（环境科学专业论文）长江口深水航道及附近海域表层悬浮泥沙光谱特性研究.pdf

上渔渔滢太堂博硕士学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 顾杰上海海洋大学教授主席 中国水产科学研究 樊伟研究员委员 所东海所 杨晓明上海海洋大学副教授委员 刘浩上海海洋大学副教授委员 胡松上海海洋大学副教授委员 冯永玖上海海洋大学讲师秘书 2 0 10 年6 答辩地点海洋学院a 4 2 0答辩日期月9 日上 午9 时 上海海洋大学硕士学位论文 长江口深水航道及附近海域表层悬浮泥沙光谱特，l 生遥感研究 摘要 深水航道位于长江口三级分汉口南港北槽之间，被人们誉为“黄金水道”， 对上海的经济发展有着重要的作用。因受到巨大潮流、径流和上游来沙的影响， 长江口河槽变化复杂，地处口门的拦门沙航道已经严重制约了上海等长江三角洲 地区的经济发展和我国航运事业的发展。到目前为止，有关长江口深水航道河槽 河床变化和航道回淤规律的研究还比较少。其中航道回淤问题的核心问题是泥沙 问题，本文主要就长江口深水航道及附近海域的悬浮泥沙浓度开展研究，以进一 步加深对河床演变规律、深水航道回淤规律的认识。 本文在系统总结国内外有关悬沙浓度遥感研究的基础之上，以长江口深水航 道及其附近海域为研究区，利用美周a s df i e l ds p e c 光谱仪，对研究区的悬沙水 体进行了野外光谱反射率的测量，同时采集观测站点水样，并带回实验室用滤膜 法测定了悬浮泥沙浓度。在对光谱曲线进行预处理之后，分析了悬浮泥沙浓度和 遥感反射率之间的相关性，总结了光谱反射率随悬浮泥沙浓度变化的规律。然后 选取对悬浮泥沙浓度变化敏感的波段，利用数学分析方法建立了悬浮泥沙浓度和 遥感反射率之问的统计模式。对准同步l a n d s a t 5t m 影像数据进行预处理后提取 了遥感反射率，结合遥测表层悬浮泥沙浓度，利用b p 神经网络方法对长江口深水 航道海域悬浮泥沙浓度进行了研究。通过分析研究取得如下成果： 1 对悬沙水体光谱反射率与泥沙浓度数据统计分析发现，两者之问的相关性 因波长位置不同而存在差异。在可见光波段泥沙浓度与光谱反射率之间的相关性 较差，而波长大于7 3 0 n m 波段相关性却很强，最大值为0 9 6 。 2 悬沙水体光谱曲线呈现明显“双峰”特征，第一反射峰位置在6 0 0 7 0 0 n m ， 相比于第一个反射峰，第二个反射峰宽度比较窄，出现在近红外波段，其中心波 长位置约在8 1 0 n m 处。 3 基于最小二乘法，建立了水体悬浮泥沙浓度和光谱反射率之间的统计回归 模式。其中9 0 0 n m 波长建立的模型预测精度最好，其次是7 3 1 n m 波长处的反射率一 阶微分所建立的模型。从整体上看，指数模型的预测精度要优于二次三项式模型 的预测精度。 4 建立了泥沙浓度和对应波段反射率之间的统计回归模式。结果发现，t m 3 上海海洋大学硕士学位论文 和t m 4 波段反射率与含沙量的相关性较好，能够较好地反映水体含沙量信息。 5 分别以t m 影像2 、3 、4 波段的反射率作为输入，悬浮泥沙浓度作为输出， 结合遥测的悬浮泥沙浓度，建立b p 神经网络。研究发现，当隐含层神经元数目为8 个时，b p 神经网络的训练效果最好，r m s e 仅为0 1 0 2 ，拟合度达n o 8 9 9 。b p 神经 网络预测的最大相对误差为2 8 ，最小为6 ，总的相对误差为2 1 5 。 关键词：长江口深水航道，表层悬浮泥沙，遥感反射率，神经网络模型，t m 影像 上海海洋人学硕士学位论文 r e m o t es e n s i n gr e s e a r c ho fs u r f a c es u s p e n d e ds e d i m e n t s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h ey a n g t z er i v e re s t u a r y d e e p w a t e rc h a n n e la n da d j a e e n tw a t e r s a b s t r a c t d e e p w a t e rc h a n n e li sl o c a t e di nn a n g a n g - n o r t ht r o u g ho fy a n g t z er i v e re s t u a r y i t i sp r a i s e da s ”g o l dw a t e r w a y ”a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns h a n g h a i se c o n o m i c d e v e l o p m e n t y a n g t z er i v e re s t u a r yi ss u b je c t e dt os t r o n gr i v e rr u n o f f ，h u g ev o l u m eo f t i d a lw a t e r s ，v e r ya c t i v ew a t e ra n ds i l te x c h a n g e s o n ek e yp r o b l e mo ft h es i l t i n g p r o b l e m si ss e d i m e n tp r o b l e m ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hs u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o ni nt h ey a n g t z er i v e re s t u a r yd e e p w a t e rc h a n n e la n da d j a c e n tw a t e r s r e m o t es e n s i n gh a sp r o v e dt ob eau s e f u lm e t h o di n m e a s u r i n gs u s p e n d e d s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ( s s c ) t h ek e yt ot h es u c c e s so fr e m o t es e n s i n gi ns u c har o l ei s t h e s t r o n gp o s i t i v er e l a t i o n s h i p t h a te x i s t sb e t w e e ns s ca n dr e m o t e s e n s i n g r e f l e c t a n c e ( r ) t h i sp a p e rt a k e sy a n g t z er i v e re s t u a r yd e e p w a t e rc h a n n e la n da d j a c e n t w a t e r sa ss t u d ya r e a ，m e a s u r e ds p e c t r a lr a d i a n c eo f s u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e rb ya s d f i e l d s p e cs p e c t r o m e t e r a n dc o l l e c t e d s u r f a c e l a y e rs u s p e n d e ds e d i m e n td a t a s i m u l t a n e o u s l y b a s e do nt r e a t m e n to fs p e c t r u mc u r v e ，a n a l y z e dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n s s ca n dr 晰t i lt h el e a s t - s q u a r e sm e t h o d ，t h er e g r e s s i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d b e t w e e ns s ca n dt h es p e c t r a lr e f l e c t a n c e a f t e rp r e t r e a t m e n to fl a n d s a t 一5t m i m a g e s ，e x t r a c t e dr f r o mt h ei m a g e ，c o m b i n e dw i t hs u r f a c el a y e rs u s p e n d e ds e d i m e n t s c o n c e n t r a t i o n ，s s ci ny a n g t z er i v e re s t u a r yd e e p w a t e rc h a n n e ls e aa r e ah a sb e e n s t u d i e db yb pn e u r a ln e t w o r k t h i ss t u d yh a se d u c e dt h ef o l l o w i n gf i n d i n g sa n d c o n c l u s i o n s ： 1 t h es p e c t r a lr e f l e c t i o nc u r v ei sd i f f e r e n tw i t ht h ec h a n g eo fs u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n t h er e f l e c t a n c ei n c r e a s e sw i t hs u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nr i s i n g t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns s ca n dri sl o wi nv i s i b l eb a n d ，b u tb e c o m eh i g l la f t e r 7 3 0 n t o t h em a x i m u mr e a c h e st o0 9 6 2 t h es p e c t r a lr e f l e c t i o nc u r v eo fs u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e rh a st w oo b v i o u s 上海海洋大学硕士学位论文 p e a k s ，t h ef i r s tp e a ka tt h eb a n do f6 0 0 - 7 0 0 n m ，t h es e c o n dp e a ka tt h en e a r - i n f r a r e d b a n d w h e nt h es u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni sl o w e r ，t h ef i r s tp e a kv a l u ei s h i 【g h e rt h a nt h es e c o n dp e a kv a l u e ，a n dw h e nt h es u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s ，t h es e c o n dp e a kv a l u eg r a d u a l l yr i s e s 3 s p e c t r u mr e f l e c t a n c e ，s p e c t r u mr e f l e c t a n c em e a nv a l u ea n dr e f l e c t a n c ef i r s t d e r i v a t i v eo fs u s p e n d e ds e d i m e n te x p o n e n tm o d e la n dq u a d r a t i cm o d e la r ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fs p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h e9 0 0n mw a v e l e n g t he x p o n e n tm o d e lc a l la c c u r a t e l yq u a n t i t a t i v ei n v e r s es u s p e n d e d s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n s 4 a c c o r d i n gt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c es u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e r ，a n d t h er e l a t i v i t ya n a l y s i so fo b s e r v e ds p e c t r a lr e f l e c t a n c ea n do b s e r v e ds u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n ，b a n d 丁m 3 ，t m 4a r et h es e n s i t i v eb a n d st ot h es u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n 5 r e f l e c t a n c eo fb a n dt m2 ，t m3 ，t m4a n ds u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n a si n p u ta n do u t p u tr e s p e c t i v e l y ，c o m b i n e dw i t hr e m o t es s c ，e s t a b l i s h e db pn e u r a l n e t w o r k i tf o u n dt h a tw h e nt h en u m b e ro fn e u r o n si nh i d d e nl a y e ri se i g h t ，t h eb p n e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gh a sab e s te f f e c t ，t h ei 洲s ei so n l yo 10 2 ，f i t t i n gd e g r e er e a c h e s t o0 8 9 9 t h em a x i m a lr e l a t i v ee r r o ro f b pn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o ni s2 8 ，m i n i m u m i s6 ，a n dt h et o t a lr e l a t i v ee r r o ri s2 1 5 k e yw o r d s ：y a n g t z er i v e re s t u a r yd e e p w a t e rc h a n n e l ，s u r f a c es u s p e n d e ds e d i m e n t ， r e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c e ，n e u r a ln e t w o r km o d e l ，t mi m a g e s ， 上海海洋大学硕士学位论文 目录 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的和意义2 1 3 国内外研究现状2 1 4 研究内容和技术路线6 1 5 全文内容7 第二章悬浮泥沙光谱数据测量与泥沙浓度分析8 2 1 水上光谱测量规范一8 2 1 1 光谱仪简介8 2 1 2 水体光谱测量原理1 0 2 1 3 遥感反射率计算10 2 1 4 观测方位1 1 2 1 5 光谱测量流程13 2 1 5 1 仪器校正1 3 2 1 5 2 水体光谱测量1 3 2 1 5 3 悬沙浓度测量1 3 2 2 水体光谱特征分析13 2 2 1 悬沙水体光谱特征13 2 2 1 1 光谱曲线预处理l3 2 2 1 2 悬沙水体光谱特性14 2 2 2 光谱微分分析15 2 3 悬沙浓度统计回归模式分析17 2 3 1 悬沙水体敏感波段。r 17 2 3 2 单波段统计回归模式18 2 3 3 多波段统计回归模式。l8 2 3 4 光谱微分统计回归模式1 9 2 3 5 不同回归模式的验证2 0 2 3 6 不同回归模式预测结果分析2 1 第三章遥感影像数据结合神经网络反演泥沙浓度2 7 3 1 遥感数据处理2 7 3 1 1t m 数据简介2 7 3 1 2 辐射校正2 7 3 1 3 几何校正2 8 3 1 4 大气校正2 9 3 1 5 遥测数据分析，3 0 3 2 敏感波段分析3 2 3 3 神经网络方法3 3 上海海洋大学硕士学位论文 3 3 1 神经网络的基本特征3 4 3 3 2 神经网络的优点3 4 3 3 3 常用的神经元模型3 5 3 3 4 神经网络的基本结构3 6 3 3 5b p 学习算法3 7 3 3 6b p 算法步骤3 8 3 4 神经网络模型建立4 0 3 5 神经网络反演结果分析4 1 3 5 1隐含层神经元数目的确定4 1 3 5 2 模型的验证4 6 第四章结论与展望4 7 4 1 结论4 7 4 2 展望4 8 参考文献4 9 参与科研项目5 2 发表论文5 2 至殳谢5 3 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言弟一早5l 商 长江口深水航道作为一条“黄金水道”，对上海的经济发展有着重要的作用。 长期以来，长江1 3 因受到巨大潮流、径流和上游来沙的影响，河1 3 河槽变化复杂， 长江口通航航道所处的拦门沙河段，自然水深不足6 米，成为通航的瓶颈，随着 中国加入世界贸易组织，我国的进出口贸易量迅速增加，船舶也有大型化趋势， 在口门地区形成的拦门沙航道，已经严重制约了上海、长江三角洲及长江流域经 济发展和我国航运事业的发展。 长江口作为我国主要的河v i 之一，其水动力环境变化无常，从而引起悬浮泥 沙浓度在时间和空间上不断改变，悬浮泥沙浓度的这种变化给航道治理带来了较 大的困难。为此，从二十世纪五十年代开始，许多专家和学者就河口拦门沙的形 成原因、河床河槽变化规律等方面，进行了比较深入和系统的研究。国家于1 9 9 7 年决定在长江口实施深水航道治理工程，长江口深水航道治理工程由分流咀工程 ( 潜堤3 2 公里，线堤1 6 公里) 、南北导堤工程( 北导堤4 9 2 公里，南导堤4 8 0 7 7 公里) 、丁坝群( 共1 9 座，合计3 0 0 9 公里) 及疏浚工程组成。工程分三期实施， 通过分期治理使长江口航道的通航深度分别达到8 5 米、1 0 0 米、1 2 5 米。 长江e l 深水航道治理工程是迄今为止我国最大的水运工程，也是世界上规模 较大的河口治理工程。工程实施大大改变了北槽河槽原有的平衡，使得南槽和北 槽的水沙发生了重大变化。泥沙的变化导致了航道回淤问题出现，而航道的同淤 不仅取决于泥沙条件，还取决于航道内水流的大小和河槽形状。航道回淤问题的 核心问题是泥沙问题，本文主要就长江口深水航道海域的悬浮泥沙浓度开展研究， 以进一步加深对河槽河床演变规律、深水航道回淤规律的认识。 上海海洋大学硕士学位论文 1 2 研究目的和意义 长江河口的悬浮泥沙主要来自长江流域，长江口深水航道处于河口最大浑浊 带活动的范围，其深水航道治理和维护的核心问题为泥沙问题l l 。了解悬浮泥沙时 空分布规律是开展航道回淤规律研究和指导防灾减淤工作的关键。本文主要目的 就是通过对长江口深水航道海域的悬浮泥沙浓度研究，以期为航道回淤问题的解 决提供一些基础背景数据。 作为水体的重要水质参数之一，悬浮泥沙的浓度大小决定了水体的透光度、 浊度以及色度等光学性质，透光度的减小将对水生植物的生长造成巨大的威胁， 进而影响到整个水生生态系统。因此，加强对水体悬浮泥沙浓度变化的研究具有 重要的意义。 传统泥沙调查方法耗费巨大的人力和物力，受限于时问和天气的变化，只能 获取某一时问或某一特定天气条件下的悬沙浓度。2 0 世纪7 0 年代遥感技术的发展， 使得这一状况得到了有效的改善。遥感技术能够全天时、全天候的获取大面积水 域的悬浮泥沙浓度，获取数据时间较短，能达到同步或准同步。从而有效地监测 悬浮泥沙浓度在时间和空间上的变化。相对于常规方法调查时问慢、周期长等缺 点，利用遥感技术监测悬浮泥沙含量的变化将具有十分重要的研究价值。 1 3 国内外研究现状 利用遥感技术可以获取全球海洋的信息，包括海水温度、海面高度以及风场 变化等。其中与海洋水色遥感技术有关主要是以下三种物质：叶绿素、悬浮泥沙 和黄色物质。较为清洁大洋水体的水色遥感研究主要与叶绿素有关，而长江口水 域主要是较为浑浊的二类水体，所以长江口水色遥感研究主要与悬浮泥沙有关。 随着高光谱分辨率和高空问分辨率技术的发展，不断促使海洋水色遥感技术提高， 同时也使定量遥感取得了较大的研究成果，也给海洋水色遥感带来了前所未有的 机遇【2 】。国内外研究者通过不同的技术和手段，利用各种遥感数据源，在世界各主 要河口及海域开展了有关悬沙浓度时空变化的研究。 1 国外研究进展 早在上世纪7 0 年代，美国发射l a n d s a t 1 之后不久，k l e m a s 等f 3 1 提出了利用 2 上海海洋大学硕- j ：学位论文 m s s 影像数据探测特拉华湾悬浮物浓度的统计模式，之后随着传感器不断向着多 波段、多极化、多模式的发展以及高波谱分辨率和高空间分辨率技术的不断提高， 促使悬浮泥沙遥感定量研究不断向前发展。考虑到不同研究区内悬浮泥沙的矿物 组成、粒径分布不同，因此选择不同类型的遥感数据源显得尤为重要，目前用于 悬浮泥沙浓度研究的主要卫星资料有m s s 、t m 、s p o t 、a v h r r 、s e a w i f s 和 c z c s 等，针对不同的数据源也有不同的方法，大多数学者采用相关性分析法、主 成份分析法和统计回归分析法；n o v o 等f 4 1 通过研究了找到了影响光谱反射率的因 素主要有太阳高度角、观测方位角。另外随着波长的增加，观测几何角度对光谱 反射率的影响逐渐减弱；b h a r g a v a 等【5 l 研究了将采集到的土样按粒径大小分成五 类，然后配置了不同浓度的水样，研究发现土样的种类、粒径大小以及浓度等对 水样光谱反射率影响较大；e v l y n 等i e l 在测量实验室水体光谱反射率基础之上，分 析了光谱反射率和总悬浮物浓度之间的相关性，结果表明水体光谱反射率和总悬 浮物浓度之间呈现一种线性关系，在可见光波段两者的相关性较好，且在近红外 波段相关性最高；m e r t e s 等【7 】在分析不同浓度悬沙水体的光谱曲线特征基础之上， 利用t m 多波段影像光谱混合分析法对亚马逊河湿地水体表层的悬浮物浓度进行 了估算；t a s s a n l 8 1 通过s e a w i f s 遥感数据计算提出了不同的参数模型，分别对研究 区内的叶绿素、悬浮泥沙以及有机可溶有色物质进行了定量反演；m a h t a b a l 9 】等通 过地物光谱仪数据来模拟野外实测光谱数据，利用模拟数据分析了光谱反射率随 波长变化的规律，结果表明t m 4 波段是对悬沙浓度变化敏感的波段，可以用来反 演悬浮泥沙浓度；k e i n e r 等【】o 】在对t m 数据进行分析后，利用神经网络方法，分 别建立了研究区内叶绿素和悬浮物浓度遥感定量反演模型；d a v i d 等j 1 1 i 通过对 g i r o n d e 河口高浓度悬浮物水体进行实地光学参数测量，分析了该河口水体的光谱 曲线特征。他们结合研究区实测的光谱数据，找出了影响实测水体反射率的主要 因素是后向散射系数和吸收系数，而大气反射光等对反射率影响较小。另外还指 出运用波段比值算法可消除泥沙颗粒大小、折射指数等对光谱反射率的影响，可 进一步提高光谱反射率和泥沙浓度之间的相关性；b i n d i n g 等1 坨】在测量i r i s hs e a 海 域水体光谱反射率之后，分析了悬浮泥沙浓度和光谱反射率之间的相关性，结果 发现6 6 5 n m 是对悬沙浓度变化的敏感波段，并同时利用s e a w i f s 海洋水色卫星资 料建立了一种适用于i r i s hs e a 海域水体悬浮泥沙浓度遥感定量反演算法；h u 等【1 3 1 利用s e a w i f s 数据研究了m e x i c og u l f 的悬浮泥沙浓度，建立了各种应用模型，同 时为近岸表层水体悬浮泥沙遥感奠定了理论基础；r u h l 等0 4 】在分析了遥感数据和 水体混浊度相关性基础之上，建立了卫星数据和水体浑浊度的统计相关模式，反 演出了研究区的悬浮泥沙浓度，同时分析了悬浮泥沙浓度在空间以及潮流对它的 上海海洋大学硕士学位论文 影响；m i h s r a 等ij s 禾u 用遥感影像提取了水体离水辐射率，估算了水体次表面反射 率，并对遥感图像次表面反射率和同步实测悬沙浓度进行了相关分析，建立了悬 沙浓度和遥感反射率之间的关系模型，最后利用该模型反演了整个m a h a n a d i 河口 的悬沙浓度的空间分布，取得了较好的效果；d o x a r a n1 1 6 l 通过分析实测的混浊水体 光谱曲线特征，建立光谱反射率和表层悬浮物浓度之间的相关关系，结果表明8 5 0 n m 处二者的相关性不高，但是8 5 0 n m 5 5 0n m 的波段比值组合与悬浮物浓度相关 性较强；r i c h a r d l l 7 根据野外实测悬浮泥沙浓度数据，在分析光谱曲线特征基础之 上，选取对悬浮泥沙浓度变化敏感的波段建立了北墨西哥湾的悬浮泥沙浓度线性 回归模式，最后利用准同步的m o d i s 数据对该区域内的悬浮泥沙浓度进行反演， 并对结果进行了验证，效果较好；b o w e r s 等【l s 】根据野外高光谱测量仪测得的水面 光谱反射率，建立了水体光谱反射率和悬浮颗粒浓度之间的统计回归模式，利用 所建立的模型对研究区内的悬浮物浓度进行了定量反演。 2 国内研究进展 相比于国外的悬浮泥沙遥感研究，我国的悬浮泥沙遥感研究起步较晚。最早 是在2 0 世纪8 0 年代初期，我国学者才开始对沿海地区的悬浮泥沙开展了一些研究， 当时由于受到遥感信息源和研究技术手段的限制，大多数学者采用m s s 、t m 、 s p o t 、n o a a 以及s e a w i f s 遥感图像等，在特定研究区域内根据现场实测数据( 与 卫星同步或准同步) ，建立影像数据和实测数据之问的统计关系式，进而反演出悬 浮泥沙的浓度和空间分布特征。近二十年来，我国学者在遥感反演悬浮泥沙浓度 方面做了大量的研究，也取得了一定的成果。陈夏法等f i 9 l 利用5 幅具有代表性的 n o a a 影像为依据，同时结合悬沙浓度实测数据，从时空分布、扩散范围、悬浮泥 沙运动方向及季节性变化四个方面对杭州湾及其附近海域内的表层悬浮泥沙浓度 作了分析与研究，并分析了悬浮泥沙对海区环境以及建港工程的影响；陈鸣等f 2 0 ，2 1 1 根据杭州湾泥沙组成、粒径大小等特点，并根据同步采集的卫星遥感数据和泥沙 水样，确定了最佳波段和模型参数，建立了悬浮泥沙遥感定量模式 ( 1 0 9 s = 7 3 6 l 3 7 5 ) ，为了弥辛t l a n d s a t t m 数据周期长的缺点，引入n o a a ，a v h r r 数据，对研究区内的悬浮泥沙进行不同潮情下的变化监测。此外他们还对一些常 规模式进行了比较，并给出了长江口悬浮泥沙卫星遥感数据图像处理框架图；陈 涛等【2 2 ，2 3 j 在胶州湾大沽河口区进行了现场野外悬浮泥沙光谱特性实验。通过分析 悬浮泥沙浓度( s s c ) 和实测光谱反射率之间的相关性，分别建立了悬沙浓度对数 与l a n d s a tt m 3 和t m 4 波段之间的关系模型，结果发现悬沙浓度对数与t m 3 、t m 4 之间存在着较好的相关性，特别是t m 4 波段与l g ( s s c ) 的相关性最好，其模型平 4 上海海洋大学硕士学位论文 均相对误差可控制在3 左右。此外，他们还在实验室对黄河口悬浮泥沙的光谱特 性进行了研究，研究结果表面随着悬浮泥沙浓度的增加，其光谱反射率最大值向 长波方向移动，并据此建立了s s c 与反射率峰值波长九r m a x 的数学模型 ( i g s s c = 3 1 5 + 8 9 7 l o 。3 九r m 人x ) ；黎夏f 2 4 j 在总结罔内外悬浮泥沙遥感模式的基础 之上，推导出统一模式l = a + b 【s ( g + s ) 】+ c 【s ( g + s ) 】e d s 。将其用来计算伶仃洋的悬 浮泥沙，得到相关系数为0 9 9 6 ，平均相对误差2 0 3 ，最后对伶仃洋悬浮泥沙进行 大面积的遥感定量估算，得到伶仃洋的悬浮泥沙分布图；乐华福等1 2 5 1 在分析野外 实测水体光谱数据的基础上，结合实验室所测得悬浮泥沙浓度，分析了二者的相 关性，最后用最小二乘法拟合出水体光谱反射率和表层悬浮泥沙浓度之间的指数 关系式( y = a e b r ) ，根据相关性分析得出5 5 5 n m 和6 7 0 n m 是反演东海海区表面悬浮 泥沙浓度的最佳波段；李四海等1 2 6 , 2 7 1 在对s e a w i f s 数据进行几何定位及大气校正之 后，提取了各波段的遥感反射率，结合准同步的实测表层悬浮泥沙浓度，建立了 遥感参数和悬浮泥沙浓度之间的相关关系，最后得到长江口悬浮泥沙遥感定量反 演模式；温令平【2 8 】根据含沙水体光谱模拟试验，建立了珠江口水体光谱反射率与 泥沙浓度之间的对数模式i n s = 3 7 4 5 5 + 0 4 4 0 1 , + 0 2 2 4 3 r 3 0 8 8 7 r 4 ，并且采用与卫星 过境时同步观测资料进行了验证，其平均相对误差分别为1 2 2 和1 4 ，最后分析 了珠江口伶仃洋海区的泥沙场及其对航道开发的影响；韩震等【2 9 1 在实验室进行了 悬沙水槽试验，在分析了不同浓度含沙水体反射光谱曲线特征之后，选取对悬浮 泥沙浓度变化敏感的波段，确定了一个遥感参数x s ，建立了悬浮泥沙遥感定量模 式( 1 9 s = 0 6 0 3 6 + 2 1 0 5 8xx s ) ；陈一梅f 3 0 1 通过对7 幅不同季节和不同潮情下的 l a n d s a t t m 影像进行信息提取之后，分析了准同步的表层悬浮泥沙浓度和影像灰 度值之问的相关性，发现t m 3 t m 2 的波段比值与其有着很好的相关性，由此建立 了闽江口表层悬浮泥沙浓度遥感定量反演模式s 一0 4 2 0 7 + 0 4 17 9 7 t m 3 t m 2 ；李云 驹等【3 l 】通过分析遥感反射率和悬沙浓度之间的变化关系，结合m o d i s 对应波段特 征，采用双通道影像灰度值相减的方法，来增强悬浮泥沙含量信息，从而达到反 演水体悬浮泥沙浓度的目的；陈晓玲等【3 2 】选择了在对n o a a a v h r r 影像进行几何 校正、大气校正及去云处理之后，利用l 、2 通道的光谱差异，利用极值法对影像 进行了信息提取，然后用对应年份的实测数据对研究结果进行了验证；姜杰f 3 3 1 通 过野外实测水体反射光谱计算了遥感反射率，并对悬浮泥沙浓度与遥感反射率进 行相关性分析，建立了悬浮泥沙浓度遥感反演模式s = 3 6 9 1 3 r + 0 6 0 2 8 ，最后将该模 式应用到遥感影像上，反演出研究区的悬浮泥沙浓度等级分布图；刘志国等 3 4 1 在 分析光谱反射率和泥沙浓度相关性的基础之上，选择对悬沙浓度变化敏感的波段， 基于数理统计方法建立了两类反射率与泥沙浓度关系的回归方程；张春桂等【3 5 】在 上海海洋大学硕士学位沦文 对m o d l s 影像数据进行一系列预处理之后，针对悬沙水体反射光谱特征，选用红、 绿、蓝三个波段合适的探测波段构成悬浮泥沙遥感参数，结合实测海洋水色资料， 建立了福建近岸海域内的悬浮泥沙浓度遥感定量反演模式；钟凯文等【3 6 】通过野外 实测水体反射光谱，计算出遥感反射率。模拟了t m 对应波段的反射率，结合实测 含沙量数据，针对洪季和枯季分别计算了遥感反射率和含沙量之间的相关性，建 立了多种形式的泥沙反演经验模型。 1 4 研究内容和技术路线 本文是在上海市科委项目支持下，选择长江口深水航道及附近海域作为研究 区。开展了含沙水体反射光谱试验，并同步采集水样带回实验室测定浓度，通过 分析含沙水体光谱曲线特征，探讨了光谱反射率随悬沙浓度变化的规律，选取对 悬沙浓度变化敏感的波段，利用数理统计的方法建立了悬沙浓度反演模型。 本文的研究目标是依据实测光谱数据和表层悬浮泥沙浓度数据，结合l a n d s a t 5 t m 遥感影像数据，利用神经网络的方法建立了长江口深水航道及附近海域表层悬 浮泥沙浓度的遥感定量分析模型。本论文的研究内容主要有： 一长江口深水航道及附近海域表层悬浮泥沙光谱特性的研究； 二长江口深水航道及附近海域海面光谱反射率与表层悬浮泥沙浓度关系模型的 研究； 三长江口深水航道及附近海域表层悬浮泥沙遥感信息处理方法的研究； 四长江口深水航道及附近海域表层悬浮泥沙浓度遥感反演模型的研究； 本文主要技术路线图见图1 1 。 6 上海海洋大学硕士学位论文 1 5 全文内容 图1 1 技术路线图 f i g 1 - 1 t e c h n i c a lr o u t i n g 全文主要内容包括四个部分： 第一章主要介绍论文的选题背景和研究意义，对国内外悬浮泥沙遥感反演的 研究现状和进行综述，并阐述了本文的主要研究内容、技术路线。 笫二章主要介绍了在长江e l 深水航道及附近海域开展的水上光谱测量实验， 在分析光谱数据特征基础之上，选取对悬浮泥沙变化敏感的波段建立了表层悬浮 泥沙浓度和水体遥感反射率之问的统计回归模式，包括单波段模式、多波段模式 和光谱微分模式，最后用实测数据对各个模型进行了验证。 第三章主要是利用神经网络的方法，在对t m 影像进行几何校正和大气校正之 后，结合同步遥测资料对长江口深水航道海域表层悬浮泥沙浓度进行了研究。 第四章对本文研究结果进行了总结，并指出下一步研究工作的重点。 7 上海海洋大学硕士学位论文 第二章悬浮泥沙光谱数据测量与泥沙浓度分析 2 1 水上光谱测量规范 为了分析长江口水体光谱特征及其与泥沙浓度的关系，上海海洋大学、上海 河口海岸科学研究中心和国家卫星海洋应用中心三家单位在2 0 0 8 年3 月2 4 2 6 日， 对长江口深水航道海域进行定点测量和走航测量( 图2 1 ) ，现场测量水体的光谱 数据并且同步采集表层水样，本次采样数据总共有1 9 组，我们从低浓度到高浓度 随机选取1 2 组数据用于建立模型，剩余的7 组数据用于模型检验。 2 1 1 光谱仪简介 光谱采样所使用的仪器是美国a s d 公司生产的f i e l ds p e c 手扶式便携光谱仪， 具有体积小、携带方便的优点。其波长范围为3 5 0 n m 2 5 0 0n l n ，光谱分辨率为1 4 n l n ，有5 1 2 个通道( 在7 0 0 n m 附近的光谱分辨率大约为3 n m ) ，积分时间可调， 双探头，可同时测量目标与灰板( 或入射总辐射度) 。表2 一l 是a s df i e l ds p e c 主 ， 要技术指标，图2 2 为仪器的外观图。 8 上海海洋大学硕士学位论文 表2 1a s d f i e i d s p e c 主要棱置搪缘 t a b 2 1m a mt e c h n i c a ti n d e xo fa s 0 7 i e l d s l ：v e c 荔。i 嚣 a 豫翱露js w l r 2 2 1 2 水体光谱测量原理 野外水体反射光谱测量方法主要有两种类型：一是水面之上测量法，二是水 面之下测量法。二者的区别在于：水面之上主要测量的是水体表观光学参数，然 后根据这些测量数据推算出离水辐射率和遥感反射率。在较深的水域我们一般采 用水面之下测量法，因为它是一种剖面测量，可以避免水汽以及水面和船体的晃 动所引起的误差 3 7 - 4 0 1 。由于水面以上的光谱辐亮度信号组成是： l s 、v = l 、+ r l s k v + l 、v c + l g( 2 1 ) 其中：l 刚是仪器接收的总信号，l 。是进入水体的光被水体反射回来进入仪器的离 水辐亮度，r l s k v 是天空光在水面反射以后进入观测仪器的信号，该部分没有任何水 体信息，r 是气水界面反射率：l 。是水面白帽的信号，l 。是水面波浪对太阳直射 光的随机反射，没有任何水体信息。水体信号来源与构成参见图2 3 。只有去除测 量过程中由水面波浪及船体阴影所造成的影响，才能获得真正反映水体信息的离 水辐射率，然后进一步推算出遥感反射率。 2 1 3 遥感反射率计算 通过测得的含沙水体反射光谱数据， 和遥感反射率。在避开太阳光直接反射、 的水体光谱数据可简化为： 推算出真正反映水体信息的离水辐射率 忽略或避开白帽的情况下，光谱仪测量 l s w = l w + r i 。s k y( 2 2 ) 其中l w 为离水辐亮度：l s k y 天空漫敖射光，不带有任何水体信息，必须去掉；r 为气水界面对天空光的反射率，它取决于太阳位置、观测角度、风速( 海面粗糙 度) 、风向( 海面粗糙度) 等因素，当海面风速小于3 m s 时，根据文献中的经验 值，本文取0 0 2 6 ( 唐军武，1 9 9 9 ) 。由此可得离水辐亮度为： 1 0 上海海洋大学硕士学位论文 l 、v = l s 、一r l s i ( v