河口水體懸浮物固有光學性質(zhì)及濃度遙感反演模式研究.pdf

1、河口是聯(lián)系大陸與海洋之間物質(zhì)和能量交換的重要場所。我國每年有大量的地表徑流經(jīng)河口入海，所挾帶的泥沙和各種營養(yǎng)元素、有機污染物等對河口附近水域的生態(tài)環(huán)境有顯著影響。由于近岸河口水域的懸浮泥沙往往具有廣泛的時空變異尺度，基于傳統(tǒng)方式的監(jiān)測方法在空間詳細和時間頻率方面已經(jīng)無法滿足逐漸提高的管理需求，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展與進步，遙感監(jiān)測已經(jīng)成為水體懸浮泥沙監(jiān)測的重要方式。水體中懸浮泥沙的復雜光學特點導致懸浮泥沙遙感呈現(xiàn)出很強的時態(tài)性和區(qū)域性，在建

2、立泥沙遙感反演模式時必須深入調(diào)查了解當?shù)厮w懸浮泥沙的光學性質(zhì)及其相互關(guān)系，同時考慮海洋動力環(huán)境中的主要影響岡素，只有結(jié)合特定海域的懸浮泥沙光學性質(zhì)和水體反射光譜特征建立反演模型，才能獲得較高的懸浮泥沙遙感反演精度和模型推廣能力。 杭州灣海域由于長期受到長江口南下渾濁水的輸沙影響，同時在強潮動力引起的泥沙再懸浮共同作用下，水體懸浮泥沙含量高且具有顯著而復雜的時空變化特征。本文在杭州灣北岸的乍浦和南岸的慈溪分別布設(shè)觀測站點，實地連

3、續(xù)觀測獲得時間序列的水體表觀光學參數(shù)、固有光學參數(shù)以及組分濃度三者的數(shù)據(jù)集，結(jié)合目前水體生物光學理論的成熟模型，根據(jù)常用水色傳感器的波段設(shè)置選擇相關(guān)性較好的敏感波段，分別建立懸浮物濃度與固有光學性質(zhì)遙感反演的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃桶敕治瞿Ｐ?，結(jié)合潮動力分析了水體懸浮物固有光學性質(zhì)的短周期變異特征，從濃度和構(gòu)成兩個角度分析其時空變異的影響因素。通過本文研究，除了可以獲取典型研究區(qū)水體懸浮物的固有光學性質(zhì)特性外，還將了解其時空變異幅度和變化規(guī)律，從微觀

4、和宏觀兩個角度初步分析其影響因素，為發(fā)展出準確程度更高的、能夠應(yīng)用于衛(wèi)星遙感的分析模型打下基礎(chǔ)。 本文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果包括： (1)實地光譜測量與實驗室吸收測量研究。實地光譜測量采用NASA海洋光學測量規(guī)范推薦的水面之上光譜測量法，分別測量標準板、水面和天空光的輻照度，計算水面之上遙感反射率。光譜測量結(jié)果表明：研究區(qū)水體光譜具有典型高含沙水體的光譜特征，水面遙感反射率較高，在可見光與近紅外光譜范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個反射峰，且

5、第二反射峰對應(yīng)波長隨著含沙量的增大出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”。另外，實地采集水樣帶回實驗室進行吸收光譜測量，其中懸浮物的吸收光譜測量采用定量濾膜技術(shù)。吸收測量結(jié)果表明：研究區(qū)水體中懸浮物的吸收值較高，吸收光譜在可見光范圍內(nèi)符合指數(shù)衰減模式。乍浦與慈溪兩個站位獲取的時間序列數(shù)據(jù)說明研究區(qū)水體懸浮物的濃度和光學性質(zhì)均表現(xiàn)出明顯的時空變異特征。 (2)水體懸浮物濃度遙感反演經(jīng)驗?zāi)Ｊ窖芯?。利用實測光譜數(shù)據(jù)和濃度數(shù)據(jù)建立分析數(shù)據(jù)集，根據(jù)常用水色傳感

6、器MODIS與MERIS的波段設(shè)置，分析懸浮物濃度與對應(yīng)波段遙感反射率之間的相關(guān)關(guān)系，選擇相關(guān)系數(shù)較高的波段作為敏感波段建立統(tǒng)計回歸模型，將懸浮物的粒徑作為遙感反射率的影響因素加入到回歸模型中，比較二者的擬合效果。結(jié)果表明：懸浮泥沙濃度在紅外和近紅外波段的響應(yīng)度最高；對于單波段簡單線性回歸而言，指數(shù)同歸和冪函數(shù)回歸的擬合效果好于簡單線性回歸；采用波段組合比值不能完全提高擬合效果；加入粒徑因素后擬合精度進一步提高；長波段擬合精度高于短波段

7、，雙波段擬合精度高于單波段擬合。另外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在高混濁海區(qū)取得了較好的預測精度，采用 MODIS 地表反射率產(chǎn)品中的250 m分辨率波段作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，懸浮物濃度作為輸出，建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預測性能高于統(tǒng)計回歸模型；利用實測遙感反射率模擬 MODIS 與 MERIS 波段建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也取得了較好的預測效果。 (3)水體懸浮物固有光學性質(zhì)遙感反演半分析模式研究。利用實測水體組分吸收數(shù)據(jù)建立分析數(shù)據(jù)集，分別分析 MO

8、DIS 與 MERIS 特征波段水體懸浮物吸收系數(shù)與懸浮物濃度和遙感反射率的相關(guān)性；在生物光學理論模型的基礎(chǔ)上，參考 Carder-MODIS 浮游植物固有光學性質(zhì)遙感反演半分析算法，選擇適合本地水體光學特點的特征波段，建立固有光學參數(shù)、表觀光學參數(shù)以及成分濃度之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停贛ODIS特征波段實現(xiàn)杭州灣水體固有光學性質(zhì)及其濃度的遙感反演。結(jié)果表明：研究區(qū)水體懸浮物特征波段的吸收系數(shù)與濃度之間相關(guān)性都較高，相關(guān)系數(shù)在0.95以上；選

9、擇 MODIS 波段1為主要特征波段，分別擬合固有光學參數(shù)與表觀光學參數(shù)以及懸浮物濃度之間的經(jīng)驗方程式，最終實現(xiàn)懸浮物固有光學參數(shù)與濃度的遙感反演。 (4)水體懸浮物固有光學性質(zhì)時空變異特征研究。分析研究區(qū)水體懸浮顆粒物吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)時序變化特征以及空間差異：從懸浮顆粒濃度與構(gòu)成兩個角度初步分析水體固有光學性質(zhì)時空變異的影響機理。研究結(jié)果表明，研究區(qū)水體懸浮物的固有光學性質(zhì)表現(xiàn)出顯著的時空變異特點，乍浦與慈溪兩個采樣站位