水体悬浮物浓度遥感反演经验模型

水体悬浮物浓度遥感反演经验模型

摘要

常规的悬浮物浓监测是通过对水体取样，进而再对水样进行实验室化学分析实现的，需要耗费大量的人力物力，而且所得到的仅是取样点的数据，对区域面状水域的评价只能是以点代面，因此，难以满足对大面积水环境质量监测的要求。悬浮沉积物作为近海水体污染物的源和汇，是表征水环境质量的一个重要参数，同时又是水体的主要光学活性物质之一，与水体的光学性质密切相关，其浓度大小直接影响卫星遥感信号的强弱。如叶绿素在440nm 附近有一吸收峰，在550nm附近有一反射峰，在可见光和近红外波段，悬浮物浓度的增加将导致水体反射率的增加等，正是由于这些光谱特性的存在，使得遥感监测水质参数成为可能。从定量遥感的角度考虑，建立准确的遥感反演模型需要深入研究水体的光谱特征，国外对此研究较早，并且建立了完善的水体光学测量规范，为发展准确的遥感反演算法奠定了坚实的基础。国内对此也开展了一些研究，尤其是在含沙水体光谱特征研究上，通过模拟实验和现场测量两种方式，获得了遥感反射率对应不同含沙量水体的变化规律。但是，不同水域悬浮物的成分、粒径分布和浓度的不同，其相应的反射率光谱特性也有所差异，目前国内对不同区域水体光谱特征的把握上还不全面，所以遵循美国NASA的海洋光学测量规范，测量获取了实验海域混浊水体的水面反射率光谱和对应的水体悬浮泥沙浓度等数据，在分析实测光谱特征的基础上，研究了水体表层悬浮泥沙浓度与不同波段遥感反射率之间的相关性，从中选取敏感波段进行统计分析，采用回归方程建立悬浮泥沙浓度遥感反演经验模型。另外，基于人工神经网络建立了悬浮物浓度遥感反演的经验模型。

1水体遥感原理

1.1 水色遥感原理

水色遥感是通过卫星传感器接收的离水辐射信号，对水体中待定物质的浓度信息等进行反演，这些物质主要包括浮游植物等悬浮物。水体中各种物质组成及其对应的浓度差异是造成水体光学性质差异的主要原因，主要表现为水体的吸收特性和散射特性的不同。因此，水体遥感的反演首先要获取与水体光学特性有光的离水辐射亮度，然后根据水体光学性质与对应物质的浓度等所具有的特定的关系，并借助一定的模型算法，从遥感影响上反演出水体中物质组成及其浓度等。水体光谱性包括两个方面：表观光学特性（Apparent Optic Properties，AOPS）和固有的光学特性（Inherent Optic Properties，IOPS）

1.2 悬浮泥沙遥感原理

水体中悬浮泥沙光谱反射率具有双峰特种，通常第一反射峰位置在550-670nm，第二反射峰位置在780-830nm。当水体中悬浮物质含量增加时，反射率波谱上的反射峰由短波向长波方向位移，及具有所谓的“红移现象”。随着水体含沙的增加，反射率增加幅度最大波长与反射率波谱最大峰值位置基本上是吻合。在含沙量较低时，第一反射峰值R1高于第二反射峰值R2.，随着S增加，R2.逐渐升高。当悬浮物质颗粒教细时，随着S的增加，R2.升高的速度要大于R1升高的速度

2建立遥感反演数据集

反演过程如图1所示，分为五个阶段：

2.1 实测悬浮物浓度

在光谱测量的同时采集表层水样，低温冷藏带回实验

室测量悬浮物浓度。水体中的悬浮物包括无机部分(悬浮泥

沙)和有机部分(浮游植物)，其中浮游植物由叶绿素的浓度

表示。悬浮泥沙浓度的测量采用“重量法”。叶绿素浓度测

量采用海洋监测规范提供的“分光光度法”。

2.2 悬浮泥沙浓度历史数据

利用水利河口研究院从的悬浮泥沙实测数据，将研究海域划分为若干个个不同监测区域，每个观测区又分为若干采样点，每个采样点分别以一小时为间隔采集水体表层

含沙量的连续观测数据。多次采样时间也分别覆盖不同的

潮情(大/中/小潮)和完整的潮时(涨落潮)。从空间分布来看

及时间角度分析，大潮含沙量通常高于中/小潮含沙量，这

和大潮期间流速较急有关。

2.3 实测水面遥感反射率 现场光谱测量采用水面之上观测法，利用美国ASD

便携式地物光谱仪和30%反射率的标准板分别测量水面、

天空光和标准板的辐亮度，然后计算推导离水辐射率和遥感反射率等表观光学参数等。光谱仪观测几何采用NASA 海洋光学观测规范推荐的观测角度设置，即仪器观测平面与太阳入射平面的夹角为135° (背向太阳方向)，仪器与海面法线方向的夹角为400;仪器积分时间固定为 136ms ，每次连续测量时间至少跨越一个波浪周期。在避开太阳直射反射、忽略或避开水面泡沫等外界影响情况下，对于未经严格标定的光谱仪，标准板经过严格标定后，在固定积分时间状态下计算水面之上遥感反射率

2.4 卫星遥感反射率

采用美国NASA 的MODIS 资料作为建立遥感反演模型的卫星数据。中分辨率成像光谱仪(MODIS)是美国宇航局研制大型空间遥感仪器。它在36个相互配准的光谱波段，以中等分辨率水平(250~IO00m)、每1~2天观测地球表面一次，获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。NASA 不仅提供MODIS 原始数据，还据此发布多级数据产品(附表10)，其中地表反射率产品 (MOD09)是从 MODISLIB 数据的7个陆地波段经过大气校正获得的二级产品。M0D09的大气校正是在MOD35产品进行云掩膜的基础上，采用65模型来进行，基本消除了大气分子、气溶胶与薄云等的干扰，估算出真实的地表反射率。MODIS 陆地产品的具体处理流程见附图1。因此，采用MOD09标准产品可以避免不同研究者对不同地区的数据进行大气校正过程的误差，统一的数据对于业务化遥感监测水体悬浮泥沙浓度以及结果的比较具有重要意义。M0D09不仅有每天数据，还包括多天合成的次级产品，考虑到时空分辨率对近海水色遥感的影响，本文主要采用的是250m 分辨率的每天数据，其中心波长分别为 645nm 和848nm 。

3 悬浮物浓度遥感反演统计回归模型

图 1 反演过程