化的光譜曲線圖Fig.7 Spectral curve of Rrs with petroleum substance concentration Coil in a three-component mixed water of oil sand algae

分析圖7(a)可知，當(dāng)Cspm取值1.0 g/m3時，隨Coil增大Rrs在520 ～ 580 nm波長范圍內(nèi)的峰值逐漸下降，而在其余波長范圍Rrs隨Coil增大而增大，這是由于在混合水體中，石油類物質(zhì)吸附于懸浮泥沙和藻類后會對混合水體的光譜特征產(chǎn)生影響。由圖7(b)和(c)表明，Rrs光譜量值和峰值隨Coil增大下降，但Rrs光譜形狀不變，另外Coil取值5.0 mg/L時Rrs峰值的下降程度最為明顯。這再一次表明，油類物質(zhì)主要影響混合水體Rrs的量值，而對其光譜形狀不會造成明顯的改變。

表3 圖7對應(yīng)的Coil、Cchl、Cspm取值設(shè)置Table 3 The corresponding value settings of Coil, Cchl and Cspm in Fig.7

圖8 A站點實測Rrs光譜與Hydrolight模擬的Rrs光譜對比分析Fig.8 Comparative analysis of the measured Rrs spectrum and the simulated Rrs spectrum with Hydrolight at site A

2.4 真實性驗證

圖8為經(jīng)線性插值和平滑(移動平均法)處理后，A站點5個觀測時間實測的Rrs光譜曲線與模擬光譜(Cspm為2.0 g/m3,Cchl為5.0 mg/m3,Coil為5.0 mg/L)曲線的對比，圖中“model”代表模擬的光譜曲線?？傮w上，模擬Rrs光譜形狀與A站點5個觀測時刻的Rrs實測光譜形狀基本相似。經(jīng)計算，兩者的相關(guān)性普遍達(dá)0.9以上。但實測光譜與模擬光譜也存在一定差異，最大的差異在于實測光譜第二反射峰明顯(675 nm處)，而模擬光譜的第二峰不明顯。這主要是由于該峰主要受葉綠素濃度的影響，Gitelson[20]認(rèn)為Cchl大于5.0 mg/m3光譜才出現(xiàn)明顯第二反射峰，但本文在模擬過程中對葉綠素組分濃度設(shè)置最大為5.0 mg/m3，因而該峰值不明顯是由于模擬過程中葉綠素濃度設(shè)置較小的原因所致。模擬的光譜曲線與實測的光譜曲線在峰值位置和整個曲線的量級上也有一定的差異，造成差異的原因主要是由于：①模擬光譜是基于油類物質(zhì)濃度與IOPs垂向均一性的假定進(jìn)行的，而在實際中，海洋上各水體組分濃度與IOPs在垂向上是非均勻的；②油類物質(zhì)散射相函數(shù)作為含油水體Rrs光譜模擬的輸入?yún)?shù)之一，選擇哪種相函數(shù)對模擬的準(zhǔn)確性有直接的影響[21]；③模擬過程中由于部分水氣界面邊界條件和大氣參數(shù)采用默認(rèn)值，可能對模擬精度有一定影響。④實測Rrs光譜是隨時間變化，不同時刻的邊界環(huán)境條件是不同的，太陽的方位角、云量、風(fēng)浪和生物降解等變化會使水下光場發(fā)生動態(tài)改變，進(jìn)而引起Rrs的改變。

3 結(jié)束語

在含油水體中，遙感獲得的Rrs主要是由油類物質(zhì)、懸浮泥沙和葉綠素三者綜合貢獻(xiàn)的結(jié)果，因此在構(gòu)建基于Rrs的水體石油類污染濃度遙感反演模型時，要先厘清石油物質(zhì)、懸浮泥沙和藻類物質(zhì)作為單一組分，以及混合后Rrs的光譜特征，才能進(jìn)一步分離和確定油類物質(zhì)的光譜特征。

本文利用輻射傳輸模型Hydrolight，通過不同濃度配比的方式，模擬出油類物質(zhì)、懸浮泥沙和藻類物質(zhì)在不同配比濃度下的Rrs光譜，通過對光譜數(shù)據(jù)的分析來研究油類物質(zhì)對水體Rrs的影響。模擬結(jié)果表明：在油沙混合水體中，Rrs隨懸浮泥沙濃度的增加而增大，光譜特性逐漸反映為懸浮泥沙的光譜特性，而在懸浮泥沙濃度較高的情況下，油濃度的增大降低了Rrs的量值，但光譜形狀變化不大。在油沙藻混合水體中，油濃度對Rrs光譜的影響需要濃度大于1.0 mg/L才能體現(xiàn)，對光譜的影響只反映在光譜的量值上，并不改變Rrs光譜形狀；光譜形狀以懸浮泥沙濃度對光譜形狀的影響為主導(dǎo)，但葉綠素的疊加在一定程度上對懸浮泥沙的紅移現(xiàn)象會產(chǎn)生抑制作用，油類物質(zhì)Rrs光譜形狀的影響較小。

基于輻射傳輸模型Hydrolight模擬的關(guān)鍵是輸入?yún)?shù)的設(shè)置，本文油類物質(zhì)的a*和b*兩個參數(shù)是采用經(jīng)驗公式計算得到，并取固定值，其適用性以及精確度需要獲取更多數(shù)據(jù)來驗證。相函數(shù)選擇平均顆粒相函數(shù)，Haule等[22]對顆粒相函數(shù)研究表明，外界環(huán)境條件的改變對模擬結(jié)果的影響小于5%，因而平均顆粒相函數(shù)具有一定的代表性，但其是否適用于油類物質(zhì)也仍需要進(jìn)一步研究。本文對Rrs光譜曲線進(jìn)行模擬及分析的結(jié)果，在一定程度上揭示了油類物質(zhì)對Rrs的影響，但仍需要對油類物質(zhì)的IOPs隨深度和波長變化進(jìn)一步研究，確定相關(guān)模型和算法，進(jìn)而為探討含油水體光學(xué)特性和構(gòu)建遙感反演油濃度模型提供參考。