舟山海域表層懸浮泥沙濃度與TM等效遙感反射率的相關(guān)性研究

羅鳳云 郭碧云 錢揚風(fēng) 黃東 韓錄維 金燁楠

摘 要：本文對舟山海域表層懸浮泥沙濃度與TM等效遙感反射率的相關(guān)性進(jìn)行了分析，

結(jié)果表明：TM4波段、TM4/TM2波段比值的等效反射率與舟山海域II類水體懸浮泥沙濃度有良好的相關(guān)性，并且與懸浮泥沙濃度的對數(shù)的相關(guān)性更高。

關(guān)鍵字： 舟山海域；懸浮泥沙濃度；TM等效反射率；相關(guān)性分析

引言

水體中懸浮泥沙含量是重要的水質(zhì)參數(shù)，直接影響水體光學(xué)性質(zhì)，對海岸帶水質(zhì)、地貌研究以及海岸工程、港口建設(shè)等具有重要意義[1]。衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展為近海海域懸浮泥沙調(diào)查開辟了一條以大尺度、同步、快速為特點的有效途徑。到目前為止，國內(nèi)外懸浮泥沙含量的遙感研究成果頗豐富。然而，在如何選擇處理TM波段方式以提高遙感反演的精度方面，仍有必要進(jìn)一步對遙感反射率與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性進(jìn)行探討，特別是針對研究較少的舟山海域。

1.理論知識

1.1. 水色遙感機(jī)理

水體的波譜特性包括固有光學(xué)量、表觀光學(xué)量。當(dāng)水體中的各個重要的光學(xué)成分濃度發(fā)生變化時，表觀光學(xué)量中的離水輻射率隨之變化，衛(wèi)星傳感器接受到的信號也發(fā)生改變。因此，在反演的過程中通過不同的信號來計算出對應(yīng)的水體中各成分的含量。

1.2. 懸沙反射波譜特性

懸浮泥沙反射率波譜曲線呈現(xiàn)的總體規(guī)律[2]有：

a. 水體的泥沙含量增加，則遙感反射率就增大，但增幅不同；

b. 出現(xiàn)雙峰特征，在550-700nm位置有第一反射峰，在760-830nm位置有第二反射峰；

c. 反射峰隨含沙量增加逐漸由短波向長波移動，即“紅移現(xiàn)象”。

總體反映了不同的波段對泥沙含量的敏感程度不同，對應(yīng)變化值大的波段對懸沙濃度敏感。

2.研究區(qū)域概況

舟山海域位于我國杭州灣口外緣與長江口外南側(cè)交匯處，地理位置介于東121°30'～123°25'，北緯29°32'～31°04'之間，共有大小島嶼1390個，陸域面積1371平方公里，海域面積共22000平方公里，可開發(fā)利用的岸線總長度為2444公里，并且擁有得天獨厚的深水港口，航道資源和漁業(yè)資源優(yōu)勢。舟山海域特殊的地理位置、島嶼的緊密分布以及人類活動對舟山近岸水質(zhì)有較大的影響，使近岸水體波譜特性與其他海域有差異[3]。

3.數(shù)據(jù)來源

在2015年7月2日，利用ISI921VF-256型光譜儀對舟山海域共8個站點（如圖1所示）進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)測量，并同步進(jìn)行水樣采集。

圖1 2015年7月2日采樣點分布圖

4. 研究方法

4.1懸浮泥沙濃度測量

實驗采用稱重法測量水樣懸浮泥沙濃度。通過精度為0.001的電子天平稱量濾膜質(zhì)量M1（mg）。避免懸沙的沉淀，搖勻后取水樣0.2L，過濾水樣中的懸沙。溫度40℃烘干箱對膠著懸沙的濾膜進(jìn)行12小時烘干。再次稱量，得到濾膜與懸沙的總質(zhì)量M2（mg）。利用公式（1）計算懸浮泥沙濃度S

（mg/L） 式 （1）

4.2 TM波段等效反射率計算

a遙感反射率計算方法

光譜儀直接測量得海水輻射率 ，天空輻射率 ，灰扳輻射率 ，利用式（2）計算遙感反射率，即

式（2）

其中r為氣水界面對天空光的反射率，其經(jīng)驗值為0.023-0.05（唐軍武提供）， 為系統(tǒng)定標(biāo)文件中灰板反射比。

b TM波段等效反射率計算

ISI921VF-256型光譜儀測量光譜范圍為380 ～ 1 080 nm，與TM1（450～520）、TM2（520～600nm）、TM3（620～690nm ）、TM4（760～960nm）波段有交集，取上述四個波段范圍由公式（2）得到的遙感反射率，計算TM波段等效反射率。

5.數(shù)據(jù)計算結(jié)果

8個采樣點（A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8）的懸浮泥沙濃度S（mg/L），懸浮泥沙濃度的對數(shù)log S，TM1、TM2、TM3、TM4等效遙感反射率的值如表1 所示：

表1 實測數(shù)據(jù)計算結(jié)果

采樣點 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(jié)果分析

排除懸浮泥沙測量最大值、最小值數(shù)據(jù)的干擾后，對TM單波段的等效反射率分別與懸浮泥沙濃度S、懸浮泥沙濃度的對數(shù)log S進(jìn)行了相關(guān)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、周圍環(huán)境、大氣影響等背景噪音的干擾[8]，本文同時進(jìn)行了等效反射率的比值與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性分析。由于版面限制，表2僅呈現(xiàn)部分TM波段等效反射率與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性系（ ）。

表2 TM波段等效反射率與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性系數(shù)

S log S

0.8625 0.8443

0.9536 0.9587

0.056 0.05

0.1195 0.1099

0.9961 0.9946

結(jié)果顯示，TM單波段對應(yīng)的等效反射率與S，logS 的相關(guān)系數(shù)較大，其中TM4與logS 值最大，達(dá)到0.9587；S與TM1、TM2、TM3波段的等效反射率的相關(guān)性優(yōu)于對數(shù)形式；在等效反射率比值與S，log S 的相關(guān)系數(shù)的比較中，TM4/TM2與S的相關(guān)系數(shù)最大，0.9961；而TM3/TM2 與S、log S的相關(guān)性只有0.1左右。相關(guān)性系數(shù)最大的線性反演模型與對數(shù)反演模型如表3所示：

表3 舟山海域TM遙感反演線性與對數(shù)模型

敏感波段 模型類型 模型方程 相關(guān)系數(shù)

TM2 線性模型 R=0.2897*S-19.093 0.95864

TM4 對數(shù)模型 R=34.817*log S-65.713 0.94296

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

TM4/TM2 對數(shù)模型 R=2.0934*log S-3.845 0.99386

等效反射率比值的效果優(yōu)于單波段，與針對其他一些地區(qū)研究結(jié)果相同。而不同的是，在珠江河口地區(qū)，TM3單波段反射率和TM3 與TM2的等效反射率比值是與懸浮泥沙濃度相關(guān)性最高的[8]，在本文中，舟山海域的懸浮泥沙濃度與TM4、TM4/TM2 的相關(guān)系數(shù)最大。由于數(shù)據(jù)的限制，上述結(jié)論僅供參考，適合于舟山海域的敏感波段和遙感反演模型仍需進(jìn)一步探討。

通訊作者：郭碧云

參考文獻(xiàn)

[1] 姜杰.懸浮泥沙濃度遙感反演模式研究[D].

[2] 唐軍武等.水體光譜測量與分析：水面以上測量法[J]，遙感學(xué)報，2004，8（1）：37-44.

[3] 蔡麗娜.舟山近岸海域水體光譜特性分析[J]，安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（16），9070-9071，9090.

[4] 韓震等，懸浮泥沙反射光譜特性實驗研究.水利學(xué)報，2003（12）：118-122.

[5] 韓震.海岸帶淤泥質(zhì)潮灘和Ⅱ類水體懸浮泥沙遙感信息提取與定量反演

研究[D].

[6]周維娜等.甌江口海域水體懸浮泥沙遙感反演定量分析研究[J]

[7] 李建國等.曹妃甸近海II類水體光譜反射率與懸浮泥沙濃度相關(guān)性研究[J]，國土資源遙感，2009，81（3）：54-58.

[8] 鐘凱文等.基于遙感方法反演珠江三角洲西江干流懸浮泥沙分布研究[J]，遙感應(yīng)用，2009，1.

作者簡介：羅鳳云（1993～），女，漢，浙江衢州人，浙江海洋學(xué)院在校大學(xué)生，E-mail： lfy-phoebe@foxmail.com

*通訊作者：郭碧云，女，漢，博士，浙江海洋學(xué)院。

基金項目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目（2014R411036）、國家自然科學(xué)基金項目（51479179）、浙江海洋學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、浙江海洋學(xué)院科研啟動項目