悬沙水体光谱反射率与质量浓度_粒径的相关关系_张芸

第26卷第3期海　洋　科　学　进　展Vol. 26No. 3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年7月ADVANCES IN MARIN E SCIENCE J uly. 2008

悬沙水体光谱反射率与质量

浓度、粒径的相关关系3

张　芸1, 张　鹰1, 王晶晶2

(1. 江苏省环境演变与生态建设重点实验室, ;

2. 南京大学, 摘　要:, 分析了不同质量浓度的悬沙水体和, , 建立光谱反射率与质量浓度、粒径之间的关系模型:; 同一质量浓度的悬沙水体, , , 粒径大小与反射率呈反比关系; 光谱反射率、质量浓度和粒径的指数关。

关键词:光谱反射率; 悬沙浓度; 粒径

中图分类号:TP753　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:167126647(2008) 0320340207

水体中悬浮物的含量是重要的水质参数之一, 尤其是悬沙含量的多少与水体透明度、水色等光学性质有关, 直接影响水体生态环境、河口海岸冲淤变化以及港口和航道的维护。不同水体的悬沙质量浓度、粒径和物质成分不同, 其相应的光谱特征也有所差异。用遥感技术定量反演泥沙质量浓度的关键在于建立悬沙水体的光谱反射率与悬沙质量浓度、粒径之间的关系, 因而研究悬沙水体的光谱特征对水深遥感的进一步研究有积极的作用。

国内外学者对悬沙水体的光谱特征开展了大量的研究。早在1993年,Mertes 等在利用TM 影像估算亚马逊河湿地水体表层含沙量时, 进行了光谱反射率的实验[1]。1998年, 傅克忖与荒川久幸在东京水产大学馆山坂田实验场的露天水池中进行含沙水体不同波段反射比分布特征的试验[2]。2002年,David Doxa 2ran 等对法国西南部G ironde 河口6种悬浮物质量浓度不同的水体进行反射率测定, 反演水体光谱反射曲线与悬沙质量浓度的关系[3]。2002年, 我国恽才兴和韩震等进行了悬沙水槽试验, 分析不同质量浓度的含沙水体的光谱反射特征, 建立了悬沙遥感定量分析统计相关模式, 并运用于神舟三号CMODIS 影像的悬沙遥感定量反演中, 效果较好[4]。随着遥感技术的发展, 利用遥感技术反演悬沙质量浓度的研究已从定性逐渐走向定量, 悬沙水体的光谱特征在深度和广度上都有待于进一步探讨。

本文利用实验室测得的固定粒径悬沙水体的数据和野外现场实测的悬沙质量浓度、泥沙粒径与光谱数据, 分析了悬沙水体的光谱特征, 选取悬沙水体的敏感波段, 建立反射率、悬沙质量浓度、粒径三者之间的遥感反演模型。

1　资料获取

本文以江苏海安县老坝港附近的潮沟为采样区。老坝港岸上有广阔的滩涂地带, 岸外有辐射沙洲群, 形3收稿日期:2007206225

资助项目:国家自然科学基金项目———潮滩滩面高程的高光谱定量遥感反演方法研究(40606044) ; 国家自然科学基金重点项目———长

江流域调水等工程对河口环境的影响及对策(50339010)

作者简介:张　芸(19822) , 女, 江苏泰州人, 硕士研究生, 主要从事海洋遥感和地理信息系统方面研究. E 2mail :njnuzhangyun@163. com

(段　焱　编辑)

3期张　芸, 等:悬沙水体光谱反射率与质量浓度、粒径的相关关系341成了典型的被沙堆和沙滩包围的低平堆积海岸, 其物质组成多为细颗粒的淤泥[5]。

野外数据采集:采用ASD 公司的FieldSpec Hand Held 便携式手持光谱仪现场测得悬沙水体的反射率。利用光电测沙仪在现场测得悬沙水体的光电读数, 再将泥沙带回实验室制作标定曲线, 计算悬沙水体的质量浓度。

实验室光谱测量:首先将从野外采集的泥沙样品经过筛选分级、烘干和称量后分别包装, 逐一放入定容的器皿, 进行溶解、浸泡数日, 然后在露天进行实验。使用底部敷以黑色无光塑料布的水槽(0. 8m ×0. 8m ×0. 8m ) , 按照NASA 测量规范使用光谱仪。三组泥沙样本的中值粒径分别为0. 032和0. 076mm , 悬沙水体的质量浓度从0. 010g/L 开始逐渐增加到3. 699L 。

悬沙粒径测量:实验使用的NS 22, 具有技术先进、结构轻巧、:平均粒径D cp 和中值粒径D 50。每个样品做3次实验, , 1。

表1　悬沙水样的粒径特征

1　Grain 2size characteristics of suspended sediments in water samples

样　品编　号

1

2

3

4

5

6D cp /mm D 50/mm 0. 03750. 03300. 03170. 03080. 03150. 0282

0. 0288

0. 0286

0. 0274

0. 0294

0. 0293

0. 0298

0. 0325

0. 0309

0. 0257

0. 0381

0. 08290. 03170. 02670. 02550. 02790. 02500. 02350. 02430. 02390. 02260. 02500. 02480. 02550. 02840. 02740. 01900. 03200. 0760野外实测水样[1**********]14①实验室配置水样②③

2　悬沙水体的光谱特征分析

2. 1　悬沙质量浓度的光谱特征

根据实验室对3组悬沙水体的光谱测量, 结果表明不同质量浓度的水体光谱反射率明显不同, 粒径D 50=0. 019mm 的部分质量浓度悬沙水体的光谱反射率曲线如图1。

342海　洋　科　学　进　展26卷

图1　不同质量浓度悬沙水体的光谱反射曲线

Fig. 1Spectral curves of water masses with different SSC

由图1可知:

1) 光谱反射率随着泥沙质量浓度的增加而增大, 但增幅不同, 反射率增幅最大的波长与反射率峰值所在的位置基本吻合。

2) 光谱反射率具有双峰特征。悬沙水体的反射率有2个峰值:位于黄光波段(560～720nm ) 的第一反射峰和位于近红外波段(800～820nm ) 的第二反射峰。含沙量较低时, 反射率的峰值主要在黄光波段, 反射峰较为平坦, 且第一反射峰高于第二反射峰, 随着含沙量的增加, 第二反射峰逐渐升高, 直到高于第一反射峰。

3) 光谱反射峰值向长波方向移动。当水体中悬沙含量增加时, 第一反射峰的峰值波长逐渐由短波向长波方向漂移, 即所谓的“红移”现象。随着悬沙质量浓度的增加, 第一反射峰红移的幅度逐渐增大, 含沙量增加到一定值后红移的幅度又下降, 且当悬沙质量浓度达到某一值时, 红移停止。即“红移”存在一个极限波长。对该极限波长, 不同的研究者有不同的结果, 对应的悬沙质量浓度也不尽相同[9]。第二反射峰稳定在800～820nm 波段范围。

2. 2　悬沙粒径对悬沙水体反射率的影响

根据恽才兴等的实验表明, 不同粒径的悬沙水体具有不同的反射率曲线, 其差异主要在于反射能量的大小, 影响着悬沙质量浓度与反射率之间相关关系的敏感波段。水体的光谱反射能量是水中所有物质反射的综合体, 即使颗粒数相同, 也会由于粒径大小及组成成分的差异而有光谱反射变化[10]。Bhargava 等对粒径范围为0. 032～0. 1253mm 的5类不同悬浮物质的光谱反射率曲线进行了比较, 研究表明, 随着粒径的增加, 同等质量浓度的悬浮物质的反射率下降, 粒径的大小和反射率成反比[11]。

将从野外采集的泥沙分成粒径大小不同的3组分别进行光谱测量, 选取D 50为粒径的特征指标。图2显示了相同质量浓度的情况下, 不同粒径对反射率的影响。

3期张　芸, 等:悬沙水体光谱反射率与质量浓度、粒径的相关关系343

图2　不同粒径大小的悬沙水体反射率的比较

Fig. 2Comparison of reflectivity among water masses with different sized suspended particles

实验数据表明:

1) 同一浓度条件下, 随着悬沙粒径的减小, 光谱反射率逐渐增大。

2) 同一粒径条件下, 随悬沙质量浓度的增加, 光谱反射增大的趋势表现明显。

3) 在实验研究的质量浓度0. 010～3. 699g/L 和波长400～900nm 范围内, 粒径越小, 反射率越大, 两者

存在倒数的关系, 即R =m +n , 其中R 为反射率, D 为粒径,m 和n 为常数。D

3　悬沙质量浓度的敏感波段

3. 1　单波段反射率和悬沙质量浓度的相关分析

悬沙水体的质量浓度和各波段光谱反射率有很好的相关性。在400～1000nm 波段范围内, 相关系数在0. 9以上的达到了95. 5%, 悬沙质量浓度敏感波段的范围很宽。相关性最好的波段范围为900～930nm , 平均相关系数达到了0. 990, 其中920nm 波段的相关系数最好, 达0. 996; 相关性最差的波段范围在350nm 以下和1025nm 以上。

3. 2　多波段平均反射率和悬沙质量浓度的相关分析

由于地物光谱仪波段间隔为1nm , 水体反射率曲线存在一定的波动, 在质量浓度较低时, 表现尤为明显。采用一段波长反射率的平均值和悬沙质量浓度做相关分析可以减弱这种影响。前面的研究表明悬沙水体的第一反射峰发生“红移”现象, 第二反射峰一直稳定在800～820nm , 两峰之间的反射谷稳定在730～750

344海　洋　科　学　进　展26卷nm , 两个波段范围的反射率均值与质量浓度有很好的相关性, 其中900～930nm 单波段的光谱与质量浓度的相关性最好, 因而选取730～750nm ,800～820nm 和900～930nm 的光谱做多波段平均反射率分析。

R 1、R 2、R 3分别是730～750nm ,800～820nm 和900～930nm 波段反射率的均值, 与质量浓度的相关系数为0. 963,0. 965和0. 991。和单波段的相关性相比, 多波段相关系数并没有单波段的最大相关系数高; 但单个波段的反射率难以全面地反映出不同质量浓度悬沙水体的光谱信息[8]。

4　悬沙水体回归模型

, 先不考虑粒径大小的影响, 用实验室数据, ; 然后利用野外现场实测的光谱数据, , 。

实验室测量D 17个, 其中12个用于分析建模,5个作检验, 质量浓度为0. 010～3. 699g/L 。14个, 随机选取12个建模,2个作检验, 质量浓度为0. 130～1. 077g/L , D 50的范围为0. 023～0. 032mm 。

4. 1　悬沙水体回归模型的建立

在实际情况下, 悬沙粒径大小对光谱的反射率具有重要的影响, 光谱特征规律为:在质量浓度一定的情况下, 悬沙水体的反射率和粒径呈负相关关系; 在相同的粒径条件下, 反射率随泥沙质量浓度的增大而增大。

R 1, R 2, R 3分别是730～750nm ,800～820nm 和900～930nm 波段反射率均值, 建立固定粒径的悬沙质量浓度幂指数模型:

S =aR b

　　建立不同粒径的悬沙浓度模型:

S =aT b

T =Rd

　　式中, d 为悬沙的中值粒径,a 和b 为模型的常数。

　　各模型的回归参数和相关系数r 见表2。

表2　2种回归模型的系数

Table 2　Coefficients of two types of regression models

模型S =a R b

R 1

r R 2R 3T 1模型S =a T b T 2T 30. 995

267. 11

1. 49050. 993231. 151. 48620. 973120. 291. 13360. 9756358. 21. 27460. 9774426. 91. 23720. 9811095. 10. 9677a b

由表1可知:固定粒径的悬沙反演模型的相关系数普遍比不同粒径的反演模型的相关系数高。在固定粒径反演模型中, R 1的相关系数最好, 因此选取S =267. 11R 11. 4905作进一步验证。同样, 在不同粒径的反演模型中, T 3的相关性最好, 选取模型S =1095. 1T 30. 9677进行对比分析。

4. 2　悬沙水体回归模型的对比分析

为了检验模型的反演能力, 本文首先对模型进行了历史样本拟合检验, 将敏感波段的反射率值代入回归

3期张　芸, 等:悬沙水体光谱反射率与质量浓度、粒径的相关关系345方程来反演悬沙质量浓度, 并计算了悬沙质量浓度拟合值和实测值之间的平均绝对误差和相对误差。固定粒径模型的平均和相对误差都低于13%, 反演精度较高。模型对低悬浮质量浓度的反演能力普遍低于高悬沙质量浓度, 质量浓度范围为0. 190～0. 991g/L , 模型的平均相对误差为6. 92%。不同粒径的悬沙模型中, 浓度范围为0. 130～1. 077g/L , 模型的平均相对误差为14. 43%。

为了检验反演模型的精度, 用没有参加建模的样本数据进行独立样本的检验。模型S =267. 11R 11. 4905的平均绝对误差为0. 024g/L , 平均相对误差为10. 7%; 模型S =1095. 1T 30. 9677的平均绝对误差和平均相对误差都大于前者, 分别为0. 038g/L 和12. 59%。

5　结　论

1) 560～720nm , 第二反射峰位于800～820nm 。, , 直至高于第一反射峰。悬沙质量浓度为

1. 964g/L 时, 2) , 随着悬沙粒径的减小, 会使得悬沙总的散射面积增大, 反射率逐渐增大。悬沙水体的反射率和泥沙粒径存在R =m +n D 的关系。

3) 悬沙水体反射率的敏感波段是730～750nm ,800～820nm 和900～950nm 。其中730～750nm 波段是第一和第二反射峰之间的反射谷,800～820nm 波段是第二反射峰,900～950nm 单波段的光谱反射率与质量浓度相关性最好。

4) 基于对光谱反射率与悬沙质量浓度、粒径之间关系的分析, 选取敏感波段, 建立了光谱反射率、悬沙质量浓度和粒径之间的关系模型S =1095. 1T 30. 9677。实验表明, 该模型能反映三者之间的关系, 但反演精度低于固定粒径的悬沙反演模型。

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Correlations B et w een the Spectral R eflectance of Mass

Containing Suspended and P article Size G , G Ying 1, WAN G Jing 2jing 2

(1. Key L and Ecological Const ruction in J iangsu , Nanjing 210046, China ;

2. I I nstitute f or Earth S ystem Sciences , N anj ing Universit y , Nanjing 210093, China )

Abstract :Based on t he spect ral data and t he suspended sediment concent ration (SSC ) and particle size measured bot h in t he laboratory and in t he field , t he spect ral characteristics of water masses wit h different SSC and wit h t he same SSC but different particle size were analyzed , t he sensitive wave bands of SSC were selected and t he relationship models between t he spect ral reflectance of t he water mass and t he concentra 2tion and particle size of t he suspended sediment s were established. The result s have indicated t hat t he spect ral reflectance of t he water mass wit h different SSC shows a bi 2peak character , whereas in t he water mass wit h t he same SSC but different particle size t he spect ral reflectance increases gradually wit h decrease in particle size , showing an inverse relation between t he particle size and t he spectral reflectance. The ex 2ponential model of t he relation between t he spect ral reflectance of water mass and t he suspended sediment concentration and particle size can reflect t heir relationship s preferably.

K ey w ords :spect ral reflectance ; suspended sediment concentration (SSC ) ; particle size

R eceived :J une 25, 2007