基于ASD光谱仪的悬浮泥沙光学衰减系数研究*

何颖清，邓孺孺，陈启东，陈 蕾，2，秦 雁

(1.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275;2.国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院，广东 广州 510300)

水体光学特性的研究是水质遥感的基础，而现今的研究多以水体的表观光学性质为主，缺乏对水体固有光学参数的研究。目前获取水体固有光学参数的方法主要是通过仪器测量，包括实验室测量和野外实地测量。实验室测量中最常用的仪器是分光光度计[1]，这种方法使用定量滤膜技术将待测成分从水中过滤出来，通过测量光量的衰减来计算物质的吸收系数，该方法精度较高。而野外测量中常用的仪器有：美国Wetlabs公司生产的水体吸收、衰减系数测量仪AC9(双光路、9通道)可测定水体的吸收、衰减系数[2]；光谱吸收仪AC-S(测量波段为400～750 nm)可测量水体的吸收系数[3]；加拿Satlantic公司生产的水下光谱仪SPMR(9通道)可测量水体的漫衰减系数[4]；美国Hobilabs 公司后向散射系数测量仪HS6(6通道)可测量水体的后向散射系数[5-7]。野外测量的环境接近于遥感成像时水体的状态，获取的水体固有参数对于水质模型的建立更有意义。然而这些仪器的工作波段大都在可见光范围内，获取的数据也是离散的数个通道，加之这些测量仪器价格不菲，广泛应用具有一定的困难。美国ASD公司的FieldSpec3 便携式地物波谱仪广泛应用于地表、水表光谱测量中，很多研究机构都配备了该仪器用于研究。该仪器探测的波长范围为350～2 500 nm，可获取连续光谱。基于以上出发点，本文设计了一套基于ASD光谱仪的实验装置，可用于观测水体的光学衰减系数。

自然水体的光学衰减系数主要由纯水、可溶性有机物、悬浮颗粒物的吸收、散射组成。很多学者[8-14]对于自然水体的衰减系数与有机颗粒物、无机颗粒物、叶绿素的关系进行了研究，他们得出的结论是：光线在水体中传输的衰减主要由悬浮物的吸收和散射所致，且无机悬浮物的影响占主导地位。内陆水体中悬浮物的一个主要成分就是悬浮泥沙。悬浮泥沙大量存在于内陆以及近岸水体中，主要因为内陆、水体大都水深较浅，受风浪的搅动作用水底的泥沙上浮，造成水中悬浮泥沙含量增大；近年来很多河流、水库采沙现象日益严重，更使得水中的悬浮泥沙含量增大。因此，悬浮泥沙衰减系数的研究对水质遥感的应用意义重大。有些学者针对于含沙水体的表观反射率、吸收系数、后向散射系数进行过实验[6,15-17]，但尚无专门针对于悬浮泥沙光学衰减系数的研究。

综上，本文设计了基于人工光源的实验，使用ASD光谱仪测量光源穿透不同质量浓度含沙水体的辐照度，计算泥沙对光源的衰减量，最终获取泥沙的光学衰减系数。

1 实 验

1.1 实验设置

1.2 实验原理

实验中所使用的光源为方向性良好的大功率探照灯，其可视为平行光。如图1所示入射光源在穿透待测水体后，穿过暗箱顶部的开口在标准板上形成一个圆形的光斑。图1中d为暗箱开口直径，α为光谱仪探头的半视场角，H为暗箱顶部到标准板的距离，φ为探头的倾角，r为探头椭圆视场长轴。光谱仪在进行辐亮度定标时，探头的视场范围须覆盖整个被测目标，所以实际测量中探头的视场范围需小于光斑。如图2所示，实验时可调节H、φ、d使得探头对准光斑的中心，且r≤d/2。根据几何关系容易求出

(1)

图1 实验光路图

其中，H=26.5 cm，φ=37°，α=2.5°，求得r=3.75 cm。即d≥2r=7.5 cm，本实验中取d=9.5 cm。光源垂直穿透水深为h待测水体、玻璃缸后到达标准板，被标准板反射进入光谱仪探头，由于标准板为朗伯体，则光谱仪接收到的辐射亮度L(λ)可表示为

(2)

式中,Ed(λ,h)为水深h处波长为λ时的下行辐照度，Tg为玻璃缸的透过率，Rp为标准板反射率。

在光学性质均匀的水体中，若假设水表面h=0处波长为λ时的辐射照度为Ed(λ,0)，k(λ,h)为待测水体的光学衰减系数，则有：

Ed(λ,h)=Ed(λ,0)e-k(λ,h)h

(3)

若光源、玻璃缸、标准板、光谱仪、探头以及水深皆保持不变，改变待测水体样本可得2组数据L1(λ)、L2(λ)。2组数据之比可得：

(4)

(5)

水体的衰减系数等于水分子以及水中杂质的衰减系数的代数和，待测水体样本为纯净水加上泥沙，即k=kw+ks，ks为泥沙的光学衰减系数。若使用纯水作为参照与含沙水体做比，即待测样本1为水深h的纯水获取数据Lw(λ,h)，样本2为水深h的含沙水体获取数据Ls(λ,h)，由(5)式可得：

(6)

ks(λ,h)即为水深h处悬浮泥沙的衰减系数。

2.2.2 录制视频PPT的制作 视频录制时一般要辅助课件PPT。对于反转课堂PPT的制作要求内容清晰，与讲授内容相符。因为考虑到线上学习的灵活机动性，以及手机线上学习的软件要求问题。所以课件制作无需十分复杂，但要文字表述清楚简洁，内容规划调理清楚，可以穿插图片、表格等。使得课件可以在微课录制时辅助讲授展示。也可分享到教学平台让学习者单独下载，便于查阅和学习。

1.3 实验步骤

实验时若水过少，泥沙较难均匀悬浮，因此实验的最小水深为5 cm，如表1共选取6个水深进行实验。加入纯水后依次加入泥沙进行实验，每个深度共测得5组数据，每组数据包括1个纯水参照，4个泥沙质量浓度。由于实验在室内进行，水面基本无晃动，光谱曲线稳定，每次保存5条光谱曲线取平均即可。光谱积分时间为136 ms，故每组数据可在1 s内采集完毕，每个深度实验可在5 min内完成。

表1 实验中泥沙质量浓度以及水深

2 实验数据处理及分析

2.1 数据校正

数据校正包括数据跳跃点校正和光源衰减校正。

光线穿透水体，通过暗箱开口到达标准板，经标准板反射进入ASD光谱仪探头，测得其辐亮度(此后称作L光源)如图2所示。由于ASD光谱仪的光纤输入端口是由57条光纤构成的，在测量距离比较小的时候，不同的光纤采集到不同位置的样品光谱，导致图3中纠正前的曲线在1 000、1 830 nm处出现了光谱连接点跳跃。这个问题不会影响所采集到的数据质量，我们可将其纠正过来。ASD公司的FieldSpec 3 便携式地物波谱仪由三组探测器组成，其光谱范围分别为：350～1 000 nm，1 000～1 900 nm，1 700～2 500 nm。地物光谱曲线由这三组探测器获得的数据接合而成。ASD公司经过大量实验发现，仪器所使用的三个探测器在不同的环境功能温度以及预热时间下具有变化的响应度，但是在SWIR1(1 000～1 900 nm)波段传感器的响应度不受影响。因此我们以1 000～1 900 nm之间的数据为准，根据以下等式对数据进行纠正。光源纠正前后的曲线如图2所示。

图2 纠正前后的光源辐射亮度

(7)

由于所用光源为蓄电池供电，所以光源存在一定程度的衰减。经过多次专门针对光源辐亮度的测量，发现光源随时间呈现标准的线性衰减。若以开灯时刻为初始时刻，即t=0，光源的辐射亮度可用下式表示：

L光源(t)=at+b

(8)

保存光谱数据时形成的原始*.asd文件属性中可查看测量时间，可以针对于实验前后的L光源进行测量，计算其衰减斜率a、截距b，用于实验中数据的纠正。任意时刻的测量数据可用下式进行纠正：

Lcor(t)=L光源(0)·L(t)/(at+b)

(9)

实际测量时间很短，灯光衰减非常小，5 min内的衰减约0.5%左右。为了提高实验精度，应尽量提高实验的效率，缩短实验时间。

2.2 泥沙衰减系数计算

图3是6个水深测量得到的6组数据，每组数据包括了测量同一水深下的纯净水、4个不同质量浓度含沙水体经校正后的辐亮度光谱曲线。由于水在红外波段强吸收，曲线在红外波段之后的值基本为0。因此图中只截取了1 250 nm之前的数据显示。容易看出随着悬浮泥沙质量浓度的增加，测量所得辐亮度越来越小，即泥沙质量浓度越高，水体的消光作用越大。对比图2光源的光谱曲线可知：加入水体之后的光谱曲线在750、980 nm出现2个明显的谷值，这正好对应于纯水的吸收峰；对应这2个谷值处，随着水深的增加，水的消光作用增大，因此不同质量浓度含沙水体的辐亮度在此处的间隔也越来越大；由为避开纯水的两个强吸收带，实验中截取920 nm之前的数据进行计算。

将每组数据中不同质量浓度的含沙水体与纯水的测量值做比，根据(6)式对不同水深的6组数据进行计算获取泥沙的光学衰减系数，共获取6组数据如图4所示。相比SPMR水下剖面仪测得的衰减系数而言，实验获取的是衰减系数的连续光谱，数据波长间隔是1 nm，而SPMR得到的只是9个波段的衰减系数。所有的24条曲线形状基本一致，在350～400 nm处都存在微小的数据波动，这是由于光源在此处的辐亮度较小，加之水的吸收造成这部分信号较弱但仍在光谱仪的灵敏度范围内，所以使这部分数据出现微小的震荡。

图3 光源穿透不同质量浓度含沙水体后的辐亮度曲线

由实验结果可以看到，实验泥沙样本的光学衰减系数光谱特征比较单一，近似为一条倾斜的直线，随着波长的增加，衰减系数略有减小。根据Dekker的研究[18]，光学衰减系数是由吸收系数以及后向散射系数决定的。吸收系数由泥沙的物质组成结构决定，悬浮泥沙的吸收系数光谱通常随着波长的增大而逐渐降低，近似符合负指数衰减规律[17,19]；散射主要由泥沙的粒径尺度决定，根据泥沙的粒径尺度，散射的类型包括有瑞利散射、米散射、无选择散射。前两种散射强度都随波长增大而逐渐降低，而无选择散射则与波长无关。因此不管发生何种散射，综合考虑吸收和散射两者，泥沙的光学衰减系数都应当存在随着波长而减小的趋势，这和实验的结果是相符的。

图4 不同质量浓度不同水深悬浮泥沙光学衰减系数曲线

图5 悬浮泥沙光学衰减系数随泥沙质量浓度变化图

(10)

图6 不同水深单位质量浓度悬浮泥沙光学衰减系数

2.3 光学衰减系数的垂直变化

据相关学者的研究，自然界水体的光学衰减系数的垂直变化比较复杂,有递增的、递减的、均匀的，还有不规则型的,种类繁多[12]。这种变化往往是由于不同研究区域各个水层的物质种类、含量的差异造成的。因此，对于研究单一成分是如何影响光学衰减系数的垂直变化是很有意义的。

大部分学者在研究自然水体的光学衰减系数时采用一种简化的模式,即认为k(λ)在观测深度范围内不随波长而变化,可近似地看为常数[20-21]。

由2.2可知，泥沙的光学衰减系数波长依赖性不大，因此在研究泥沙光学衰减系数的垂直变化时，我们忽略其随波长的变化，得到泥沙光学衰减系数的简化计算式：

(11)

图7 悬浮泥沙光学衰减系数随水深变化图

表2 实验所用泥沙单位质量浓度光学衰减系数

Table 2 Diffuse attenuation coefficient of per unit suspended sediment concentration used in the experiment

波长/nmks∗/(m2·g～1)波长/nmks∗/(m2·g～1)350～3830.084574～6130.076384～4040.083614～6530.075405～4240.082654～7020.074425～4430.081703～7390.073444～4730.080740～7900.072474～5060.079791～8400.071507～5420.078841～9120.070542～5730.077913～9200.069

3 结 论

本文设计了利用ASD光谱仪测量悬浮泥沙光学衰减系数的实验，以纯水为参照，对不同水深处不同质量浓度的含沙水体光学衰减系数进行了测量，揭示了某一粒径组成下的悬浮泥沙在5～40 mg/ L 质量浓度范围、350～920 nm波段内光谱衰减的变化规律，并计算出了单位质量浓度悬浮泥沙在350～920 nm波段内，光谱间隔为1 nm的光学衰减系数，为水质遥感物理分析模型提供了必要参数。实验结果表明：

1)实验所用泥沙粒子的光学衰减系数表现为一条略倾的曲线，其光谱特征较为单一，波长依赖性不大。随着波长的增大，衰减系数略有减小；

2)悬浮泥沙光学衰减系数在0～40 mg/L质量浓度范围内与泥沙的质量浓度成正比；

3)悬浮泥沙光学衰减系数在0～0.15 m深度范围内的垂直变化可以忽略。

从微观角度来看，泥沙光学衰减系数的光谱特征与泥沙的物质结构以及粒度组成有很大关系。因此，以上结论皆针对于本实验所用悬浮泥沙。不同粒径组成下泥沙的光学衰减系数的光谱特征还有待研究。

此外，本文设计的基于ASD光谱的实验方案，简单易操作，能获取连续的光学衰减系数光谱曲线，光谱分辨率高，波段范围宽，能测量其他水质成分的光学衰减系数，也是下一步研究的内容。

参考文献：

[1]朱建华.分光光度计测量2类水体光谱吸收系数的关键技术[J].海洋技术,2003,22(1):34-39.

[2]李刚.水体吸收衰减系数测量仪定标技术[J].海洋技术,2005,24(4):120-123.

[3]MOORE C, BARNARD A, HANKINS D, et al.Spectral Absorption and Attenuation Meter (Ac-S) User’s Guide,Revision A [M] .America:WET Labs Inc,2004:5-20.

[4]彭海龙,孙从容,张正,等.黄、东海区光谱漫衰减系数特性研究[J].海洋通报,2004,23(4):15-18

[5]MAFFIONE R A , DANA D R.Instruments and methods for measuring the backward scattering coefficient of ocean waters [J] .Applied Optics, 1997, 36 (24) : 6057- 6067.

[6]宋庆君,唐军武,马荣华.水体后向散射系数校正方法研究[J].海洋技术,2008,27(1):48-52.

[7]韩震,恽才兴,蒋雪中.悬浮泥沙反射光谱特性实验研究[J].水利学报,2003,12:118-122.

[8]BLOM G, Van DUIN E H S, LIJKLEMA L.Sediment resuspension and light conditions in someshallow Dutch lakes[J].Wat Sci Technol, 1994,30: 243-252.

[9]BUITEVELD H.Amodel for calculation of diffuse light attenuation (PAR) and secchi depth.Neth J Aquat Ecol, 1995,29:55-65.

[10]Van DUIN E H S, BLOM G, LOS F J,et al.Modelingunder water light climate in relation to sedimentation, resuspension,water quality and autotrophic growth[J].Hydrobiologia, 2001,444:25-42.

[11]孙德勇,李云梅,乐成峰,等.太湖水体散射特性及其与悬浮物质量浓度关系模型[J].环境科学,2007(12):688-2693.

[12]张运林,秦伯强,陈伟民,等.太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征[J].水科学进展,2003,14(4):447-453.

[13]张运林,秦伯强,陈伟民,等.太湖水体光学衰减系数的特征及参数化[J].海洋与湖沼,2004,35(3):209-213.

[14]乐成峰,李云梅,查勇,等.太湖水体漫射衰减系数的光学特性及其遥感反演模型[J].应用生态学报,2009,2(2):337-343.

[15]王艳姣,张培群,董文杰.悬浮泥沙反射光谱特性和泥沙量估算试验研究[J].泥沙研究,2007,10:36-41.

[16]沈芳,周云轩,李九发,等.河口悬沙粒径对遥感反射率影响的理论分析与实验观测[J].红外与毫米波学报,2009,28:168-172.

[17]孙德勇,李云梅,王桥,等.不同质量浓度悬浮泥沙水体的光谱吸收特性模拟[J].地理与地理信息科学,2008(24):16-20.

[18]DEKKER A G,HOOGENBOOM H J, GODDIJN L M,et al.the relationship between spectral reflectance absorption and backscattering for four inland water types[C]∥Proceedings of 6thint symp on physical measurements and signatures in remote sensing,CNES, France,1994: 245-252.

[19]BOWERS D G, BINDING C E.The optical properties of mineral suspended particles : A review and synthesis [J] .Estuarine ,Coastal and Shelf Science ,2006 ,67 :219-230.

[20]KIRK J T O.Light and photosynthesis in aquatic ecosystem[M].Cambridge: Cambridge University Press, 1983:113-114, 115-117.

[21]李武,张士魁,吴曙初,等.北黄海水中辐照度的分布变化特征[J] .黄渤海海洋,1997,15(2): 16-20.