基于遙感光譜反射率反演黃河口海域Ⅱ類水體懸浮泥沙濃度模型

樊彥國, 孟志河, 張 磊, 劉復生, 朱 浩

(1. 中國石油大學(華東) 地球資源與信息學院, 山東 青島 266555; 2. 中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處, 山東 青島 266071)

基于遙感光譜反射率反演黃河口海域Ⅱ類水體懸浮泥沙濃度模型

樊彥國1, 孟志河2, 張 磊1, 劉復生1, 朱 浩1

(1. 中國石油大學(華東) 地球資源與信息學院, 山東 青島 266555; 2. 中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處, 山東 青島 266071)

依據黃河口海域含沙水體野外實測光譜反射率為參考實驗數據, 結合水體表面光譜觀測數據建立了經驗回歸模型, 從而定量估測黃河口海域水體表層懸浮泥沙質量濃度, 最終得出黃河口海域不同年份水體的懸浮泥沙質量濃度圖, 這對分析河口海岸帶沖淤變化過程具有重要的意義。

黃河口; 懸浮泥沙濃度(SSC); 遙感; 光譜反射率

在海洋遙感研究中, 海洋水體按照光學性質劃分為Ⅰ類水體(case 1 waters)和Ⅱ類水體 (case 2 waters)。其中, Ⅱ類水體的光學特性主要由懸浮物、黃色物質(又稱有色可溶性有機物)決定; 近岸水體直接受到來自海岸帶和河口徑流攜帶的陸源物質影響,屬于Ⅱ類水體。遙感監測Ⅱ類水體的懸浮泥沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)是海洋遙感領域的一個重要研究方向。掌握近海水體懸浮泥沙濃度和運移特征是分析河口形態和演變規律的重要方面。Ⅱ類水體懸浮泥沙的濃度直接影響到水質的透明度和水色等光學性質, 同時也影響到水生生態環境和河口海岸帶沖淤變化過程。借助遙感手段, 可以快速地獲取水體泥沙的信息, 對分析研究海岸帶沖淤變化具有重要的意義[1]。

1 建模依據

1.1 黃河口海域光譜特性

黃河口海域不同懸浮泥沙濃度水體光譜反射特性[2～4]：

1)黃河口含懸浮泥沙水體光譜反射率均小于0.07 sr-1。

2)不同懸浮泥沙濃度水體, 其光譜反射率曲線不同。

3)從波段來看, 在400～550 nm波段范圍內, 光譜反射率對懸浮泥沙質量濃度的變化反映不敏感。在550～700 nm, 大體趨勢是懸浮泥沙質量濃度升高, 水體的反射率也隨之提高, 但也存在懸浮泥沙質量濃度為 403.2(14.9) mg/L水體的光譜反射率高于懸浮泥沙質量濃度為1 207.3(72.9) mg/L和1 713.1(183.4) mg/L水體的光譜反射率的現象(其中, 括號外的數值為懸浮泥沙濃度, 括號內的數值為有機物濃度)。

4)在750～900 nm波段, 光譜反射率隨水體中懸浮泥沙質量濃度的增長呈現明顯的增長趨勢, 特別是位于810 nm左右的次主峰值, 變化更為顯著。當懸浮泥沙質量濃度小于 25 mg/L時, 次主峰幾乎不存在。這可能是由于該波段處于水體的強吸收區, 當水體懸浮泥沙質量濃度過低時, 懸浮泥沙后向散射小, 水體表面的光譜反射率也很低, 甚至趨近于零。

1.2 理論依據

按照 Dekker等[5]的方法, 利用海水表面光譜測量數據可模擬Landsat TM/ETM+可見光至近紅外譜段的光譜響應, 結果如圖1所示。從圖1可知, 對于懸浮泥沙質量濃度低并且有機物質量濃度低的水體,在TM2波段范圍內, 光譜反射率隨懸浮泥沙質量濃度的增加而顯著增大, 故而適合這類水體的遙感反演。當水體懸浮泥沙質量濃度較低(＜10 mg/L)時,TM4波段對懸浮泥沙質量濃度的響應不敏感, 而對懸浮泥沙質量濃度較高的水體, 其光譜反射率隨懸浮泥沙質量濃度的增長明顯, 因此TM4波段只適合高懸浮泥沙質量濃度水體的反演。當水體有機顆粒物質質量濃度較低(＜20 mg/L)時, TM3波段的光譜反射率隨懸浮泥沙質量濃度的增加而增加, 但水體中有機顆粒物質質量濃度較高時, TM3光譜反射率與懸浮泥沙濃度的相關關系并不明顯。因此, 對于懸浮泥沙質量濃度變異較大的黃河口海域, 很難基于單一波段準確地反演水體懸浮泥沙質量濃度。盡管研究表明黃河含懸浮泥沙水體光譜反射率與水體懸浮泥沙質量濃度在MSS6和MSS7波段有較為滿意的對數關系, 但相關系數R2均小于 0.85。其他河口也有利用陸地衛星MSS5或TM3單一波段數據成功反演懸浮泥沙質量濃度的例子, 但都缺乏對特定水體進行光譜特性的分析, 或水體中懸浮泥沙質量濃度較低。為克服單一波段反演的不足, 許多學者嘗試利用多個波段數據的運算結果來反演水體中的懸浮泥沙質量濃度, 并取得了較好的效果[6]。

圖1 黃河口海域不同懸浮泥沙質量濃度水體在TM各波段光譜特性Fig. 1 Simulated spectral responses of TM wave bands to the water with different suspended sediment contents at the Yellow River Estuary

2 懸浮泥沙質量濃度信息反演模型

本文研究了懸浮泥沙質量濃度與模擬所得的Landsat TM波段光譜反射率及其組合的回歸關系。

考慮到不同波段光譜反射率之比可部分消除懸沙顆粒折射系數和后向散射有效因子對光譜反射率的影響, 且應用于遙感影像時, 可消除大氣影響的乘積效應, 故選擇建立RTM3/RTM2與懸浮泥沙質量濃度之間的關系來估測水體表層的懸浮泥沙質量濃度。

利用 SPSS統計軟件的回歸分析功能建立RTM3/RTM2與懸浮泥沙質量濃度之間的關系。所用光譜反射率資料是1989年8月在黃河三角洲鄰近海域實測而得。所用儀器為RS-2型四通道野外光譜儀, 其4個通道的光譜范圍與陸地衛星中多光譜掃描儀 4個波段的范圍完全相同。光譜視場角15o, 在觀測時基本上消除了局部波浪起伏造成的誤差和照度變化造成的誤差。在實測中取兩次結果的平均值。每個光譜測量站均取水樣, 室內分析其懸浮泥沙質量濃度, 每個站位的光譜反射率及懸浮泥沙質量濃度見表1。

表1 實測光譜反射率與水體懸浮泥沙質量濃度的對數值Tab.1 Measured spectral reflectance and logarithm of suspended sediment concentrations

圖2 不同時間的黃河口海域懸浮泥沙質量濃度Fig. 2 Suspended sediment concentrations of the Yellow River Estuary at different times

利用 SPSS軟件進行統計分析得到懸浮泥沙質量濃度M的數理統計模型如下：

應用模型進行圖像解譯, 得到不同時間的黃河口海域懸浮泥沙質量濃度(圖2)。

3 結語

1)論文對黃河口海域含沙水體在其可見光至近紅外 4個波段的光譜特性進行了模擬分析, 并結合表觀光譜觀測數據建立了經驗回歸模型, 從而可估測研究黃河口海域水體表層懸沙的質量濃度, 最終得出該海域不同年份水體的懸浮泥沙質濃度圖。

2)由于遙感影像獲取的是表層水體的光譜信息,所以由遙感影像反演只能得到表層水體的泥沙質量濃度。而在實際應用(例如海岸侵蝕沉積研究)中水底的泥沙質量濃度往往是很有用的指標。要想通過表層水體的泥沙質量濃度來獲取深層水體的泥沙質量濃度是一個需要進行進一步研究的課題。

[1] 劉志國, 周云軒, 蔣雪中, 等．近岸Ⅱ類水體表層懸浮泥沙濃度遙感模式研究進展[J]．地球物理學進展,2006, 21(1)： 321-326.

[2] 樊輝, 黃海軍, 唐軍武.黃河口水體光譜特性及懸沙濃度遙感估測[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2007,32(7)： 601-604.

[3] Forget P, Ouillon S, Lahet F,et al. Inversion of reflectance spectra of nonchlorophyllous turbid coastal waters[J]. Remote Sensing of Environment, 1999, 68(3)：264-272.

[4] Doxaran D, Froidefond J, Lavender S,et al. Spectral signature of highly turbid waters, application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations[J]. Remote Sensing of Environment,2002, 81(1)： 149-161.

[5] Dekker A G, Malthus T J, Wijnen M M,et al. The effect of spectral band width and positioning on the spectral signature analysis of inland waters[J]. Remote Sensing of Environment, 1992, 41(2/3)： 211-222.

[6] Doxaran D, Froidefond J, Castaing P. A reflectance band ratio used to estimate suspended matter concentrations in sediment-dominated coastal waters[J]. International Journal of Remote Sensing, 2002, 23(23)：5079-5085.

Based on remote sensing spectral reflectance inversion of suspended sediment concentration model of surfase water at the Yellow River Estuary

FAN Yan-guo1, MENG Zhi-he2, ZHANG Lei1, LIU Fu-sheng1, ZHU Hao1
(1. College of Geo-Resource and Information in China University of Petroleum, Qingdao 266555, China; 2. Geotechnical Engineering Office in East China Investigation and Design Institute, China National Petroleum Corporation, Qingdao 266071, China)

Feb., 3, 2010

the Yellow River Estuary; suspended sediment concentration (SSC); remote sensing; spectral reflectance

Based on the experimental data of spectral reflectance at the Yellow River Estuary, a regression model was established, combining spectral data of the water surface, which can be used to estimate suspended sediment concentrations and suspended sediment figures can be accessed. It is of great significance to analysis of changes in estuarine and coastal erosion and deposition process.

TP79

A

1000-3096(2010)09-0060-04

2010-02-03;

2010-06-27

山東省科技攻關項目(2008GG10009018); 山東省科技計劃項目(J08LD55)

樊彥國(1965-), 男, 河北望都人, 博士, 碩士導師, 從事3S技術在數字國土、城市及海岸帶方向的教學與研究工作, E-mail：ygfan@upc.edu.cn

(本文編輯： 劉珊珊)