（环境科学专业论文）遥感技术在黄浦江上游生态环境监测中的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h eu p p e rr e a c h e so ft h eh u a n g p ur i v e ri st h ew a t e rc o n s e r v a t i o na r e ao fs h a n g h a i ， t h em o n i t o r i n go ft h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a sas i g n i f i c a n tm e a n i n g t h i s p a p e rm a i n l ye x p l o r a t e d ，r e s e a r c h e dt h et e c l l i l o l o g yo fm o n i t o r i n gt h ew a t e rq u a l i t y a n dt h ee l e m e n t so ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n da n a l y z e dt h ec h a n g e so fw a t e r q u a l i t ya n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t os u p p o r tt h et h ed e c i s i o no fe n v i r o n m e n t p o l i c yo fs h a n g h a i t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nt h er e f l e c t i o ns p e c t r u mc h a r a c t e r m e a s u r e di nt h ef i e l da n dt h ep h y s i c sa n dc h e m i s t r yp r o p e r t yt e s t e di nt h el a b o r a t o r y , t h ep a p e rd i s c u s s e da n de x p l o r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cb a n do rb a n dc o m b i n a t i o nw h i c h h a sh i g hc o r r e l a t i o nw i t ht h ec h l o r o p h y l l 一ac o n c e n t r a t i o n ，t h ed i s s o l v e do x y g e na n d o t h e rw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s b a s e do nt h et mi m a g e sa n dt h ei ns i t uw a t e rs a m p l i n g t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sw e r e c a r r h i e do u tb e t w e e nt h eb a n do rb a n dr a t i oo f1 1 a n dt h ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so f c h l o r o p h y l l ac o n c e n t r a t i o n ，t u r b i d i t y , d i s s o l v e do x y g e n ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n dt o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，a n dt h ew a t e rq u a l i t yr e t r i e v a l m o d e l sw e r eb u i l du pf r o mr e m o t es e n s i n gd a t a t h er e m o t es e n s i n gi m a g ec l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m so fl i n e a rm i x e dd e c o m p o s i t i o n a n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sw e r er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，a n dt h e nu s e dt o i n t e r p r e t et h et h ee l e m e n t so ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h e u p p e rr e g i o n so ft h eh u a n g p ur i v e ri se x p e r i e n c i n gr a p i du r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h e t o w n s ，r o a d s ，f a c t o r i e s ，e t c c o v e r st w i c ea sm a n yf r o m 19 8 7t o2 0 0 6 ；a n dt h e a g r i c u l t u r es t r u c t u r ec h a n g e dm u c h ，f o r e s t r yw e r eg e t t i n gl a r g e rp r o p o r t i o na n dt h e l a n du s eo ff o r e s t r y , a g r i c u l t u r e ，f i s h e r i e sc l u s t e r e ds p a t i a l l y k e y w o r d s ：h u a n g p ur i v e ru p s t r e a m ，r e m o t es e n s i n g ，e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，w a t e r q u a l i t y , l a n du s e 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究区概况 1 绪论 黄浦江上游为上海水资源保护区( 参见图1 1 ) ，具体划分如下：自闵行两界至淀峰四十 五公里的黄浦江水域，淀山潮与元荡湖体，沿江湖两岸纵深五公里陆域以及大泖港、园泻泾 上溯十公里的水域，划为水源保护区；自龙华共至闵行两界三十公里的黄浦江水域以及沿江 两岸纵深五公里陆域，划为准水源保护区；在水源保护区内，以松浦大桥取水口为中心，划 定一级水源保护区( 日取水颦5 5 0 万吨的松浦大桥取水口位于松江车墩镇，提供全上海 7 0 以上的生活用水) 。 荸登江上游水浯警护区 一 驻 魁弱i 巍瓤i ： 釜誓噬l 誊爨； 受曩! ：一1 海带 1 - 【。谴 譬擎 黼 撼 纛 、一一 劂 ，- 一廿 j 随斟麝 。 i ，十二l ， 露麓瓣；黎固淞f k ， 。t 纽i 尘嘻摩盔ti 蜘良 。：j j 乒| 一 、 芝蒂 f 。：藏誊； ：一i 毓菠俐菹。t ：= 。一，。j j ： ； 1 、一 ， 一j f ! 一! _ 一_ 、 ： t ： 乡筝一4瓠；i 毽j 。 ：l ， ? 【_ 一 。 ； 、， ， ：- o 、 + i l 童 ，；。 f 图1 1 黄浦江上游水资源保护区 黄浦江是一螽中等强度的感潮河流，潮流界一般可上溯至淀山湖及浙沪边界，湖区界可 达苏嘉运河平湖塘一带。黄浦江水系为太湖流域最下游的一个水系，是太湖径流的主要出路。 它的上游有三支，北支为斜塘、泖河、拦路港、太浦河，分别与淀山湖、太湖相通：中支为 阋泄泾，上接俞汇塘；南支为人泖港，承接杭嘉湖南部来水。三支水流在米市渡以上汇合， 至下游汇苏州来水，最后在上海吴淞1 2 1 注入长江。黄浦江多年平均净泄流量约3 3 0 m 3 s ( 松浦 大桥站断面) ，年水量约1 0 4 7 亿m 3 ( 包括上游上海地区当地径流4 1 亿m 。作为平原地区 一条中等强度的湖源感潮河流。黄浦江受上游来水和东海潮流的双重作用，因而呈现出复杂 多样的水文特性。 淀山湖的主要区域位于上海境内，是黄浦江重要水源之一，面积约为6 3 7 k m 2 ，大致是 杭州西湖的1 5 倍：平均水深1 7 3 m ，最深水位2 3 0 m ，量算水位2 。7 0 m ，蓄水容积1 1 l 亿 m 3 。 黄浦江上游的水质情况，直接关系到市民健康与经济的发展，保护好黄浦江的水资源， 对上海具有极其重要的意义。随着上海市经济的飞速发展，上海市民生活水平逐年提高，其 对环境质量的要求也随之不断提高。使得环境问题日益受到重视。1 9 8 7 年8 月，上海市政 府发布了上海市黄浦江上游水源保护条例，对黄浦江上游水环境保护提出严格要求，即 在上游来水( 上游来水系指流入水源保护区的急水港、太浦河、大泖港、园泄泾及其他支流) 符合国家二类地面水环境质量标准的前提下，水源保护区的水质应确保达到国家二类地面水 环境质量标准，准水源保护区的水质应达到国家三类地面水环境质量标准。 改革开放以来，随着上海市经济突飞猛进的发展，生态环境恶化已成为困扰上海的一个 重要问题。近几年，上海市分阶段投入大量人力、物力、财力对黄浦江水环境进行综合治理， 但现在的黄浦江水环境综合质量仍旧不容乐观，尤其是氮、磷等指标超标明显。 1 9 9 7 年监测结果显示，上海市水环境质量情况比较严峻，普遍劣于水环境功能区的水 质要求，如： ( 1 ) 黄浦江上游水源保护区功能要求是类水，现在只能维持在i i i l v 类水的水平； ( 2 ) 黄浦江的上游来水近年来水质明显呈下降趋势，位于黄浦江上游水源保护区的大 多数郊区河流，水质不达标； ( 3 ) 黄浦江的源头之一，淀山湖的水体功能定位是i l 类，目前实际为i i i 类，有些时 候达到i v 类，上海境外入淀山湖的水质逐年下降，多为i v - v 类。湖体内富营养化程度已到 了比较严重的地步。 资源、生态和环境是一个在时空域上的复合系统，系统中各要素相互依存、相互制约而 组成一个动态平衡体系，并通过体系本身的自我调节功能维持其相对稳定状态。因此若想有 效的保护水环境，必须保护好其所在生态系统的相关要素。为了著有成效的保护黄浦江上游 地区的水资源，有必要对黄浦江上游的陆地生态系统进行监测。上海市近年来城镇化趋势的 加剧导致农村面积日益缩小，土地利用的类型也在发生着根本变化，从而对黄浦江上游水域 s 周边的生态环境带来了一系列的影响。 总体来看，黄浦江上游水资源保护区的生态环境状况依然存在一些需要探明和解决的问 题，探索保护黄浦江上游水体与陆地生态环境的新思路和新方法，仍然具有重要的现实意义。 1 1 2 遥感技术在生态环境监测中的应用 遥感( i 毽) 是近几十年蓬勃发展起来的- - r l 新兴技术，遥感技术在生态环境要素，如植 被分布、河流和湖泊的变迁、耕地的变化、城市开发范围和居民点的迁移、人文交通变化、 草原退化和沙化、森林破坏、水土流失以及其它人为开发对生态环境的破坏等监测方面，具 有覆盖范围大、直观性强、综合信息量广，动态分析容易、投资消耗少等特殊优势。 近几十年来国内外就生态资源与环境方面进行了大量的研究，其中国内相关的代表性 研究有：中国科学院在“八五”期间重大研究项目“国家资源环境遥感宏观调查、动态分析与 遥感技术前沿的研究”、“三北”防护林地遥感调查；刘纪远、庄大方的“基于g i s 的中国东 北植被综合分类研究”和“基于遥感和g i s 的中国土地资源生态环境质量同人口分布的关 系”；盛伟勇、陈维英的“利用气象卫星植被指数进行我国植被的宏观分类”的研究；m o n t e i t h 用n o a a 尺度数据所提供短波的吸收、地表覆盖状态和温度特征作为能量平衡模型的输入 参数分析了资源环境变迁：肖乾广、陈维英的“全球变化中我国生物群区遥感技术与相关模 型的研究”用遥感方法计算中国初级生产力；其它还有：福建闽江口水域悬浮泥沙调查、中 国东部及沿海地区植被生态及近海生物量调查、黄淮海平原旱情监测、l ：4 0 0 万中国土地 沙漠化遥感制图。 从2 0 世纪7 0 年代开始，利用遥感对水体的研究从单纯的水域识别发展到对水质参数进 行遥感监测、制图和预测。近年来，随着对物质光谱特征研究的深入、算法的改进以及遥感 技术本身的不断革薪，遥感监测水质从定性发展到定量，且可通过遥感预测的水质参数种类 逐渐增加。主要包括悬浮颗粒物、水体透明度、叶绿素a 浓度、黄色物质，此外还有总氮、 总磷、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量和综合污染指标如营养状态指数等。 遥感可以大面积地提供环境质量信息、并且具有高时间分辨率、连续的特点，弥补了常 规监测方法的不足；地理信息系统( g i s ) 是处理空间数据的有效工具，其数据查询、分析 与显示功能有助于遥感图像的识别和信息复合，并将识别的结果进行分析和图形显示。遥感 作为一种高效的信息采集手段，为g i s 提供了信息源和数据更新手段；而g l s 提供了一系列 基本数据库，弥补了卫星数据的不足，并增强编纂处理和分析能力，g i s 可以把遥感所提供 9 的大量空间信息快速处理并进行分析，这二者的结合可以提高工作效率和经济效益。 总之，应用遥感技术并结合地理信息系统技术开展生态环境监测有很好的研究价值和应 用前景。 1 2 研究内容 本课题主要研究黄浦江上游水质遥感定量监测技术，并对黄浦江上游的陆地生态环境要 素进行监测，为预警预报与决策支持系统的建设提供数据支撑和决策支持，从而有助于保障 上海市的饮用水质量和海运安全。通过本项目的实施，发挥遥感在生态环境和水质监测上的 宏观把握、微观求真的优势，综合评价黄浦江的水环境质量；通过奠定客观的信息基础，推 动黄浦江海事管理信息化发展的进程，并建成遥感定量监测与g i s 集成分析信息系统。主要 研究内容如下： ( 1 ) 水质遥感监测定量分析模型研究 在主要水质参数诊断波谱分析、最佳波段组合的基础上，进行多光谱数据水质参数反演， 建立水质参数遥感定量模型。包括： a ) 主要水质参数诊断波谱分析和最佳波段组合 探索每一波段对主要水质组分的敏感性和适宜性，进行主要水质参数光谱特性和图像特 征分析，结合水面光谱测试、实验室水质理化分析结果，提取对应监测点的各波段辐射值或 光谱反射率、绘制反射光谱曲线，确定定量提取水质参数的最佳波段位置、波段宽度、波段 组合。研究主要水质参数诊断波谱的分布范围和规律，重点波长范围在近红外、短波红外和 热红外上。在此基础上，分别结合l a n d s a t 5t i m 和m o d i s 的传感器特点。进行最佳波段选 择和波段组合方式确定： b ) 多光谱数据水质参数反演和遥感定量监测模型构造 利用回归、聚类、主成分分析、神经网络等统计分析技术通过采样实测结果与遥感图 像的光谱信息，进行水质描述参数的反演，构造基于遥感图像的定量监测模型；并对模型的 精度对比分析和修正； c ) 利用遥感定量模型反演整个黄浦江的水质参数，并利用c a r l s o n 指数法对营养状况进 行评价 ( 2 ) 土地利用与植被类型遥感监测定量分析模型研究 按照土地调查的分类系统对上游土地资源进行遥感调查，对遥感影像进行监督或非监督 l o 分类；对植被覆盖区进行植覆盖度及质量监测，利用g i s 软件提取反映植被覆盖质量的指标， 分析引起植物资源特别是种群变化的社会与自然驱动因子，以及这些变化对黄浦江水质的影 响。包括： a ) 上游土地资源遥感调查；按照土地调查的分类系统对上游土地进行遥感调查： b ) 对植被覆盖区进行植覆盖度及质量监测，分析引起植物资源特别是种群变化的社会 与自然驱动因子，以及这些变化对黄浦江水质的影响。 2 水质遥感监测定量分析模型研究 2 1 水体的遥感数据处理 在进行水质遥感监测定量分析模型研究之前，为了消除遥感系统成像的系统影响或者从 图像中挖掘更深层次的信息，要对遥感影像进行数字图像处理，处理的形式可以归于以下三 种类型中的一种： ( 1 ) 图像校正和恢复。这些操作的目的在于校正变形的图像数据或低品质的图像数据， 以便更加真实的反映其地面情况，这种类型的处理包括对原始图像数据的几何校正、辐射校 正以及为消除数据中出现的噪音而进行的处理。这个过程也称为图像的预处理。 ( 2 ) 图像增强。图像数据的增强处理是为了在以后进行的可视化解译时能有效的显示 或记录图像数据。 ( 3 ) 图像分类。这种处理的目的在于对图像使用定量地物特征的自动鉴别技术来替换 图像数据的目视解译。 本章下面的内容首先简单介绍辐射度学参数和水体定量遥感的基本物理量，然后以 2 0 0 3 年8 月2 日的黄浦江上游t m 遥感影像和地面高光谱反射曲线卫为例，说明遥感数据 采用的处理方法和过程。 2 1 1 辐射度学及水体遥感物理量 2 1 1 1 一些基本术语的定义 1 立体角( s t e r a d i a n ) 一个半径为r 的球面，从球心向球面作任意形状的锥面，锥面与球面相交的面积为， 则彳，就是此锥体的立体角( s o l i da n g l e ) 一般用符号q 表示，单位为球面度品。参见图 4 1 。一个球面的面积为4 7 一，因此球体的立体角是4 。 2 辐射通量( f l u x ) 在单位时问内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量，符号o ，单位为w 。 1 2 如果是某个波长的辐射通量，则记为喇。 3 辐射强度( i n t e n s i t y ) 点辐射源在某一方向上的立体角内所发出的辐射通量。符号i 。单位为w 晦。 i ：l i r a 竺：塑 a n nd q ( 2 1 ) 图2 1立体角定义 4 辐射出射度 对于面辐射元，其单位面积向半球空间( 2 a 立体角空间) 内发射的辐射通量，称为辐射 出射度。简称辐出度，符号m ，单位w m 2 。 m ：l i m 竺：塑 ”“4 d a ( 2 2 ) 其中a o 为小面元a 发出的辐射通量。 辐射出射度是描述面元特性的，因此又称为辐射通量密度。 5 辐射照度( i r r a d i a n c e ) 单位面积接收到的辐射通量，称为该处的辐照度。符号为e ，单位为w m 2 。如果是单 位光谱波长上的，单位为w m 2 岬。海洋光学中常用单位为“w ，c m 2n m 或m w c m 2p a n 。 e ( m 壁堕尘( 2 3 ) 式中：e ( ”：波长为九的光谱辐照度；删；毙惫辐射通量w m m ；a ：面积，单位m 2 。 6 辐亮度( r a d i a n c e ) 单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。辐亮度的符号为l 单位为w m 2s r ，如果 是单位光谱波长上的单位为w m 2 t t ms 。海洋光学中常用单位为肛w ，伽2 n n ls f 或r o w c m 2 啪s r o z 二 ( 2 4 ) 如果辐射源的面元非常小，可以看作一个点，则在单位立体角内的辐射通量为辐射 强度i ( i n t e n s i t y ) ，其与辐亮度的关系为： ，：a o c a _ _ _ _ 2 ：l d a c o s d q ( 2 5 ) 辐亮度随波长变化，且具有方向性l = l ( k q d ，e ) ，其中方位角币，观测角e 。辐亮度是遥 感中的最重要的基本物理量。辐亮度的特点之一是与距离无关性。 2 1 1 2 水体遥感中的辐亮度参数 1 刚好处于水表面以下( j u s tb e n e a t hw a t e rs u r f a c e ) 的辐亮度 符号l u ( o - ) ，表示刚好处于水表面以下的向上( u p w e l l i n g ) 辐亮度；o - 含义为刚好处于水 表面以下。 2 离水辐亮度( w a t e r - l e a v i n gr a d i a n t ) 符号k ，含义为经水一气( w a t e r - m r ) 界面反射和透射后的l u ( o - ) ： l = 掣婀) ( 2 6 ) 其中：n ：位水体折射系数，一般取1 3 4 ；p 。：水气界面的反射率，与海面粗糙度、入 射角度有关。 3 归一化离水辐亮度 l m e = l w * e d e s ( 2 7 ) 1 4 疡为大气层外垂直入射的太阳辐照度。 4 遥感反射率 l o s = l e s = l w e o 2 1 2 遥感影像预处理过程 2 1 2 1 传感器定标 ( 2 8 ) 一般地，数字图像中影像按照一定的量级进行量化，通常为2 1 ，该数值就称为d n ( d i g i t a l n u m b e r ) ，因此，只有经过传感器定标后，才能把d n 值转化为有物理意义的量一辐亮度 ( r a d i a n c e ) ，用以确定传感器入口处的准确辐射值。一般而言d n 值与辐亮度有线性关系， 表2 1 给出了l a n d s a t 5t m 图像每个波段的增益( g a i n ) 和偏置( b i a s ) 。 表2 1t i v l 影像各波段传感器定标系数 波段号g a i nb i a s l1 2 6 8 8 0_ 0 0 1 0 0 22 9 8 1 2 60 0 2 3 2 31 7 6 1 8 6- 0 0 0 7 8 42 8 1 7 7 l- 0 0 1 9 3 50 6 5 2 7 70 0 0 8 0 7o 4 4 3 7 50 0 0 4 0 基于表中的增益和偏置系数，按下式可计算得辐亮度厶 2d n , x g a i n l + b i a s j ( i 2 1 川2 7 ) ( 2 9 ) 2 1 2 2 几何精纠正 为了能准确的从图像中取得正确的水质采样点的光谱信息，需要消除图像中的几何变 形。提高图像的几何精度。几何精纠正需要具有精确几何定位的遥感影像或数字地形图作为 基准图，通过采集同名点( g c p ) 得到图上某些特征点的几何坐标，或者用某些方法( 如 g p s 测量) 直接得到菜些特征点的坐标，根据这些坐标信息和选择适宜的数学模型确定纠 正模型，然后对原图像进行几何变换计算和像素重采样。常用的数学模型为多项式法，重采 样方法包括最近邻、双线性和立方体卷积法。最近邻采样法能保持原有的象素值不变，双线 1 5 性利用周嗣四个相点进行线性插值，立方体卷积法展慢。根据实际计算，一景t m 影像需要 采集2 0 一3 0 个g c p ，并且要求纠正后的均方根r m s o 即为有植被的区域，为此，对n d v i 灰度图做阈值为0 的阈值分割。 2 1 2 6 其他影像处理方法 除了上述基本方法外，为了更有效的对图像进行分析，一些其他的常用影像处理方法也 应用于如主成分分析( p r i n c i p l ec o m p o n e n t sa n a l y s i s ) 、低通滤波( l o wp a s sf i l t e r ) 、f 一最小噪音比( m i n i m u m n o i s ef r a c t i o n ) 等得到了应用。 2 1 3 高光谱数据的处理 2 1 3 1 水体的光谱特性 水体的光谱特性包含固有光学特性和表面光学特性两个方面：其中周有光学特性 ( i n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e s ，l o p s ) - 指的是仅与水体成分有关的光学量，如光束衰减系数各类 水质参数的吸收系数、散射系数、散射相函数等，这些量不随入射光场的变化而变化；而表 面光学特性( a p p a r e m o p t i c a lp r o p e r t i e s ，a o p s ) 指的是是随光照条件变化而变化的量，如 向下辐照度e d 、向上辐照度e i 、离水辐亮度l w ( w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c e ) 、遥感反射率p 、辐 照度比r = e u e d 等，以及这些量的漫衰减系数。这些参数必须进行归一化，才有可能进行 不同时间、地点测量结果的比较。 水质遥感监测的半分析方法就是利用表观光学量来反演出水体成分的浓度，其基本量是 离水辐亮度工r 与遥感反射率p 。 2 1 3 1 1 水体信号分析 对离水辐射率的现场测量方法主要有2 种：剖面法( p r o f i l i n gm e t h o d ) 、水面之上光谱 测量法( a b o v e - w a t e r m e t h o d ) 。其中剖面法是由水下光场测量外推得到水表信号，同时可以 更好地刻画出水体光场垂直变化，是国外采用的主要测量方法。它一般用于水深大于l o m 水体，对于较浑浊水域误差较大，并且采用的仪器昂贵，仪器操作、布放复杂。表面法 ( a b o v e - w a t e rm e t h o d ) 是采用与陆地光谱测量近似的仪器，通过合理的观测几何安捧和测量 积分时间设置，也可以得到遥感反射率等几个上述主要的观测量。 水面以上的光谱幅亮度信号组成是： l w 2 l 。+ r l 却+ l f + l g ( 2 1 5 、 1 9 式中五，是总信号；是进入水体的光被水体散射回来进入仪器的离水辐亮度，上由是 天空光在水面反射以后进入观测仪器的信号，没有任何水体信息，是气水界面反射率；厶 是水面泡沫( f o a m - - w h i t ec a p ) 等引起的信号，乓是水面波浪对太阳直射光的随机反射 ( s u n l i g h ts p e c u l a rr e f l e c t i o n ) ，没有任何水体信息。水体信号来源与构成参见图2 4 。 图2 4水面以上水体信号构成 2 3 1 1 2 观测几何 在现已开展的水体光谱测量中，大部分的测量是垂直向下的，且将水体目标的测量值 工。比上标准板的测量值厶，进行所谓“水体反射率”的测量并进行数据处理： 风f l l p 乜1 6 ) 其中，厶，为面向水体测量得到的信号，上口为折合到1 0 0 0 , 6 反射率板( 白板) 的信号。现 有的水体光谱测量还在仪器积分时间等设置上存在较大错误，如采用较长的积分时间或设置 了自动积分时间调整，或者设置了多次测量数据平均等等，这种测量存在严重的问题： 1 垂直向下观测的数据，受到了较大的船体和太阳光直射反射的影响； 2 不对天空光进行测量，无法分离离水辐亮度( 携带水体信息) 与水表面反射信息( 不 带水体信息) ； 3 采用自动或很长的积分时问，导致太阳直射反射信号占据了较大部分甚至掩盖了水 体的反射信号； 4 这个反射率p , w 由于不是水体遥感的基本参数，在水质遥感定量化算法等等方面难以 应用。 因为离水辐亮度k 在天项角0 4 0 0 范围内变化不大，所以为避开太阳直射反射和船舶 阴影对光场的破坏，仪器观测平面与太阳入射平面的夹角为9 0 0 甄1 3 5 0 ( 背向太阳方向) 。 仪器与海面法线方向的夹角为3 0 0 鲰捌5 0 ，这样便可避免绝大部分的太阳直射反射，同时减 少船舶阴影的影响。 在参阅了一些关于水面以上光谱测量的文献后，本文采用札= 1 3 5 0 ，o r = 4 0 0 的观测方法， 具体如图2 5 所示，这类观测几何的优点是可更好地避免太阳直射反射，并且与剖面法观测 的固有差异较小。这种方法也是国际水色s i m b i o s 计划中推荐采用的。 上f 五习一 。 - 7 丁汰胱 图2 5 光谱仪水面以上观测几何 2 1 3 2 光谱数据的处理 在按照上述观测几何，避开太阳直射反射、忽略或避开水面泡沫的情况下，光谱仪测量 的水体光谱数据为： 蝌w + r k ( 2 1 6 ) 由此可得离水辐亮度为l w = l 。- r 厶扣。式中l r 为离水辐亮度，厶b 为天空漫散射光， 为气一承界面对天空光的反射率，取决于太阳位置、观测几何、风速风向或水面粗糙度等因 素。水表反射率，一般取2 1 5 ，如何选择取值目前仍有很大争议，参照国家海洋局的多 年经验，在上述观测几何条件下，平静水面可取r = o 0 2 2 ，在5 m s 左右风速的情况下，r 可 取o 0 2 5 ，l o m s 左右风速的情况下，取0 0 2 6 - - 0 0 2 8 。 下面两幅图表分别是淀山湖湖南区点上多次光谱测量( 图2 6 ) 以及淀山湖湖南区点上 白板厶、天空光l 如与水面反射厶，的比较( 图2 7 ) 。 图2 6相同位置多次水面以上光谱测量结果比对( 2 0 0 5 年1 1 月培日) 2 1 h 一：一：。蓝“o 。 。：“一- k 图2 7 相同位置天空光等光谱测量结果比对 ( 绿一白板反射值；红一天空光；其他一水面反射2 0 0 5 年1 1 月1 8 日) 在我们2 0 0 5 年1 1 月1 8 日的实地测量中，当日风速据预报为3 4 级，即为6 n 讥左右， ，取0 0 2 6 后，按照下式计算反射率： p 2 【k 一一协石( 厶一) ( 2 1 7 ) 式中，厶，为水面反射的仪器测量值，厶是相同观测条件下标准板反射的仪器测量值， 厶h 为天空光的仪器测量值，厶女 为仪器暗电流值( 没有入射光时仪器测量值) ，r 为气一水 界面反射率，岛为标准板的标定反射率( 我们采用的是反射率为9 7 的白板) 。 在实验中，为了避免测量过程中随机因素的干扰，在同一采样点上，我们对水面反射率 测量了5 8 次，计算反射率时采用测量值最低的光谱曲线进行处理。下二图分别为淀山湖 不同监测点上水面测量值的比较以及黄浦江上游水域不同监测点按照式2 1 7 处理后的水体 反射率曲线。 图2 8不同监测点上水面反射光谱测量结果对比 ( 2 0 0 5 年1 1 月1 8 日) 图2 9 按式6 4 得到的1 2 个不同点上的水体反射率( 2 0 0 5 年1 2 月1 4 日) 2 1 3 。3 水质参数的光谱特征 固有光学特性是连接水质参数和水体表观光学特性的中间环节，水质参数浓度的变化是 通过影像其固有光学特性而使水体呈现不同的光谱特征。影响水体光谱特征的主要有下述四 类物质：纯水、浮游植物色素( 叶绿素) 、非色素悬浮物以及有色溶解有机物( c d o m ：c o l o r e d d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ) 。 纯水的吸收和散射特性多位科学家都进行了研究，图2 1 0 为水体的吸收系数测量数据， 从这个吸收光谱图上可以看出，在蓝色和绿色波段范围，纯水的吸收很小，从5 5 0 r i m 开始 纯水的吸收系数开始增大，在红色波段范围吸收系数增加显著，在6 1 0 - 6 2 0 a m 和6 6 0 - 6 7 0 n m 波段吸收曲线旱肩状。纯水的散射系数随波长的增加呈单调递减，而在蓝色波段水体的吸收 系数很小，因此纯净水体坚蓝色。纯水散射的类型主要为瑞利散射，但对于本文所研究的淀 山湖与黄浦江上游支干流水体而言，水体的散射是以悬浮颗粒物的米散射为主，纯水的散射 可以忽略不计。 图2 1 0纯水的吸收光谱 浮游植物色素是浮游植物的主要吸光物质，其光合色素主要有叶绿素、藻胆素、胡萝h 2 3 索三类，根据水利部门的数据，黄浦江流域的浮游植物主要是硅藻和蓝藻，叶绿素a 是其中 最主要的色素，对水体吸收特征的影响最大。 叶绿素a 存在于藻类物质中，在6 7 6 n m 附近出现吸收峰，因此在藻类浓度较高时，水 体反射率曲线在这个波段出现谷值。含藻类水体最显著的光谱特征是在7 0 0 r i m 附近常出现 反射峰，其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据。藻类浓度很低时， 这些光谱特征变得不明显，甚至消失。如果藻类物质浓度极高，出现大量漂浮甚至覆盖水面 的情况时，由于藻类细胞在近红外波段的强反射，水面反射率急剧增大。除了叶绿素a 的影 响外，藻类物质对反射率曲线的另一个比较显著的影响是由于藻青蛋白在6 4 2 n m 处的较大 吸收系数，该波长处出现反射率谷值或肩状。 悬浮物的含量、类型、悬浮颗粒的大小等都会对水体的反射率造成影响，悬浮物的吸收 光谱为在蓝色波段吸收较强，随着波长的增加迅速下降，而悬浮物的散射系数和悬浮物的浓 度呈现正相关，体现在反射率上即为悬浮物含量越高的水体反射率越高。 c d o m 常又称为黄色物质，它在紫外和蓝光波段具有强吸收性而使水体呈黄色，国外 学者的研究表明黄色物质的吸收系数曲线可以用负指数模型表示，且其吸收系数的大小随地 域和季节变化。 综合上述水质参数和纯水的吸收特征，可以得出如下结论：短波段( 4 0 0 5 0 0 n m ) 的 吸收光谱是由黄色物质、悬浮物和浮游植物的共同吸收造成的，这使得蓝色波段不是内陆水 体水质参数提取的最佳波段，从绿色到近红外的波段才是从内陆水体反射光谱提取水质参数 信息的最佳波段。 2 2 主要水质参数诊断波谱分析和最佳波段组合 2 2 1 基于实验室透射光谱测定的水质参数估测 在研究初期，本文曾配置了多类水质参数( 如氨氮、总氮、总磷) 的标准贮备液，并以 蒸馏水将其稀释成不同浓度的溶液，利用光度计对这些溶液进行了全波段扫描，发现这些水 质参数的浓度与其扫描光谱具有一定的相关性。 本文在研究中发现，各水样的透射光谱曲线在光谱图的大部分波段内近似的呈平行关 系，而光谱曲线的高低关系，基本上反映了其代表的水样浊度的相对大小关系。透射率相对 较大的曲线，水样浊度一般较小，反之，水样浊度较大，这说明光度计对水样的透射扫描曲 2 4 线和水样的浊度具有明显的相关关系。 图2 1 l 和2 1 2 为黄浦江和淀山湖两次现场采集水样的扫描透射光谱曲线。与实测的浊 度数据对比可以知道，在同一波长处，水样透射率的高低与其浊度大小呈负相关关系，光谱 曲线有交错的，则其代表的水样浊度值一般比较接近。 通常水体的遥感定量监测中，浊度的定量监测最佳波段一般取6 5 0 8 0 0 r i m ，且一般认 为浊度( 或悬浮物) 与反射率存在线性或对数关系。本文在研究中分别以线性函数、二次多 项式、对数函数、指数函数和幂函数的形式对其进行建模，并对结果进行比较，发现人致在 5 5 0 8 4 0 n m 的波段范围内，任一次所采水样的光谱透射率与该批水样的浊度均具有较为明显 的线性关系，且这种关系的相关系数一般都能达到0 9 以上，故而线性模型便足以满足定量 监测需求，且其它函数形式的模型与线性函数模型相比，精度区别微小，因此决定采用线性 函数的形式建立浊度与光谱透射率的模型。 图2 1 1第一、二次所采水样的归一化透射率光谱曲线( 以纯水的透射率为归一化点) 以2 0 0 5 年7 月2 2 日采样所得2 0 个水样的相关数据为例进行分析，对此2 0 个水样的浊 度及其光谱数据进行线性函数形式的曲线拟合，表2 4 为此次采样的水质浊度值和7 0 0 r i m 处 的扫描光谱透射率值。 浊度与光谱透射率的线性拟合结果为： t = 3 5 4 5 8 7 7 0 0 + 3 3 8 1 9 ( 2 1 8 ) 公式2 1 8 的拟合精度很高，置信度取o 9 5 时，相关系数达到0 9 5 3 ，通过显著性检验， 拟合数据的均方根误差r m s e ( r o o t n ”ms q u a r e e r r o r ) 为4 1 7 。图2 1 2 表明了该模型的拟 合情况，表2 5 列出了模型拟合误差。 表2 4浊度与7 0 0 h m 处光谱透射率( 2 0 0 5 年7 月2 2 日) 序号 采样地点浊度7 0 0 n m 处光谱透射率 l淀峰7 90 7 6 4 2 8 2网箱渔场6 8o 7 6 2 2 l 3湖心南区n c w5 8o 7 7 6 2 5 4 白石叽 6 90 7 4 7 5 6 5 急水港桥 8 40 7 2 6 0 7 6四号航标 9 80 6 8 4 0 8 7临时点18 3 0 7 1 9 2 4 8 临时点2 7 80 7 3 8 8 9 9 临时点3 9 10 7 0 7 0 3 1 0 临时点4 8 50 7 1 0 6 9 “ 游泳场 7 2o 7 4 5 7 3 1 2 西闸 8 50 6 9 4 9 5 1 3 湖东北区 8 l0 7 3 1 4 5 1 4 临时点5 8 80 6 9 7 3 9 1 5 临时点6 7 20 7 4 8 9 1 6 赵田湖中心 5 00 7 9 7 2 4 1 7 临时点7 4 60 8 2 3 8 5 1 8千礅港 6 20 7 8 5 4 1 9大朱厍 7 60 7 4 1 7 2 0临时点88 0 0 7 2 8 1 5 1 0 0 o8 0 童6 0 倒 舞4 0 2 0 0 6 0 0 0 0 n6 5 0 0 0 0 7 0 0 0 0 n7 5 0 0 00 8 0 0 0 0 0 8 5 0 0 009 0 0 0 0 7 叫光谱透射率 图2 1 2透射率与浊度拟合曲线( 2 0 0 5 7 2 2 ) 表2 5透射率与浊度拟合模型误差表( 2 0 0 5 7 2 2 ) 序号 观测值拟合值残差标准残差 l7 96 7 2 1 1 8 2 9 26 86 7 9 0 1 o 0 35 86 2 9 _ 4 9 1 2 46 97 3 1- 4 1 1 0 58 48 0 73 3 o 8 69 89 5 62 4 0 6 78 38 3 20 2 o o 87 8 7 6 21 8 o 4 99 l8 7 53 50 9 1 08 58 6 21 2o 3 i i7 27 3 s1 8- o 4 1 28 59 1 86 81 7 1 38 l7 8 82 2o 5 1 48 89 0 9- 2 9o 7 1 57 27 2 6m 6- 0 2 1 65 05 5 55 51 4 1 74 64 6 1- 0 1o o 1 86 25 9 72 3o 6 1 97 67 5 20 8o 2 2 0 8 08 0 o0 0 o o 若不考虑温度及其它因素的影响，以该模型估测1 1 月1 8 日的浊度数据，可以看到实测 值与模型预测值的比较，如表2 6 和图2 1 3 所示。 根据模型预测值和实测值的误差表2 6 和误差图2 1 3 ，可以看出模型的预测精度比较让 人满意，预测结果和实测值吻合性较好，经测算，模型预测值和实测值的相关系数为0 8 5 。 从偏差图上可以看出，总体趋势上，模型预测值比实测值稍稍偏小( 可能是温度和其它因素 的影响所导致) ，预测值的平均偏差为- 3 3 ，与实测平均值偏差6 左右 表2 6浊度预测值与实测值误差表( 2 0 0 5 1 1 1 8 ) 序号采样地点 光谱透射率实测值拟合值残差标准残差 l 游泳场 0 8 0 9 3 35 35 1 2 1 8- 0 2 2 西闸 0 7 8 8 8 25 45 8 5 4 5o 6 3湖东北区0 8 3 4 7 2 4 1 4 2 。21 2 o 2 4 千礅港 0 8 4 9 4 93 63 7 01 0o 1 5赵田湖中心 o 8 2 1 2 95 24 7 05 0- o 7 6湖北区点0 8 5 3 3 92 7 3 5 68 61 1 7 临时点1 0 8 3 0 3 25 54 3 8 1 1 21 5 8 临时点2 0 7 9 4 4 35 75 6 50 5 m 1 9 急水港桥 0 8 5 1 3 24 13 6 3 4 7- o 6 1 0 四号航标 o 8 1 6 8 96 14 8 51 2 5 1 7 l l临时点3 0 8 4 3 5 l4 13 9 11 9 o 3 1 2临时点4 0 8 2 3 3 63 84 6 28 21 1 1 3淀峰 o 7 6 7 2 l5 86 6 28 2l l 1 4 石塘港 o 7 8 4 9 l6 35 9 9- 3 1- 0 4 1 5 网箱鱼场 0 7 9 1 1 47 45 7 71 6 3 2 2 1 6 西旺港 0 7 8 7 7 25 95 8 9- 0 1o 0 1 7 临时点5 o 7 8 4 1 86 76 0 1- 6 9- o 9 1 8自石矶0 8 2 3 8 5 5 74 6 11 0 91 5 1 9临时点60 7 5 3 7 8 8 57 0 91 4 11 9 2 0湖南区点o 7 8 8 0 1 96 8 5 8 89 21 2 图2 1 3浊度模型预测值与实测值的偏差 晕堆* 综合以上的数据拟合结果，可以发现本文利用光度计的扫描光谱建立浊度