基于高光谱传感器的长江口表层悬浮泥沙质量浓度光谱曲线特征研究

栾奎峰，徐 航，潘与佳，李 慧，张 鹏，裘 诚，朱卫东，冯贵平

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306； 2.上海市海洋监测预报中心，上海 200333；3.上海河口海洋测绘工程技术研究中心，上海 201306)

0 引言

悬浮泥沙质量浓度(Suspended Sediment Concentration，SSC)是海洋环境监测的重要水质参数之一[1-2]，它不仅直接影响水体的透明度、浊度等光学性质[3]，同时对河口的冲淤变化、沿海地区的水土保持也会产生影响[4]，高SSC还会降低浮游植物生产力，从而影响整个生态系统[5]。研究悬浮泥沙的空间分布及其变化对海岸带生态环境治理具有重要意义。

传统的现场收集SSC样本的方法耗时、费力且空间连续性不足[6-7]，随着遥感技术的发展，利用水体的遥感反射率定量反演表层悬浮泥沙质量浓度(Surface Suspended Sediment Concentration，SSSC)成为悬浮泥沙监测的一种重要方法。MANIKIAM et al[8]基于印度西部海岸的实测SSSC数据和IRS-1A卫星遥感数据进行建模，分析了印度西部海岸季风前后SSSC的时空变化；ELEVELD et al[9]基于SeaWiFS遥感影像数据，建立了荷兰北海南部海域SSSC的定量反演模式；左书华 等[10]利用实测资料建立了SSSC与Landsat TM影像之间的对数关系式，分析了长江口南汇嘴海域表层悬浮泥沙的分布；潘磊剑 等[11]分析了舟山海域实测水体光谱与SSSC的相关性，建立了SSSC反演模型，并将模型应用于Landsat8数据；刘王兵 等[12]用环境卫星影像建立了杭州湾海域的SSSC定量反演模型，分析了杭州湾表层悬浮泥沙的空间分布。

长江口是我国典型的高浊度分汊型河口，每年向邻近海域输送大量悬浮泥沙，且河口海域水动力环境复杂，SSSC的时空分布表现出高度的变异性[13-14]。遥感反演的关键在于掌握不同SSSC光谱曲线的变化规律并确定SSSC与光谱反射率之间的关系。本文利用长江口区域的泥沙样本定量模拟了SSSC，旨在从不同SSSC的光谱反射特性出发加深对不同SSSC光谱曲线变化规律的认识，并进行了SSSC与光谱反射率之间的相关性研究。

1 实验和数据处理

1.1 实验设计

图1是SSSC定量实验的流程图，包括：(1)准备实验材料、测量仪器设备；(2)获取SSSC以及同步观测光谱数据并对实验数据进行预处理；(3)分析不同SSSC的光谱曲线特性、峰值变化规律以及SSSC与光谱反射率的相关性。

图1 实验流程图Fig.1 Experimental flow chart

1.2 实验方法和过程

2021年1月15日在长江口南汇嘴附近(30°55′44″N，121°59′36″E)利用泥沙采样器采集表层沉积物样品。采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪对样品进行了粒度分析，样品的平均粒径(D50)为 28.63 μm，与长江口表层悬浮物的粒径相匹配[15]。

SSSC测定实验采用塑料材质的实验桶，其长、宽各106 cm，高115 cm，桶内壁、外壁以及底部涂成黑色以消除桶壁和桶底对太阳反射的影响。采用ASD Field Spec Hand Held 便携式高光谱仪测量光谱反射率，利用反射率为20%的标准板进行校准。ASD高光谱仪的参数见表1。实验中ASD高光谱仪的积分时间为10 ms，每组连续采集30条光谱数据。采用量程为10 000 FTU的AQU Alogger 310TY浊度仪进行浊度在线观测。

表1 ASD高光谱仪参数Tab.1 Parameters of ASD high spectrometer

SSSC测定实验于2021年1月19日10:00—14:30 在上海海洋大学校内开阔区域进行，天气晴朗无云、光照条件好。首先向实验桶中注入1 000 L自来水，并按由少到多的顺序依次添加长江口南汇嘴附近采集的泥沙沉积物。每次添加样品后用水泵搅拌，使不同颗粒泥沙均匀悬浮于水中。搅拌5 min左右，在采样区域内上下左右移动数字浊度仪。待数值稳定时，采用水体光谱测量方法[16]测量表层悬浮泥沙光谱，具体步骤如下：仪器面向标准板、水体进行辐亮度测量后，将仪器在观测平面内向上旋转，观测方向的天顶角和仪器与水面法线方向的夹角相同时，测量天空光的辐射亮度。

在光谱测量的同时使用容量为1 L的标准采样瓶采集0.5 m深度的水样过滤分析，在实验室采用十万分之一天平测定悬浮泥沙质量浓度参数。

1.3 实验数据预处理

观测角度、外部环境以及人为因素会造成一定的光谱测量误差。剔除反射率值过高或过低以及明显偏离正常水体光谱曲线的异常光谱数据，再取平均值作为该次测量的实际光谱曲线。ASD高光谱仪测得的水体遥感反射率Rrs可按下式计算[17]：

(1)

式中：Lw、Lsky、Lp分别是水体、天空和标准板的反射率测量平均值；ρp是白板反射率；f是水-气界面反射率，无风条件下为0.022，风速为5 m/s左右时为0.025，风速为10 m/s左右时为0.026～0.028[18]。本次实验时风速约为5 m/s，f值取0.025。

为了减弱线性或接近线性的背景噪声影响，采用一阶微分方法[19]对水体光谱曲线数据进行处理，公式为

(2)

式中：R(λi)′为波长反射光谱的一阶微分值；λi-1、λi、λi+1为相邻的波长；R(λi-1)、R(λi+1)为对应波长的光谱反射率。

2 实验结果

2.1 SSSC光谱曲线结果

实验共获取了41组SSSC数据(表2)，实测SSSC最小值为3.63 mg/L，最大值为654.38 mg/L。将SSSC数据分为3个质量浓度区间：区间1中SSSC为3.63～36.59 mg/L，有8组数据；区间2中SSSC为52.69～200 mg/L，有19组数据；区间3中SSSC>200 mg/L，有14组数据。

表2 实验测定SSSC结果Tab.2 Laboratory determination of SSSC

实验过程中，同步获取41组不同SSSC的光谱数据，光谱曲线如图2所示。由于水体的高吸收特性，在ASD测得的325～400 nm和900～1 075 nm的光谱范围内，水体的反射率容易受到外部干扰，其反射率值较低且波动较大[20]。因此，本次实验的相关分析仅限于光谱范围400～900 nm。

图2 不同SSSC光谱曲线Fig.2 Spectral curves of different SSSC

2.2 SSSC光谱—阶微分结果

用公式(2)对光谱曲线进行一阶微分计算，结果如图3所示。SSSC光谱一阶微分曲线有3个0值点，分别统计不同SSSC一阶微分曲线3个0值点对应的波长(表3)。统计结果显示：SSSC为最低值 3.63 mg/L 时，第1个0值点位于563 nm，第2个0值点位于763 nm，第3个0值点位于 804 nm；SSSC为最高值654.38 mg/L时，第1个0值点位于595 nm，第2个0值点位于763 nm，第3个0值点位于805 nm。

图3 不同SSSC光谱一阶微分曲线Fig.3 First order differential of spectra curves for different SSSC

表3 不同SSSC光谱一阶微分0值对应波长Tab.3 Wavelength corresponding to the first order differential 0 value for different SSSC spectra

3 分析与讨论

3.1 SSSC光谱特性分析

从图2可以看出，不同SSSC对应的光谱曲线随着SSSC的不断增加，各波段的反射率值呈不同程度的增大趋势，水体的光谱反射率曲线具有相似的形态，但也存在差异。在区间1中，SSSC为3.63～36.59 mg/L，水体的光谱反射率值小于0.01，光谱曲线仅在560～580 nm处出现1个峰值；区间2和3中SSSC>52.69 mg/L，水体的光谱曲线出现了2个峰值，第一反射峰位于570～710 nm，波长范围较宽，形状较平坦，随后光谱反射率曲线开始下降，在以水分子吸收为主的750 nm左右形成一个反射谷；第二反射峰出现在780～820 nm的近红外波段，反射峰的宽度较窄，光谱曲线在830 nm后开始快速减小。区间2的 SSSC为52.69～200 mg/L，光谱反射率值在第1个峰值区间增加较快；区间3 的SSSC>200 mg/L，光谱反射率值在第2个峰值区间增加明显。

3.2 SSSC光谱一阶微分曲线分析

从SSSC光谱一阶微分曲线结果(图3)可以看出，光谱曲线一阶微分出现的第1个0值对应于光谱曲线中第一反射峰开始的位置，第2个0值对应于光谱曲线中的波谷，第3个0值对应于光谱曲线中的第二峰值开始的位置。在表3的统计结果中，SSSC从3.63 mg/L增加到654.38 mg/L时，第1个0值点从563 nm移动到595 nm，即随着SSSC的增加，长江口区域SSSC的光谱曲线第一峰值存在“红移”现象，这与韩震 等[21]的研究结果一致。同时，第2和第3个0值点始终在763 nm和805 nm附近，光谱曲线第二峰值没有明显的位移现象。

同时，在波长为400～563 nm、763～805 nm范围内，光谱曲线的一阶微分为正值，表明原光谱反射率曲线为上升趋势；在595～762 nm、807～900 nm范围内，光谱曲线的一阶微分为负值，表明光谱反射率曲线为下降趋势。在607～679 nm范围内，一阶微分曲线的绝对值小于0.000 1，说明光谱曲线的变化率较小，对应了图2中第一峰值区间内较为平缓的部分。

3.3 SSSC光谱曲线峰值变化规律分析

为了研究光谱曲线的第一峰值波长的“红移”规律，将实验获得的第一峰值波长数据和SSSC数据进行线性拟合，结果如图4所示。R2为0.91，表明光谱曲线第一峰值波长的“红移”变化与SSSC存在较高的线性相关性。

图4 SSSC与第一反射峰对应波长的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of SSSC and wavelength corresponding to the first reflection peak

为了进一步研究SSSC光谱反射率曲线两个峰值的变化规律，分别计算不同SSSC对应的光谱反射率曲线达到第一峰值与第二峰值的波长(即光谱一阶微分的第1个、第3个0值点对应的波长)之间连线的斜率k，结果如图5所示。

图5 不同SSSC峰值之间连线的斜率变化Fig.5 Slope change of the line between different SSSC peaks

由图5可知，斜率k均小于0，表明在本次实验测量的SSSC范围内，第二峰值的反射率始终小于第一峰值。当SSSC<200 mg/L时，k逐渐减小，即第一峰值的增长速率较快，表明第一峰值对SSSC变化的响应较强；当SSSC>200 mg/L时，k开始增大，即第二峰值的增长速率开始大于第一峰值，表明随着SSSC的增加，两个峰值之间的差距逐渐缩小，第一峰值对SSSC变化的响应能力减弱，第二峰值对SSSC变化的响应能力增强。

3.4 SSSC与光谱反射率相关性分析

用PEARSON相关性分析方法计算不同波长的光谱反射率和SSSC的相关系数，研究不同波长对于SSSC变化的响应能力[22]。

相关系数曲线如图6所示：当SSSC<200 mg/L时，波长在400～600 nm之间光谱反射率与SSSC的相关系数随波长增大而增大；波长在600～860 nm范围内，相关系数稳定在0.93左右；波长大于 860 nm 时，相关系数开始快速减小。表明在400～900 nm 光谱范围内，600～860 nm波段对0～200 mg/L 质量浓度区间内的SSSC变化的响应能力较强且稳定。

图6 SSSC与光谱反射率的相关系数Fig.6 Correlation coefficients of SSSC with spectral reflectance

当SSSC>200 mg/L时，光谱反射率与SSSC的相关系数均大于0.7，特别是波长在700～900 nm光谱范围内的相关系数高于0.9。其中：波长在400～440 nm 之间时，相关系数随波长增大逐渐减小；波长大于440 nm，相关系数随波长的增大而增大，并在740 nm处达到峰值；随后在740～900 nm之间，相关系数稳定在0.97左右，在800 nm处出现轻微的谷值。这表明740～900 nm波段对 >200 mg/L 质量浓度区间内的SSSC的变化更敏感且比较稳定。

4 结论

本文选取长江口区域的泥沙沉积物，利用自来水进行配比实验，定量模拟了长江口海域的SSSC，分析了不同SSSC的光谱曲线特性、反射率峰值变化规律以及SSSC与光谱反射率的相关性，得到如下结论。

(1)随着SSSC的不断增大，各波段的反射率值呈不同程度的增大趋势。当SSSC<36.59 mg/L时，水体的光谱曲线仅有1个峰值，波长位于560～ 580 nm。当SSSC>52.69 mg/L时，第一峰值波长位于570～710 nm，范围较宽，形状较平坦，且出现第二峰值，波长位于780～820 nm的近红外波段，反射峰的宽度较窄；随着SSSC增加，光谱反射率值在第二个峰值区间增加明显。

(2)长江口区域SSSC的光谱曲线在第一峰值的波段区间存在明显的“红移”现象，且第一峰值波长的“红移”变化与SSSC具有较高的线性相关性。

(3)在400～900 nm光谱范围内，当SSSC<200 mg/L 时，600～860 nm波段对SSSC变化的响应能力较强且稳定；当SSSC>200 mg/L时，740～900 nm 波段对SSSC的变化更敏感且比较稳定。研究结果对长江口区域SSSC高光谱监测的波长选择具有重要的借鉴意义。

本文实验过程中使用的水体为自来水，仅考虑不同SSSC对水体光谱反射率的影响，对于盐度、叶绿素以及其他有机物对水体光谱测定的影响机理，将在后续的研究中进行探讨。