舟山海域表层悬浮泥沙浓度与TM等效遥感反射率的相关性研究

2016-02-27罗凤云郭碧云钱扬风黄东韩录维金烨楠

环球人文地理·评论版 2016年1期

关键词：悬沙对数反射率

罗凤云郭碧云钱扬风黄东韩录维金烨楠

摘要：本文对舟山海域表层悬浮泥沙浓度与TM等效遥感反射率的相关性进行了分析，

结果表明：TM4波段、TM4/TM2波段比值的等效反射率与舟山海域II类水体悬浮泥沙浓度有良好的相关性，并且与悬浮泥沙浓度的对数的相关性更高。

关键字：舟山海域；悬浮泥沙浓度；TM等效反射率；相关性分析

引言

水体中悬浮泥沙含量是重要的水质参数，直接影响水体光学性质，对海岸带水质、地貌研究以及海岸工程、港口建设等具有重要意义[1]。卫星遥感技术发展为近海海域悬浮泥沙调查开辟了一条以大尺度、同步、快速为特点的有效途径。到目前为止，国内外悬浮泥沙含量的遥感研究成果颇丰富。然而，在如何选择处理TM波段方式以提高遥感反演的精度方面，仍有必要进一步对遥感反射率与悬浮泥沙浓度的相关性进行探讨，特别是针对研究较少的舟山海域。

1.理论知识

1.1. 水色遥感机理

水体的波谱特性包括固有光学量、表观光学量。当水体中的各个重要的光学成分浓度发生变化时，表观光学量中的离水辐射率随之变化，卫星传感器接受到的信号也发生改变。因此，在反演的过程中通过不同的信号来计算出对应的水体中各成分的含量。

1.2. 悬沙反射波谱特性

悬浮泥沙反射率波谱曲线呈现的总体规律[2]有：

a. 水体的泥沙含量增加，则遥感反射率就增大，但增幅不同；

b. 出现双峰特征，在550-700nm位置有第一反射峰，在760-830nm位置有第二反射峰；

c. 反射峰随含沙量增加逐渐由短波向长波移动，即“红移现象”。

总体反映了不同的波段对泥沙含量的敏感程度不同，对应变化值大的波段对悬沙浓度敏感。

2.研究区域概况

舟山海域位于我国杭州湾口外缘与长江口外南侧交汇处，地理位置介于东121°30'～123°25'，北纬29°32'～31°04'之间，共有大小岛屿1390个，陆域面积1371平方公里，海域面积共22000平方公里，可开发利用的岸线总长度为2444公里，并且拥有得天独厚的深水港口，航道资源和渔业资源优势。舟山海域特殊的地理位置、岛屿的紧密分布以及人类活动对舟山近岸水质有较大的影响，使近岸水体波谱特性与其他海域有差异[3]。

3.数据来源

在2015年7月2日，利用ISI921VF-256型光谱仪对舟山海域共8个站点（如图1所示）进行光谱数据测量，并同步进行水样采集。

图1 2015年7月2日采样点分布图

4. 研究方法

4.1悬浮泥沙浓度测量

实验采用称重法测量水样悬浮泥沙浓度。通过精度为0.001的电子天平称量滤膜质量M1（mg）。避免悬沙的沉淀，摇匀后取水样0.2L，过滤水样中的悬沙。温度40℃烘干箱对胶着悬沙的滤膜进行12小时烘干。再次称量，得到滤膜与悬沙的总质量M2（mg）。利用公式（1）计算悬浮泥沙浓度S

（mg/L）式（1）

4.2 TM波段等效反射率计算

a遥感反射率计算方法

光谱仪直接测量得海水辐射率，天空辐射率，灰扳辐射率，利用式（2）计算遥感反射率，即

式（2）

其中r为气水界面对天空光的反射率，其经验值为0.023-0.05（唐军武提供），为系统定标文件中灰板反射比。

b TM波段等效反射率计算

ISI921VF-256型光谱仪测量光谱范围为380 ～ 1 080 nm，与TM1（450～520）、TM2（520～600nm）、TM3（620～690nm ）、TM4（760～960nm）波段有交集，取上述四个波段范围由公式（2）得到的遥感反射率，计算TM波段等效反射率。

5.数据计算结果

8个采样点（A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8）的悬浮泥沙浓度S（mg/L），悬浮泥沙浓度的对数log S，TM1、TM2、TM3、TM4等效遥感反射率的值如表1 所示：

表1 实测数据计算结果

采样点 S log S TM1 TM2 TM3 TM4

A1 259.25 2.41 7.98 12.02 13.73 7.18

A2 95.75 1.98 6.03 7.87 5.92 2.26

A3 112.75 2.05 10.66 14.37 14.28 6.40

A4 71.75 1.86 4.94 7.27 6.97 1.98

A5 78.50 1.89 2.80 4.02 2.98 0.47

A6 108.00 2.03 8.19 10.77 10.65 4.62

A7 78.25 1.89 2.40 3.67 3.07 0.47

A8 108.25 2.03 11.33 13.22 8.51 5.46

6.結果分析

排除悬浮泥沙测量最大值、最小值数据的干扰后，对TM单波段的等效反射率分别与悬浮泥沙浓度S、悬浮泥沙浓度的对数log S进行了相关性分析。基于前人的研究，采用波段比值可以部分消除水表面光滑度、周围环境、大气影响等背景噪音的干扰[8]，本文同时进行了等效反射率的比值与悬浮泥沙浓度的相关性分析。由于版面限制，表2仅呈现部分TM波段等效反射率与悬浮泥沙浓度的相关性系（）。

表2 TM波段等效反射率与悬浮泥沙浓度的相关性系数

S log S

0.8625 0.8443

0.9536 0.9587

0.056 0.05

0.1195 0.1099

0.9961 0.9946

结果显示，TM单波段对应的等效反射率与S，logS 的相关系数较大，其中TM4与logS 值最大，达到0.9587；S与TM1、TM2、TM3波段的等效反射率的相关性优于对数形式；在等效反射率比值与S，log S 的相关系数的比较中，TM4/TM2与S的相关系数最大，0.9961；而TM3/TM2 与S、log S的相关性只有0.1左右。相关性系数最大的线性反演模型与对数反演模型如表3所示：

表3 舟山海域TM遥感反演线性与对数模型

敏感波段模型类型模型方程相关系数

TM2 线性模型 R=0.2897*S-19.093 0.95864

TM4 对数模型 R=34.817*log S-65.713 0.94296

TM4/TM2 线性模型 R=0.00974*S-0.64017 0.99464

TM4/TM2 对数模型 R=2.0934*log S-3.845 0.99386

等效反射率比值的效果优于单波段，与针对其他一些地区研究结果相同。而不同的是，在珠江河口地区，TM3单波段反射率和TM3 与TM2的等效反射率比值是与悬浮泥沙浓度相关性最高的[8]，在本文中，舟山海域的悬浮泥沙浓度与TM4、TM4/TM2 的相关系数最大。由于数据的限制，上述结论仅供参考，适合于舟山海域的敏感波段和遥感反演模型仍需进一步探讨。

通讯作者：郭碧云

参考文献

[1] 姜杰.悬浮泥沙浓度遥感反演模式研究[D].

[2] 唐军武等.水体光谱测量与分析：水面以上测量法[J]，遥感学报，2004，8（1）：37-44.

[3] 蔡丽娜.舟山近岸海域水体光谱特性分析[J]，安徽农业科学，2012，40（16），9070-9071，9090.

[4] 韩震等，悬浮泥沙反射光谱特性实验研究.水利学报，2003（12）：118-122.

[5] 韩震.海岸带淤泥质潮滩和Ⅱ类水体悬浮泥沙遥感信息提取与定量反演

研究[D].

[6]周维娜等.瓯江口海域水体悬浮泥沙遥感反演定量分析研究[J]

[7] 李建国等.曹妃甸近海II类水体光谱反射率与悬浮泥沙浓度相关性研究[J]，国土资源遥感，2009，81（3）：54-58.

[8] 钟凯文等.基于遥感方法反演珠江三角洲西江干流悬浮泥沙分布研究[J]，遥感应用，2009，1.

作者简介：罗凤云（1993～），女，汉，浙江衢州人，浙江海洋学院在校大学生，E-mail： lfy-phoebe@foxmail.com