基于高光谱遥感技术的积水沉陷区水深反演模型的研究

第２５卷第１期 黑　龙　江　工　程　学　院　学　报（自然科学版） Ｖ

ｏｌ．２５№．１２０１１年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．，２０１１基于高光谱遥感技术的积水沉陷区水深

反演模型的研究

孟祥来，朱继文，张　贺

（黑龙江工程学院测绘工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０

）摘　要：高光谱遥感是当前内陆水监测的一个重要发展趋势，是有效地捕捉这些水体光谱信息的必要手段。在遥感空间信息技术支持下对内陆积水沉陷区的水体特征进行分析，研究叶绿素ａ及总悬浮物浓度随着水体深度变化的特征，分析不同叶绿素ａ浓度、悬浮物浓度以及悬浮物粒径对水体光谱特性的影响特点；同时还对底质对水深信息遥感提取的影响特点进行分析。在此基础上，构建水深遥感反演的定量模型。关键词：高光谱遥感；光谱反射率；水深遥感；反演模型

中图分类号：Ｐ２３７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－４６７９（２０１１）０１－００１７－

０３Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐ

ｔｈ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ａｒｅａｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ

ＭＥＮＧ　Ｘｉａｎｇ

－ｌａｉ，ＺＨＵ　Ｊｉ－ｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｈｅ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｓ　ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｌａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｒｅｎｄｓ，ａｎｄ　ｅｆｆｅｃ－ｔｉｖｅｌｙ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｗａｔｅｒ　ｂｏｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｍｅａｎｓ．Ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　ｉｎｌａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｂｏｄｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｏｆ　ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ａ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｓｏｌｉｄｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａ－ｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ　ｃｈａｎｇｅｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ａ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔｏｆ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ，ａ　ｗａｔｅｒｄｅｐｔｈ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ａｎｄ　ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏ－ｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ；ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ；ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｍｏｄｅｌ

收稿日期：２０１０－１１－

０４基金项目：黑龙江省教育厅资助项目（１１５５１４１４

）作者简介：孟祥来（１９７４－）

，男，讲师，硕士研究生，研究方向：测绘工程．

１　叶绿素ａ浓度与水深变化的关系

利用采水器按照水面以下０．２ｍ一个间隔，同步分层采集水样。采用以下公式进行拟合：

Ｃｃｈｌａ＝ａ１

１２π槡

σｅ（

Ｚ－μ

）

２２σ２

．（１）式中：Ｃｃｈｌａ为叶绿素ａ浓度（

ｍｇ／ｍ３），Ｚ为水体深度，利用Ｍａｔｌａｂ工具拟合σ、μ的结果为ａ

１＝１２．０３２，σ＝０．２３６，μ＝２．

４７７，标准差０．６５４　９。２　不同叶绿素ａ浓度对水体光谱的影响

对应水体中不同含量的叶绿素，水体的光谱曲线在４３０～７００ｎｍ光谱波段会相应出现较明显的差异。图１显示不同叶绿素浓度的水体光谱曲线。从图中可见：水体在波长４４０ｎｍ处有个吸收峰；蓝光（４００～４８０ｎｍ）

反射辐射与叶绿素浓度负相关；在波长５２０ｎｍ处的辐射值不随叶绿素含量而变化；在波长５５０ｎｍ处出现反射辐射峰，并随着叶绿素含量增加，反射辐射上升；由于浮游植物分子吸收光后，再反射引起的Ｒａｍａｎ效应（

进行水分子破裂

和氧分子生成的光合作用），激发出的能量荧光化的结果，在波长６８５ｎｍ附近有明显的荧光峰

。

图１　不同叶绿素浓度的水体光谱曲线

图２为沉陷区中心部分采样点，叶绿素ａ的单位吸收系数随深度有较大的变化，尤其在短波峰值附近上层水体的叶绿素ａ单位吸收系数要偏大很多，在长波峰值附近的变化较小。上层水体具有较强的光照，但营养盐含量较低，该环境下的浮游植物色素细胞粒径较小，而且所含的辅助色素也较丰富。小的色素颗粒由于对强光的光适应性使得内部色素浓度较低，打包效应较弱，叶绿素ａ单位吸收系数增大；而且在水体的垂直结构上，因为光适应性，表层藻类细胞内色素的浓度相对深层为低，打包效应的影响也较小，相应地叶绿素ａ单位吸收系数增大。在叶绿素ａ浓度最大深度以内的水层，微型藻占有绝对优势；而在该深度以下，微型藻类和大型藻类的比例有所增加，色素打包效应增强

。

图２　叶绿素单位吸收系数与水体深度的关系

３　悬浮物浓度与水体深度的关系

数据采集方法同不同水体深度时叶绿素ａ的采集方法相同。悬浮物浓度与水体深度的关系利用式（２）进行拟合。

Ｃｓ＝ａ２ｌｏｇ（Ｚ＋ａ３）．（２）式中：Ｃｓ为悬浮物浓度（ｍｇ／ｍ３），Ｚ表示水体深度。

利用Ｍａｔｌａｂ工具拟合σ、μ的结果为ａ

２＝７５．０６２

，ａ３＝０．６５３，标准差０．７８４　６。

４　不同悬浮物浓度对水体光谱的影响为了解悬浮物浓度和光谱反射率之间的关系，本文计算了两组实验各波段归一化反射率和悬浮物浓度间相关系数：在４００～６００ｎｍ（低悬浮物浓度为４００～５８４ｎｍ，高悬浮物浓度在４００～６０９ｎｍ）波段范围内，光谱反射率和悬浮物浓度呈负相关，且相关系数的绝对值随波长的增加而增大；在６００～９００ｎｍ（低悬浮物浓度为５８５～９００ｎｍ，高悬浮物浓度在６１０～９００ｎｍ）波段范围内，光谱反射率和悬浮物浓度呈正相关，相关系数随着波段的增加而增大，在９００ｎｍ左右达到最高。其中光谱反射率和悬浮物浓度相关性较高的波段范围为：低悬浮物浓度水体在５５０～５７０ｎｍ和７５０～９００ｎｍ处，相关系数的平均值为－０．９７和０．９６，高悬浮物浓度水体在５６０～５９０ｎｍ和７４０～９００ｎｍ处，相关系数的平均值为－０．９３和０．９４。

由于在进行光谱测量时，天气条件的变化、周围环境的影响及测量角度的变化都会影响反射率数值的大小，为了便于对不同次测量结果进行比较，每条反射率曲线都利用其在可见光范围（４５０～７５０ｎｍ）的波段反射率平均值进行归一化处理，归一化反射率计算公式为

Ｒ′ｗ（λｉ）＝

ＬＷ（λｉ）／ＬＲ（λｉ）

∫７５０４５０ＬＷ（λ）ｄλ／∫７５０４５０ＬＲ（λ）ｄλ．

（３）

式中：ＬＷ（λ）和ＬＲ（λ）分别为对应于某一波长λ的水面和标准板的反射强度。

因为，ＦｉｅｌｄＳｐｅｃ　ＨａｎｄＨｅｌｄ光谱仪采集的是离散型数据，因此，光谱数据的一阶微分可以用式（４）近似计算。

Ｒ′ｗ（λｉ）＝

Ｒｗ（λｉ＋１）－Ｒｗ（λｉ－１）

λｉ＋１－λｉ－１

．（４）式中：ｉ＋１，ｉ与ｉ－１为相邻波长，ＬＷ（λ＋１）为反射率。

水体光谱反射率和悬浮物浓度呈明显的对数关系，因而计算了悬浮物浓度对数和归一化反射率之间的相关性：低悬浮物浓度水体光谱反射率和悬浮物浓度对数高相关波段位于４００～５００ｎｍ和６２０～７３５ｎｍ处，相关系数的平均值分别为－０．９９和０．９８；高悬浮物浓度水体相关性高值区位于５５０～５７０ｎｍ和７２０～９００ｎｍ处，相关系数的平均值分别为－０．９８和０．９８。可见悬浮物浓度对数与反射率之间的相关性明显高于原悬浮物浓度的相关性。

一阶微分光谱反映的是反射光谱的斜率，两组

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实验光谱值都在４３０ｎｍ、５６０ｎｍ、７３０ｎｍ和８２７ｎｍ附近斜率差别较大。各波段反射率的一阶微分与悬浮物浓度对数的相关系数显示：低悬浮物浓度水体在４３０～４６０ｎｍ、４９０～５７０ｎｍ和７８０～７９０ｎｍ处呈较高的正相关，相关系数均达到了０．８８以上，在７２０～７３５ｎｍ、８１７～８３４ｎｍ处呈较高的负相关，相关性在－０．８５至－０．９０。高悬浮物浓度水体光谱的一阶微分与悬浮物浓度对数主要以正相关为主，在５９０～６１０ｎｍ和７００～７３５ｎｍ处相关性较高，相关系数均在０．８８以上。从整体来看，水体光谱一阶微分与悬浮物浓度对数的相关性不如水体光谱本身与悬浮物浓度对数相关性高，且相关性波动较大。

５　沉陷区底质对水深遥感信息提取的影响

在理论分析上，这里先不考虑大气和表面耀光的作用，由于水体部分含有悬浮质、叶绿素和ＣＤＯＭ等物质，因此，对采用光谱对底质进行提取需要对水体部分进行校正，从水体表面测得的向上辐照度包含水体和底质两部分，即

Ｅｕ（０）＝Ｅｗｄ（０）＋ＥＢｕ（０）．（５）式中：Ｅｗｄ（０）是水体产生的向上辐照度，ＥＢｕ（０）是底质产生的向上辐照度。在水深Ｚ的区域位置

Ｅｄ（Ｚ）＝Ｅｄ（０）ｅＫｅＺ．（６） 在深度Ｚ，水体产生的向上辐照度

Ｅｗｕ（Ｚ）＝Ｅｂ（Ｚ）ｂｂｄ（Ｚ）＝Ｅ（０）ｅＫｄＺｂｂｄ（Ｚ）．

（７）式中：ｂｂｄ（Ｚ）是水体中向下辐照度的后向散射系数。由于水体的每一深度都会产生向上辐照度，则恰在水面下的向上辐照度

Ｅｗｄ（０）＝Ｅｄ（０）

∫Ｈ０ｂｂｄ（Ｚ）ｅ［－∫Ｚ０（Ｋｄ（Ｚ）＋Ｋｕ（Ｚ））ｄＺ］ｄＺ，

（８）

Ｅｗｄ（０）＝（Ｋｄ（Ｚ）＋

Ｋｕ（Ｚ））－１　Ｅｄ（０）ｂｂｄ（Ｚ）（１－ｅ－（Ｋｄ（Ｚ）＋Ｋｕ（Ｚ））ｄＺ）．（９） 底质表面的向上辐照度

ＥＢｕ（Ｚ）＝Ｅｄ（Ｚ）Ａ．（１０）Ａ是底部向下辐照度的后向散射系数，由底部反射到恰在水面下的向上辐照度，计算为

ＥＢｕ（０）＝ＥＢｕ（Ｚ）ｅ－ＫｕＺ．（１１）则

ＥＢｕ（０）＝Ｅｄ（０）Ａｅ－（Ｋｄ＋Ｋｕ）Ｚ．（１２） 一般认为：Ｋｄ＝Ｋｕ，Ｅｗｄ（０）与ＥＢｕ（０）相加

Ｅｕ（０）＝Ｅｄ（０）ｂｂｄ

２　Ｋｄ（１－ｅ－２　ＫｄＨ）＋Ａｅ－２　Ｋｄ

［］Ｈ．

（１３）

对于没有底部反射的水体来说，

ｂｂｄ

２Ｋｄ

＝Ｒ（∞），则

Ｈ＝－１

２　Ｋｄ

·ｌｎ

（Ｒ

０－Ｒ∞

）

ｌｎ（Ａ－Ｒ∞）

．（１４） 通过计算，就可以获得水深的信息。在校正过程中，Ｒ（∞）一般认为是等于没有底部反射时的水体反射率，通过对临近水域较深的水体进行提取。在现场校正时，通过式（１５）来计算。

１－Ｒ∞

１＋Ｒ∞

（）２＝［Ｅｄ（Ｚ）－Ｅｕ（Ｚ）］２

ＥｄＺ＋ＥｕＺ２

．（１５）６　水深遥感反演模型构建

水深与水质参数的关系

Ｃｃｈｌａ＝ＧＩ（Ｚ）＝１２．０３２１

槡２·０．２３６

ｅ－

（Ｚ－２．４７７）２

２０．２３６，Ｃｓ＝Ｃ２（Ｚ）＝７５．０６２ｌｏｇ１０（Ｚ＋０．６５３）

烅

烄

烆．

（１６） 将式（１６）带入Ｒ（０－）的表达式

Ｒ（０－）＝

Ｅｗｕ（０－）

Ｅｗｄ（０－）

＝ｆ

ｂｂ

ａ＋ｂｂ

＝

ｆ

（ｂ·

ｂｐＧ２＋ｂｂｗ

）

（ａ·

ｐｈ

Ｇ１＋ａ·ｄＧ２＋ａ·ｃｄｏｍａｃｄｏｍ（４４０）＋ａｗ）＋（ｂ·ｂｐＧ２＋ｂｂｗ）

，

（１７）将式（１７）代入底质修正方程式（１３），则可以完成水深信息的底质修正。

７　结束语

本文在计算水深遥感反演的定量模型中，沉陷区积水水体的高光谱遥感数据需要实际测量，目前商用高光谱遥感卫星的空间分辨率有限，无法满足沉陷区这种空间尺度相对较小的内陆水体监测的需要，因此，若想达到实用效果，还需要高空间分辨率的多光谱遥感数据支持。

参考文献

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［４］陈清莲，唐军武，王项南，等．东海试验区水体光谱特性现场测量与数据分析［Ｊ］．海洋技术，１９９９，１８（３）：２１－３７．［５］修鹏，刘玉光，程永存，等．水下高光谱辐照度和辐亮度剖面测量仪［Ｊ］．气象水文海洋仪器，２００６（２）：７－１４．

［责任编辑：刘文霞］

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