潮滩表层沉积物光谱的实验室测量方法研究

尹 君，张 东，刘 鑫，陶 旭

（南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210046）

潮滩表层沉积物光谱的实验室测量方法研究

尹 君，张 东*，刘 鑫，陶 旭

（南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210046）

潮滩沉积物样品的实验室光谱测量是对潮滩沉积物野外光谱测量的重要补充，但是不同的实验室测量条件会产生不同的光谱测量结果，进而影响到沉积物光谱特征分析。针对可能对潮滩沉积物样品实验室光谱测量产生影响的因素，设计了培养皿内壁光线反射影响实验、不同视场角及不同高度对光谱测量结果的影响实验以及培养皿摆放位置影响实验，通过分析不同实验方案下测量得到的光谱差异，确定合理的沉积物光谱室内测量方案。实验结果表明：（1）培养皿内壁暴露部分需要做涂黑消光处理，否则玻璃壁对光线的反射会使沉积物反射率测量结果整体增加，增加幅度约为黑壁条件下测量结果的4.1%；（2）在保证沉积物样品探测范围的前提下，测量高度对小视场角的光谱测量结果有较大影响，但是不同高度下的光谱曲线之间存在显著的线性相关关系，相关系数为0.954；（3）测量干土光谱时培养皿摆放位置对测试结果影响很小，而当测量湿土光谱时，在靠近人工光源的位置测量会产生较大测量偏差，需要通过多点位测量求平均来减小沉积物表面不均一性对光谱测量结果的影响。

沉积物光谱；实验室测量；潮滩

土壤是地球陆地表面的覆盖层，是大气圈、生物圈、水圈和岩石圈之间的交界地带[1]。作为地球生态系统中的重要一环，近年来对土壤的研究得到越来越多的重视，土壤光谱特性的研究逐渐发展为一门独立的学科。众所周知，土壤质地、土壤有机质含量、土壤水分高低等的差异会对土壤光谱产生重要影响，从而使光谱曲线具有不同的形状、斜率、坡向和吸收特征[2-3]。基于这些特征的光谱曲线分析，可以提取农田土壤的有机质含量、养分状况以及土壤重金属含量等信息，为指导农业活动、保护生态环境提供决策参考[4-6]；对于潮滩地区则可以提取海岸带潮滩沉积物质地（砂、粘土含量）、有机碳以及总氮含量等信息[7]；且能够反演潮滩沉积物类型和粒度参数的空间分布[8]。而要得到这些沉积物参数信息，关键在于掌握正确的沉积物光谱测量方法，获取合适的沉积物光谱曲线数据。

沉积物光谱曲线的获取通常有两种方法，即遥感测量和地表测量，其中地表测量包括野外光谱测量和实验室光谱测量。野外测量受到大气传输状况、云层、风等因素的影响，同时仪器视场角、观测和光线照射的结合角度、仪器扫描速度、目标特征的时空变化等因素也会影响到最终的野外光谱采集结果[9-11]，因此，沉积物光谱的野外实地测量受到众多的外界因素制约。

与此相比，实验室测量具有以下优势[12-13]：（1）测量不受天气条件和日照时间长短的限制，可以进行长时间的重复观测；（2）可以设计多组实验方案，得到不同的测量结果；（3）观测条件、试验仪器架设固定，测量可以大大减少人为因素带来的误差。特别是在淤泥质潮滩潮间带区域，由于潮汐水位变动的影响以及潮滩本身泥泞不堪，野外光谱测量非常困难。因而采集少量沉积物样本，按要求设置不同的测试要素，进行实验室光谱测量，是获取潮滩沉积物实测光谱数据的重要途径[14]。

尽管如此，由于光谱的实验室测量不如野外测量使用广泛，相关测量规范也较少，因此实际操作过程中，很多的实验室光谱采集条件、仪器架设均是参照野外测量规范进行的，随意性较大。而两者在测量环境上有很大的差别，单以野外光谱测量规范为依据并不能完全适应实验室测量的环境。据此本文根据《我国典型地物标准波谱数据库规范与标准(试行版)汇编》中的相关规定，主要考虑实验室测量环境下潮滩沉积物含水量对沉积物光谱的影响，设计以下3个相关实验：人工光源下培养皿内壁的光线反射影响实验、不同视场角和不同高度对光谱测量的影响实验、培养皿摆放位置影响实验，拟通过这一系列实验，对比分析沉积物实测光谱之间的差异及转化方法，为确定室内测量沉积物光谱实验条件提供参照。

1 实验设计

1.1 实验样品及处理

本次实验的沉积物样品取自江苏省盐城市大丰王港和新洋港的潮间带光滩（图1），采样时间分别为2008年6月1～5日和2011年7月14～15日。沉积物样品为沉积物表面约1 cm厚的土样，采样时使用密封袋密封、编号并保存。采回的样品在实验室使用MasterSizer2000激光粒度仪进行沉积物粒度参数分析，并根据Shepard分类方法对样品进行分类。经分析，样品一共可分为5类，分别是：粉砂、粘土质粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂和砂。在样品中选取实验样本9个，分别为粉砂质砂、砂、砂质粉砂、粘土质粉砂样本各2个，粉砂样本1个。

由于本实验主要考虑潮滩沉积物含水量随时间变化时对应的实测光谱曲线变化情况，沉积物样品存在水分，为了便于土样的存放、称重、烘干，实验样品统一使用直径为9 cm，高度为1.6 cm的培养皿盛放。进行光谱测试前，首先将测试的土样放入烧杯加水搅匀，静置12 h以上，待土样全部沉淀之后抽去表层水，然后将土样放入培养皿中，土样高度为1 cm左右，该高度可以屏蔽培养皿底部的反射，模拟无限深的现场沉积物环境。在进行干土光谱测试时，需要对相关样品在105℃条件下烘6 h，获得干土样本。

1.2 实验仪器以及实验环境设计

沉积物光谱测量采用美国ASD公司的ASD FieldSpec Pro FR全光谱便携式光谱分析仪，仪器波长范围为350～2 500nm。在350～1000nm范围内仪器采样间隔为1.4nm，光谱分辨率为3 nm；在1 000～2 500 nm范围内仪器采样间隔为2 nm，光谱分辨率为10 nm。

实验在暗室中进行，采用ASD自带的50 W卤素灯人工光源提供平行光。人工光源照射方向与垂直方向夹角15°，光源距离培养皿的垂直高度为50 cm。光谱仪探头垂直于培养皿架设。测试前样品周围使用黑色吸光绒布遮盖，避免测量时周围物体对光产生折射而引起误差。测试时培养皿上方用中心被剪成直径约为6 cm的圆形的黑色吸光绒布遮盖，减少培养皿沉积物上部露出的玻璃壁部分对光线产生二次反射造成的光谱测量结果影响。

1.3 实验方案设计

1.3.1 实验内容

（1）培养皿内壁光线反射影响实验：由于培养皿为玻璃材质，光滑透明的玻璃壁对光具有反射作用，这对于实验室采集沉积物光谱信息的准确性具有一定的影响。为此设计了人工光源下培养皿内壁的光线反射影响实验。实验时一部分培养皿边壁涂上黑漆，进行吸光处理，反射率近似为0，称为黑壁；另一部分培养皿内壁未作处理，称为玻璃壁。将同一土样分别放入上述两种不同内壁条件的培养皿内进行光谱测量，对比测试结果，分析玻璃壁对光谱测量可能产生的影响。实验采用5°视场角，探头距离土样的高度为28 cm。

（2）不同视场角、不同高度对光谱测量的影响实验：视场角的大小以及探测器头部与样品的垂直距离决定了仪器探测到的土样面积，不同的视场角与测试高度组合会对测试结果产生影响。何挺等[11]认为野外光谱采集时仪器距目标物的高度应在15～20 cm范围内，因此本实验将实验高度初步定为18 cm以及28 cm，在该高度下，可选用的视场角为1°和5°。根据初步测试的结果并结合土样可探测面积的大小，选择1°视场角在13～48 cm高度范围内以5 cm为间隔，测试8组不同高度的反射率，分析反射率与测试高度之间的变化关系。

（3）培养皿摆放位置影响实验：由于沉积物表面存在不均一性，光谱测试时，在探测器可测范围内，以光纤探头垂直落点为中心，以人工光源入射方向为0°方位，将培养皿土样向前后左右随机移动4个不同的位置，取其均值作为沉积物光谱的测量结果。分析测量结果时发现，各样品不论内壁情况如何，其4次不同位置测试中均有1次结果偏离其他3次的测试结果，为此设计了本实验来确定培养皿摆放位置对光谱测量结果的影响。实验时，以光纤探头在测试台的垂直落点为中心位，以该中心位为圆心、1 cm为半径画圆，培养皿中心在该圆上移动。移动时以人工光源入射方向为0°方位，培养皿逆时针方向每隔90°测量1次，共取5次测量结果。实验中为了考虑水分对沉积物光谱测量的影响，在测试时增加了湿土的情况。

1.3.2 实验方案

实验前将待测试的土样放入培养皿中，轻轻晃动培养皿使土样表面平整。测试时除实验三测试了5个不同位置外，其余实验均测试除0°以外的4个位置，每次数据采集前都进行标准白板校正，每个位置记录10条反射率光谱曲线。光谱测量数据去除震荡较大的350～380 nm和2 400～2 500 nm，并计算3次3点滑动平均以消除“毛刺”现象，然后对同一样品测试的不同位置计算平均值，作为该样品的最终测试结果。表1为实验所使用的样品对应的实验方案列表。

表1 沉积物光谱实验室测量实验方案列表

1.4 数据分析方法

在实验中会测得多组沉积物光谱曲线，针对两条光谱曲线，采用协方差Cov来统计曲线上不同波段反射率数据对之间的相随变动特征，描述光谱曲线在形态上的相似度；采用CRr（Change Rate of reflection）指标来分析两条光谱曲线之间的变化幅度，计算公式如下：

式中：n为波段数；i为波段序号；R1i和R2i分别代表光谱曲线1与光谱曲线2在i波段的光谱反射率。

2 实验结果与分析

2.1 不同内壁对光线反射的影响对比分析

实验结果显示，同一沉积物在不同内壁条件下测得的干土反射率值，玻璃壁的测试结果均大于黑壁的测试结果，图2显示了其中的粘土质粉砂1号样品的沉积物光谱曲线对比，其它样本结果类似。说明由于玻璃内壁对光线的直接反射以及沉积物表面反射到玻璃内壁造成的二次反射作用，增加了探测器测量到的沉积物光谱反射率。表2显示了不同样本在玻璃壁与黑壁条件下测量的沉积物光谱曲线差异CRr的分布。可以看出，玻璃壁与黑壁相比，除了粉砂质砂1号样品为0.033、砂2号样为0.004外，其余样品均在0.01左右，玻璃壁条件下测得的反射率整体上比黑壁条件下测得的反射率大4.1%左右。对两者进行相关分析，结果如图3所示，对应的线性转化模型如下：

式中：Rg和Rb分别为玻璃壁和黑壁条件下测量得到的沉积物光谱反射率；i为波段号。经分析，相关系数R2为0.997。使用粘土质粉砂1号和砂2号进行验证，R2分别为0.993和0.992，可见玻璃壁与黑壁条件下测得的沉积物反射光谱具有显著的线性相关特征。

进一步统计同种样品在不同内壁条件下光谱反射率之间的协方差Cov，结果如表2所示。所有样品均在0.005左右，差异非常小，这也说明了不同内壁条件下沉积物光谱反射率不仅具有线性相关性，而且在光谱曲线形态上具有极高的相似度，因此可以利用式（2）来有效消除玻璃壁的光线反射影响，获得正确的沉积物样本光谱反射率，从而实现沉积物光谱曲线的还原。

表2 培养皿内壁的光线反射影响实验结果统计

2.2 不同视场角、不同高度对沉积物光谱测量的影响分析

对粉砂质砂1号以及粉砂两个样本分别进行了1°和5°视场角下18 cm和28 cm高度的沉积物光谱影响测试实验。图4显示了粉砂质砂1号样品在相同高度不同视场角下的光谱曲线对比。可以看到，在18 cm高度下，5°和1°视场角对沉积物光谱测量基本没有影响，两者的CRr为0.008；但是在28 cm高度下，两者差异较大，经计算，CRr为0.03，可见，不同视场角下测量高度对测试结果会产生较大影响。

进一步统计分析可知，在18 cm和28 cm两个测量高度，粉砂质砂1号样品当视场角为1°时测试结果间CRr出现0.03的偏差，而5°视场角时CRr仅为0.008 9；同样，粉砂样品在1°视场角时测试结果间CRr为0.06，而5°视场角时CRr为0.012，可见在不同测试高度下1°视场角对光谱测量的影响要大于5°视场角。结果表明，1°视场角下不同高度光谱测量差异较大，而5°视场角下光谱测量对高度的变化不敏感。其主要原因在于相同的测量高度条件下，1°视场角时探头能够探测到的半径仅为5°视场角时的1/5左右，而沉积物表面的不均一性会使同一土样在4个不同位置的光谱测量产生偏差，从而导致同一样品在不同高度的光谱测量结果出现偏离。

因此，在1°视场角下对5种沉积物样本测量了13～48 cm的高度范围内以5 cm为间隔的40组光谱数据，进行不同高度对光谱测量结果的影响分析。以20 cm高度为光谱测量高度基准，建立了不同高度下沉积物反射率与20 cm高度测量光谱之间的统计相关模型如下：

式中：h为沉积物光谱测量时探头距离目标物的实际高度（cm）；R20为探头距离目标物20 cm时的沉积物反射率；R为对应高度为h测量的沉积物反射率；i为波段号。经分析，建模组和验证组的相关系数R2分别为0.910和0.958。因此可以利用式（3）实现50 cm以内任意高度下测量的沉积物光谱向20 cm基准高度测量光谱的转换，从而降低不同高度对1°视场角下光谱测量结果的影响。

2.3 培养皿摆放位置对光谱测量结果的影响分析

做了8个样品共10组测试，对应的样品编号如表1所示。测试结果显示：干土情况下培养皿在5个不同摆放位置测量的光谱曲线基本重合，对沉积物光谱测量结果无影响，而湿土在0°位置的测量结果偏离其他位置的测量结果。图5为粘土质粉砂2号湿土样品在视场角为5°、探头距离目标28 cm条件下的光谱测量结果。可以看出，培养皿摆放在0°位置时，光谱曲线在758～1 850 nm范围内测量结果比其他位置的测试值要大0.02左右。可能的原因是由于沉积物水处于饱和状态或过饱和状态时，沉积物表面会形成一层水膜，而在地表平坦时，接近于镜面反射，其反射率会增高[15]。在这种状况下，当实验土样位置接近人工光源，即采用0°位置时，光线投射到样品表面，将有更多的反射光进入探头，从而使该位置下湿土反射率明显大于其他位置时的反射率值。因此在进行沉积物光谱测量特别是含水量有变化时，应避开距离人工光源过近的位置，取其它4个位置的光谱测量值进行平均和平滑处理，以此作为该样本的平均光谱反射率。

3 结论

实验室沉积物光谱测量不同于野外地物光谱测量，培养皿内壁的反射、视场角的选择、探头距离沉积物的高度、培养皿摆放位置等环境因素会对光谱测量产生影响。根据上述实验结果分析可知，在实验室条件下采集沉积物光谱曲线时需要注意：

（1）利用培养皿作为沉积物容器进行光谱测量分析时，1 cm左右的土层厚度可以模拟无限深的现场沉积物环境。正常情况下，培养皿内沉积物上部露出的玻璃壁需要做涂黑消光处理，以减少玻璃壁对光线的反射。如果不做涂黑处理，测量得到的沉积物反射率会比做涂黑处理得到的反射率增加约4.1%。但是，两者在光谱曲线形态上具有很好的相似度，相关系数R2达到0.997，因此可以通过建立线性相关模型，消除培养皿玻璃壁的反射影响。

（2）在保证沉积物样品探测范围的前提下，视场角越大，对沉积物样品表面的探测面积也越大，沉积物表面颗粒的不均一性对测量光谱的影响越小。因此，大视场角条件下测量高度对光谱测量结果的影响可以忽略。而小视场角条件下，测量高度对光谱测量结果有较大影响，不过光谱曲线之间存在显著的线性相关关系，可以实现不同高度间反射率的转换。因此，如果利用培养皿进行沉积物光谱测量，建议使用5°视场角。如果采用1°视场角，可通过线性转换关系推算出在20 cm高度时的沉积物光谱反射率，作为样品的最终光谱反射率。

（3）通常情况下，由于沉积物表面存在不均一性，在测试同一沉积物样品的光谱时，需移动样品进行多次测试。干土样品可以选择光纤探头在测试台的垂直落点为中心位，以人工光源入射方向为0°方位，取1 cm为移动幅度，逆时针方向移动，测量中心位、0°位、90°位、180°、270°位的结果，取平均值作为样本的实测光谱。具体移动幅度以保证能够测量到沉积物光谱为原则，参照培养皿的大小进行设计。湿土样品在靠近人工光源的0°位光谱测量值较其余4个位置有较大偏差，具体测量时建议去除该位置的测量，取中心位、90°位、180°、270°位的测量结果的平均值作为样本的实测光谱。

致谢：南京师范大学李欢博士对本研究中实验方案的设计以及数据分析提供了帮助与指导，谨致谢忱。

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Study of Sediment Spectrum Measurement Method for Tidal Flat Sediment Samples under Laboratory Conditions

YIN Jun,ZHANG Dong,LIU Xin,TAO Xu
(College of Geography Science,Nanjing Normal University,Nanjing Jiangsu210046,China)

Laboratory spectrum measurement can be thought of as a beneficial supplement to field spectrum measurement,however,different observation environment will lead to different results,which in turn affects the spectral characteristics of sediment.Thus,an experiment was designed to figure out the spectral response when observation angle and height varied and culture dish placement changed,meanwhile the light pollution from the inner wall of culture dish was also considered in this process.Through spectral analysis and comparison of reflectance measured under different observation conditions,a reasonable operation procedure was proposed and the results indicates that:(1)The inner wall of culture dish which is exposed in air should be paint with black color for reducing light pollution from the wall of culture dish,otherwise reflectance of sediment would approximately increase the extent of 4.1%about the reflectance measured under black wall condition;(2)Sediment spectra were sensitive to the change of observation height under relatively small observation IFOV,however,the spectra measured under different observation height possessed significant linear correlation while the correlation coefficient reached 0.954; (3)The placement of culture dish effected reflectance of dry sediment diminutively,on the contrary,reflectance had an obvious change when culture dish moved to artificial light source,in the latter condition,spectra of sediment measured from multiple nadir location should be averaged to reduce the effects of sediment surface heterogeneity on optical measurements.

sediment spectrum;laboratory measurement;tidal flat

P712

A

1003-2029（2013）01-0001-06

2012-11-10

国家自然科学基金资助项目(40606044)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

尹君(1987-)，女，硕士研究生，主要从事海岸带高光谱遥感应用研究。Email：465405852@qq.com

张东，博士，副教授，主要研究方向为海洋信息技术及海洋动力过程模拟。Email：zhangdong@njnu.edu.cn