基于遥感光谱反射率反演黄河口海域Ⅱ类水体悬浮泥沙浓度模型

樊彦国, 孟志河, 张 磊, 刘复生, 朱 浩

(1. 中国石油大学(华东) 地球资源与信息学院, 山东 青岛 266555; 2. 中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程处, 山东 青岛 266071)

基于遥感光谱反射率反演黄河口海域Ⅱ类水体悬浮泥沙浓度模型

樊彦国1, 孟志河2, 张 磊1, 刘复生1, 朱 浩1

(1. 中国石油大学(华东) 地球资源与信息学院, 山东 青岛 266555; 2. 中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程处, 山东 青岛 266071)

依据黄河口海域含沙水体野外实测光谱反射率为参考实验数据, 结合水体表面光谱观测数据建立了经验回归模型, 从而定量估测黄河口海域水体表层悬浮泥沙质量浓度, 最终得出黄河口海域不同年份水体的悬浮泥沙质量浓度图, 这对分析河口海岸带冲淤变化过程具有重要的意义。

黄河口; 悬浮泥沙浓度(SSC); 遥感; 光谱反射率

在海洋遥感研究中, 海洋水体按照光学性质划分为Ⅰ类水体(case 1 waters)和Ⅱ类水体 (case 2 waters)。其中, Ⅱ类水体的光学特性主要由悬浮物、黄色物质(又称有色可溶性有机物)决定; 近岸水体直接受到来自海岸带和河口径流携带的陆源物质影响,属于Ⅱ类水体。遥感监测Ⅱ类水体的悬浮泥沙浓度(suspended sediment concentration, SSC)是海洋遥感领域的一个重要研究方向。掌握近海水体悬浮泥沙浓度和运移特征是分析河口形态和演变规律的重要方面。Ⅱ类水体悬浮泥沙的浓度直接影响到水质的透明度和水色等光学性质, 同时也影响到水生生态环境和河口海岸带冲淤变化过程。借助遥感手段, 可以快速地获取水体泥沙的信息, 对分析研究海岸带冲淤变化具有重要的意义[1]。

1 建模依据

1.1 黄河口海域光谱特性

黄河口海域不同悬浮泥沙浓度水体光谱反射特性[2～4]：

1)黄河口含悬浮泥沙水体光谱反射率均小于0.07 sr-1。

2)不同悬浮泥沙浓度水体, 其光谱反射率曲线不同。

3)从波段来看, 在400～550 nm波段范围内, 光谱反射率对悬浮泥沙质量浓度的变化反映不敏感。在550～700 nm, 大体趋势是悬浮泥沙质量浓度升高, 水体的反射率也随之提高, 但也存在悬浮泥沙质量浓度为 403.2(14.9) mg/L水体的光谱反射率高于悬浮泥沙质量浓度为1 207.3(72.9) mg/L和1 713.1(183.4) mg/L水体的光谱反射率的现象(其中, 括号外的数值为悬浮泥沙浓度, 括号内的数值为有机物浓度)。

4)在750～900 nm波段, 光谱反射率随水体中悬浮泥沙质量浓度的增长呈现明显的增长趋势, 特别是位于810 nm左右的次主峰值, 变化更为显著。当悬浮泥沙质量浓度小于 25 mg/L时, 次主峰几乎不存在。这可能是由于该波段处于水体的强吸收区, 当水体悬浮泥沙质量浓度过低时, 悬浮泥沙后向散射小, 水体表面的光谱反射率也很低, 甚至趋近于零。

1.2 理论依据

按照 Dekker等[5]的方法, 利用海水表面光谱测量数据可模拟Landsat TM/ETM+可见光至近红外谱段的光谱响应, 结果如图1所示。从图1可知, 对于悬浮泥沙质量浓度低并且有机物质量浓度低的水体,在TM2波段范围内, 光谱反射率随悬浮泥沙质量浓度的增加而显著增大, 故而适合这类水体的遥感反演。当水体悬浮泥沙质量浓度较低(＜10 mg/L)时,TM4波段对悬浮泥沙质量浓度的响应不敏感, 而对悬浮泥沙质量浓度较高的水体, 其光谱反射率随悬浮泥沙质量浓度的增长明显, 因此TM4波段只适合高悬浮泥沙质量浓度水体的反演。当水体有机颗粒物质质量浓度较低(＜20 mg/L)时, TM3波段的光谱反射率随悬浮泥沙质量浓度的增加而增加, 但水体中有机颗粒物质质量浓度较高时, TM3光谱反射率与悬浮泥沙浓度的相关关系并不明显。因此, 对于悬浮泥沙质量浓度变异较大的黄河口海域, 很难基于单一波段准确地反演水体悬浮泥沙质量浓度。尽管研究表明黄河含悬浮泥沙水体光谱反射率与水体悬浮泥沙质量浓度在MSS6和MSS7波段有较为满意的对数关系, 但相关系数R2均小于 0.85。其他河口也有利用陆地卫星MSS5或TM3单一波段数据成功反演悬浮泥沙质量浓度的例子, 但都缺乏对特定水体进行光谱特性的分析, 或水体中悬浮泥沙质量浓度较低。为克服单一波段反演的不足, 许多学者尝试利用多个波段数据的运算结果来反演水体中的悬浮泥沙质量浓度, 并取得了较好的效果[6]。

图1 黄河口海域不同悬浮泥沙质量浓度水体在TM各波段光谱特性Fig. 1 Simulated spectral responses of TM wave bands to the water with different suspended sediment contents at the Yellow River Estuary

2 悬浮泥沙质量浓度信息反演模型

本文研究了悬浮泥沙质量浓度与模拟所得的Landsat TM波段光谱反射率及其组合的回归关系。

考虑到不同波段光谱反射率之比可部分消除悬沙颗粒折射系数和后向散射有效因子对光谱反射率的影响, 且应用于遥感影像时, 可消除大气影响的乘积效应, 故选择建立RTM3/RTM2与悬浮泥沙质量浓度之间的关系来估测水体表层的悬浮泥沙质量浓度。

利用 SPSS统计软件的回归分析功能建立RTM3/RTM2与悬浮泥沙质量浓度之间的关系。所用光谱反射率资料是1989年8月在黄河三角洲邻近海域实测而得。所用仪器为RS-2型四通道野外光谱仪, 其4个通道的光谱范围与陆地卫星中多光谱扫描仪 4个波段的范围完全相同。光谱视场角15o, 在观测时基本上消除了局部波浪起伏造成的误差和照度变化造成的误差。在实测中取两次结果的平均值。每个光谱测量站均取水样, 室内分析其悬浮泥沙质量浓度, 每个站位的光谱反射率及悬浮泥沙质量浓度见表1。

表1 实测光谱反射率与水体悬浮泥沙质量浓度的对数值Tab.1 Measured spectral reflectance and logarithm of suspended sediment concentrations

图2 不同时间的黄河口海域悬浮泥沙质量浓度Fig. 2 Suspended sediment concentrations of the Yellow River Estuary at different times

利用 SPSS软件进行统计分析得到悬浮泥沙质量浓度M的数理统计模型如下：

应用模型进行图像解译, 得到不同时间的黄河口海域悬浮泥沙质量浓度(图2)。

3 结语

1)论文对黄河口海域含沙水体在其可见光至近红外 4个波段的光谱特性进行了模拟分析, 并结合表观光谱观测数据建立了经验回归模型, 从而可估测研究黄河口海域水体表层悬沙的质量浓度, 最终得出该海域不同年份水体的悬浮泥沙质浓度图。

2)由于遥感影像获取的是表层水体的光谱信息,所以由遥感影像反演只能得到表层水体的泥沙质量浓度。而在实际应用(例如海岸侵蚀沉积研究)中水底的泥沙质量浓度往往是很有用的指标。要想通过表层水体的泥沙质量浓度来获取深层水体的泥沙质量浓度是一个需要进行进一步研究的课题。

[1] 刘志国, 周云轩, 蒋雪中, 等．近岸Ⅱ类水体表层悬浮泥沙浓度遥感模式研究进展[J]．地球物理学进展,2006, 21(1)： 321-326.

[2] 樊辉, 黄海军, 唐军武.黄河口水体光谱特性及悬沙浓度遥感估测[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 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

山东省科技攻关项目(2008GG10009018); 山东省科技计划项目(J08LD55)

樊彦国(1965-), 男, 河北望都人, 博士, 硕士导师, 从事3S技术在数字国土、城市及海岸带方向的教学与研究工作, E-mail：ygfan@upc.edu.cn

(本文编辑： 刘珊珊)