（地图学与地理信息系统专业论文）悬浮泥沙浓度遥感反演模式研究.pdf

摘要 本文在总结国内外悬浮泥沙遥感监测的基础上，以长江南京段水域为研究区，对实铡的 水体光谱值与悬浮泥沙浓度回归分析，建立了悬浮泥沙浓度遥感反演模式。 通过研究取得了以下进展： l 、采用野外光谱仪与光电测沙仪同步测量水体的光谱值和悬浮泥沙浓度，对实测数据 回归分析建立悬浮泥沙浓度遥感反演模式。该方法保证了光谱值与悬浮泥沙浓度数据之间 的同步性。 2 、采用n a s a 水休光谱测量新规范( 2 0 0 3 版) 中提出的水体光谱测量方法，分别铡m 水体、天空散射光及标准反射板的辐亮度值，然后根据这几个值计算出离水辐亮度、水体表 面入射辐照度、遥感反射率等参数，最后根据e t m + 传感器的c c d 响应函数计算得到e t m + 各波段的遥感反射率。而传统的水体光谱测量方法。根本无法准确获取水色遥感所需的离水 辐射率、归一化离水辐射率、遥感反射率等参数。 3 、对实测水体光i 普值与泥沙数据统计分析发现，e t m + 各波段光谱值与悬浮泥沙浓度 的相关系数都不大( t m l 为o 5 0 1 8 ，t m 2 为o 0 1 0 6 ，t m 3 为0 1 5 7 0 ，t m 4 为o 7 4 2 2 ) ；而t m 4 与t m i 波段光潜值的比值与悬浮泥沙浓度的相关性系数可达o 9 5 7 9 。 4 、对t m 4 与t m l 波段光谱值的比值与悬浮泥沙浓度进行回归分析，建立研究区悬浮泥 沙浓度遥感反演模式为：s = 3 6 9 1 3 r - 4 - o 6 0 2 8 ( s 为泥沙浓度，r ) j t m 4 与t m t 波段光潜 值的比值) 。通过该模式利用遥感卫星图像对研究区水域进行悬浮泥沙浓度反演，得到该 区水域悬浮泥沙浓度分布图。 关键词：遥感悬浮泥沙光谱值e t m + 传感器 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e g r e s s i o na n a l y s i so f s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n dt h es p e c t r u mo f w a t e rg e t b yo p e n - a i rs p e c t r o m e t e r , a n db a s e do nt h ep r e v i o u sr e m o t es e n s i n gs t u d yo ns u s p e n d e , ds e d i m e n t , t h eq u a n t i t a t i v er e m o t es e n s i n gm o d e lf o rs u s p e n d e ds e d i m e n ti ss e tu pi nt h ep a p e rb yt a k i n g n a n j i n gs e g m e n to f c h a n g j i a n gr i v e ra ss t u d ya r e a ， 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 dc o n c l u s i o n s ： 1 t h r o u g ht h er e g r e s s i o na n a l y s i so f t h ei ns u i td a t ao f s p e c t r u ma n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ， b u i l dt h eq u a n t i t a t i v er e m o t es e n s i n gm o d e l t h i sm e t h o dp r e v e n tf r o mt h ep r o b l e mo f t h ed a t ao u t o f s t e p 2 i nw a t e rs p e c t r u mm e a s u r e m e n t ，a d o p tt h em e t h o dp u tf o r w a r db yn a s a ，e x a m i n eo u tt h e r a d i a n c eo fw a t e r , s k ys c a t t e r e dl i g h ta n ds t a n d a r dr e f l e c t i n gb o a r d ，a n dt h e n c a l c u l a t e w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c e i n p u ti r r a d i a n e eo nw a t e rs u r f a c ea n dr e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c ee t c a tl a s tg e tt h er e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c eo fe a c hb a n do fe t m + s e n s o rb yt h er e s p o n d f u n c t i o n t h a ti st r a d i t i o n a lm d h o dc a n n o td o 3 t h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i so fs p e c t r u m a n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ，f i n dt h a tt h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa l - es m a l l ( t m li s0 5 0 1 8 ，t m2i s0 ，0 1 0 6 ，t m ，i s0 1 5 7 0 ，t m i s0 7 4 2 2 ) b u tt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e ns e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n dt h er a t i o s o ft h e r a d i a n c e so f t m4a n dt mi s0 9 5 7 9 4 t h r o u g h t h er e g r e s s i o na n a l y s i s ，g e tt h eq u a n t i t a t i v e r e m o t es e n s i n gm o d e l ： s = 3 6 9 1 3 r + 0 6 0 2 8 ( s i s t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ，r i s t h er a t i oo f t h er a d i a n c e so f t m 4a n dt m1 ) b yt h i sm o d e ，u s i n gs a t e l f i t ep i c t u r e , g e ts e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nm a p i n s t u d ya r e a - k e yw o r d s ：r e m o t es e n s i n g s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n s p e c t r u m e t m + 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 第一章前言 第一节研究的目的和意义 水体中悬浮物的含量是重要的水质参数，尤其是悬浮泥沙的含量火小直接影响水体的透 明度、混浊度和水色等光学性质，也影响水体的生态条件和河道、海岸带冲淤变化过程， 因此悬浮泥沙含量的调查对河流、海岸带的水质、地貌、生态、环境的研究以及海岸工程、 港口建殴等具有重要的意义。常规的调查方法是用船逐点采样、分析，调查速度慢、周期长， 且只能获得在时间、空间分布上都很离散得少量点的数据而河流、海岸带地区水流情况复 杂多变，悬浮泥沙含量的时间变化率很大，这种在时、空分布上很离散的采样数据，对比精 度很差，使研究者难于对人面积水域悬浮泥沙含鬻的分布平变化有连续性的、同步的准确认 识口“。卫星遥感技术的发展使这一状况得到了彻底的改观，遥感具有大尺度快速同步的特 点f 4 l ，所获得的水体悬沙影像，都是在几秒至几十秒或更短的时问内“瞬时同步”扫描或 摄制的。这种瞬时同步影像，对于研究水面悬沙的输移和沉降是非常直观和有用的资料。 采用遥感定量技术能迅速地获得大面积水域悬浮物质含量的资料，瞬间同步性好，重复获取 数据周期短，能有效地监测悬浮泥沙含鼋分布和动态变化，克服了常规方法的不足具有十 分重要的研究价值。 第二节国内外研究现状 自1 9 7 2 年美国发射的第一颗地球资源卫星( l a n d s a t - i ) 投入使用后，遥感在对地观测 中的作用越来越显著遥感实现了从单波段、单极化走向多波段、多极化、多时相、多模式 发展吼随着波谱分辨率与地面分辨率的不断提高，遥感在各个领域得到了广泛的应用。早 在l a n d s a t - 1 刚刚发射成功w e i s b l a l tea 和y a r g e rh l 等就提出了用l a n d s a t - im s s 遥 感数据定量计算水体悬浮泥沙含量的统计模型，这无疑是最早采用陆地卫星影像进行的遥感 定量工作之一，此后报多学者在这方面进行了很多实验，采_ i j 的遥感手段有m s s 、t m 、 a v h r r 和c z c s 等传感器，采用的方法有相关分析、同归分析等方法。k l e m a s 等人在1 9 7 4 年采用l a n d s a t 多光谱扫描仪m s s 数据探测d e l a w a r e 湾的悬浮物浓度，r o b e rj v o s 等尝试 在北海地区建立了数据集成模型州以监测该海区悬浮物的季节变化【6 4j 。 我国一些研究者从2 0 世纪八十年代初期开始在沿海地区进行悬浮泥沙遥感定量研究， 基于信息源及研究手段的限制。绝人部分利_ i _ i j 陆地卫星( m s s 、t m 、s p o t ) 和气象卫星 ( n o a a ) 多时相遥感图像，根据特定区域的现场实测资料( 与卫星同步或准同步) 建立统 计相关关系 1 0 - 1 4 1 。 1 9 8 0 一1 9 8 1 年期间，悍才兴等选择长江幅l a n d s a t - - 3m s s 遥感图像胶片数字化的灰 度值，直接与地面同步水文测验的表层水体含沙量建立相关关系。 1 9 8 3 1 9 8 5 年期间，国家海洋局组纵有关单位对“六五”国家科技攻关项目“遥感技 术在海洋环境与资源调查中开发的研究”进行安排时，专门组织力量选择长江口及杭州湾两 个海区对悬浮泥沙遥感定量模式进行科技攻关。在技术路线上，提山了禽沙水体反射率或反 射函数f i r ) 概念。通过理论计算、含沙水体光谱发射率实验测试及现场同步测量数据验证相 结合的方法，分别获取了三种不同信息源的悬浮泥沙遥感定量模式： 气象卫星a v h r r 第一通道( o 5 8 0 6 s u m ) 遥感图像定最模式 陆地卫星m s s 多波段比值逐步同门模式 陆地卫星t m 多波段反射率与水体悬浮泥沙经验关系式 1 9 8 6 1 9 9 0 年“七五”国家科技攻关期间，国家海洋局第一海洋研究所以长江口及黄 河口含沙水体为研究对象，以海洋光学理论为基础，以实验室和现场测量为手段，着重讨论 含沙水体的固有光学性质、反射率波谱特征和最佳遥感波段，在此基础上提出适合于我国河 口高浓度禽沙水体遥感定量模式和基本算法。 近几年，李炎等人在珠江口地区，利用n o a a a v h r r 与准同步测量的泥沙含量，建立 悬浮泥沙浓度与n o a a a v h r r 第1 、2 波段离水反射率差值之间的函数并在此基础上建 立了ar 1 r 2 算法( 斜率法) 1 1 1 6 】：李四海等在长江口以a v h r r 、s e a w i f 数据对泥沙进行 监测，建立了该区域的监测模型1 17 - i s ：国家卫星海洋廊川中心、国家海洋技术中心等单位在 渤海、黄海也进行了大量的实验，建立了悬浮泥沙反演模型，并应用于我国的第一颗海洋卫 星“h y l ”上i 。 总之国内外对遥感反演泥沙含量已经做了很多的研究工i 作但是如何建立一种通用模 式，如何进一步提高模式的精度，则是很多遥感，i ：作者仍在满心研究的问题。目前人部分研 究是基于对卫星图像的灰度值和准同步的悬浮泥沙之间进行回归分析建立定量关系该方法 还存在一些不足：一，图像的灰度值并不能真实的代表水体信息，没有考虑大气等因素对图 像的影响；二，图像与悬浮泥沙资料不同步，大大降低了模型的可靠性。要有效的利用卫星 遥感提取悬浮泥沙的有关信息。就必须对不同泥沙浓度水体的光谱进行深入的了解研究代 2 表水体信息的遥感反射率与悬浮泥沙浓度之间的关系。 第三节研究思路与内容 本文总结了国内外遥感测量悬浮泥沙含量的研究进展。以往的研究在水体光谱值的测量 及悬浮泥沙与遥感数据之间的同步性存在不足，很多人在进行水体光谱测量中，认为水体的 反射率可直接由垂直测量的水体目标测量值与标准板的测量值相比得到，没有考虑大气散射 对测量值的影响1 2 0 - 2 4 1 。笔者以长江南京段为研究区。介绍了水体光谱值测量时对观测几何角 度及仪器参数设置的要求通过对同步测葬的光谱值与悬浮泥沙值的回归分析，建立了悬浮 泥沙遥感反演模式。具体思路是：在测量水体光谱值时，同时测嚣天空散射光及标准反射板 的光谱值，由天空散射光及标准反射板的光谱值可得出水体的离水辐亮度和水面入射辐照 度，离水辐亮度与水面入射辐照度之比为水体的遥感反射率，把遥感反射率等效计算出 e t m + 传感器相应务波段反射率，选择对悬浮泥沙比较敏感的波段，与同步测量的泥沙浓度 建立悬浮泥沙浓度遥感反演模式，见图1 1 1 ： 图1 1 1 研究思路与步骤图 本研究的主要内容包括： 、 1 ，遥感反演悬浮漉沙的研究背景和意义及国内外研究现状： 2 、水体光谱值的特点，避开太阳直接反射的光谱测量时仪器设置角度去除天空漫散 3 射的离水辐射亮度及遥感反射率的测算： 3 、野外数据的采集，光电测沙仪、光谱仪测量泥沙浓度与光谱值时，仪器参数设置及 测量步骤； 4 、分析悬浮泥沙浓度与光谱值之间的芙系，分别建立了单波段线性同归、两波段线性 回归、两波段比值、仿n d v i 等模式，对比分析各模式的均方误差与平均绝对误差，选取两 波段比值模式为研究区的悬浮泥沙浓度遥感反演模式； 5 、利用e t m + 数据对长江水域悬浮泥沙浓度进行反演。 4 第二章悬沙水体的光谱特点及遥感反射率测算 第一节悬沙水体的光谱特点 一、纯水的光谱特性 纯水是指化学纯的h ，d 其中没有任何溶解的和悬浮的物质。对纯水的光学特性的研 究，从1 9 世纪末就开始了，经过1 0 0 多年的历史，很多研究者在理论计算和光谱测最两方 面都取得了很多成果。通过测量，c l a r k e 等人给山的纯水光谱吸收结论：在可见光谱区， 蓝光透视率最大，红光衰减率最强；与散射比较，纯水对光的衰减主要是吸收引起的，在 红外光谱区，相对于吸收而言，散射影响可以忽略。由于选择吸收效应，纯水在7 5 0 - - 7 6 0 n m 处出现吸收最大值，在其它波段存在若干窄的吸收带口j 。 图2 i - - 1 纯水的吸收光谱曲线2 i 波长( n m ) 3 0 衢 薹 丑1 5 蘸 1 0 5 0 4 0 05 6 7 0 0 8 0 09 0 0 i 长口n ) 图2 1 2 纯水的反射光谱曲线1 2 5 j 二、悬沙水体光谱特征 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强。特别是到了近红外波段，吸收就 更强。正因为如此在遥感影像上，特别是近红外影像上，水体节黑色。但当水中含有其他 物质时，反射光谱曲线会发生变化当水中含混沙时，由丁泥沙的散射作刚，可见光波段反 射率增加，峰值出现在黄红波段区【4 】。有关悬浮水体( 即富含泥沙) 的光谱特性，国内外已 有较多的测量研究。1 9 9 3 年，m e t r e s 等在利用陆地卫星影像估算弧马孙河湿地水体表层含 沙量时，进行了光谱反射率的实验研究 9 1 。1 9 9 4 年，h , a n 羽r u n d p v i s t 设计8 5 4 3 升体积( 蚝 3 6 6 m ，商9 1 m ) 的塑料水池，研究不同浓度范围2 0 个级别含沙量与水面光场及水中光场的 相关关系【2 6 lo1 9 9 8 年，傅克忖与荒川久幸在东京水人学馆山权试验场的露天水池中进行含 沙水体不同波段反射比分布特征的试验 2 7 1 。归纳起来，含有泥沙的浑浊水体与清水比较， 光谱反射特征存在以f 特点： 悬沙水体的反射波谱曲线整体高于清水。且随着悬浮泥沙浓度的增加，差别增人。 波谱反射比的般峰特征。悬沙水体的波谱反射曲线有明显的双峰特征，主反射峰值出 现在5 6 0 一一5 9 0 n m 波段内；次级峰位于红外波段7 6 0 一一11 0 0 n m 波段内。水体中含沙量低 时，第一峰值高于第二峰值；随着含沙量增加，第二峰值逐渐突出，井最终略高于第一峰值。 6 波谱反射峰值向长波方向移动( “红移”) 。清水在7 5 0 n m 处反射率接近零，而含有泥 沙的浑浊水至9 3 0 n m 处反射率才接近丁零，当水体中悬浮泥沙含量增加时，光谱的峰值波 长逐渐由短波向长波方向漂移，即所谓的“红移”现象，并且当悬浮泥沙浓度达到某一值时， 红移就停e 。也就是说，“红移”存在一个极限波长。对该极限波长，不同的研究者有不同 的结果，对应的悬沙浓度也不尽相同。同时悬浮泥沙浓度与光谱反射率发生峰值存在良好的 相关性，我国学者陈涛等在黄海入海口进行实验发现：在高浓度悬沙情况相关系数可达 0 9 9 1 28 1 。 悬浮泥沙浓度的增加，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。 波妖较短的可见光如蓝光和绿光对水体的穿透能力较强，可反映山水面下一定深度 泥沙分布状况。在洪泽湖的试验表明，5 0 0 n m 一- - 6 0 0 r i m 的影像可反映2 5 m 水深的泥沙； 6 0 0 n m - - - - t r i m 的影像可反映i 5 m 水深的泥沙；7 0 0 n m 一- - 8 0 0 n m 的影像可反映o 5 m 水深 的泥沙；8 0 0 n m 一一11 0 0 r i m 的影像仅能反映水面o 0 2 r a m 厚水层的泥沙分布状况。因此，以 不同的波段探测泥沙可构成水中泥沙分布的立体模式。 5 0 0 6 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 1 t 0 01 2 0 0 波长( n m ) 图2 1 3 悬沙水体与纯沾水体反射率比较 第二节水体光谱测量要求 水体可见光遥感即水色遥感的基础之一是对水体光谱特征正确把握。水体光谱特性应 该包括两个方面；表观光学特性( a p p a r e n to p t i cp r o p e r t i e s ，h o p s ) 和周有光学特性( 1 n h e r e n t o p t i cp r o p e r t i e s ，l o p s ) a 所谓表观光学特性量是指随入射光场变化而变化的水体光学参数， 如向上辐亮度、辐照度、漫衰减系数等；固有光学特性最是仅与水体成分有关的光学最，如 光束衰减系数t 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。 与水色遥感直接相关是表观光学特性量，其光谱的测最从方法上可分为两类：剖面法和表面 法。剖面法是由水r 光场测最外推得到水体表面信号，同时可以更好地刻画出水体光场垂直 变化。采用的仪器昂贵、操作、布放复杂，且一般只能用于水深人于l o m 水体。表面法是 采用与陆地光谱测量近似的仪器，在经过严格的定标的前提f ，通过合理的观测角度安排帛f 测量积分时间设置，也可以得到上述儿个主要的表观光学观测量。在一类水体，剖面法是国 际水色遥感界推荐的首选方法；在二类水体，目前唯一有效的方法是表面法 2 0 - 2 4 j 。 一、水色遥感的基本参数 水色遥感是将卫星图像经大气校正，得到刚好在水面以上的离水辐亮度l 、( 太刚真射 光经折射穿过水面，在水中向下传输中受到叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等水色因子的影响， 其中部分后向散射经折射离开水面，向上传播，这部分为离水辐射1 2 9 。0 1 ) 和归一化离水辐亮 度l w n ( 归一化离水辐亮度魁消除入射光场的影响使不同大气条件卜观测的数据具有可比 性其公式为：l w n = l w f o e d ( o + ) 。其中f o 为平均日地距离大气层外太阳辐照度，e d ( o + ) 为 水面入射辐照度”) ，再由归一化离水辐亮度直接反演水体信息；或由归一化离水辐亮度和 大气参数得到遥感反射率r ，。( 即离水辐亮度与恰在水面上入射总辐照度之比) ，再由遥感反 射率反演水体信息【32 。”】。所以归一化离水辐亮度和遥感反射率是水色遥感反演水体信息的基 本参数。本研究中就是通过水体的遥感反射率与泥沙浓度的相关分析，建立悬浮泥浓度沙遥 感反演模式，故光谱测量必须能得到水体的遥感反射率。 二、常规光谱测量方法 目前开展的很多水体光谱测量，是将仪器在船边垂南向f 进行测量，然后把水体目标 的测量值k 与标准板的测量值l 口的比值，作为所谓的“水体反射率”的测量值，即： p t = l l l , p ( 2 1 ) 其中，l 【为面向水体测量得到的信号。l 。为折合到i o o 反射率板的信号。由于水体的 信号非常低。就错误地认为，测量时须采i | 很长的积分时间和自动积分时间调整；又认为， 因采用比值而可以不对仪器进行严格的辐射标定。 由于水面以上的光谱辐亮度信号组成是： l 3 w = l w + r l s k y + l 眦+ l g( 2 2 ) 其中：l s 。是总信号：l w 是进入水体的光被水体反射同来进入仪器的离水辐亮度，rl 。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 w c 是水面自帽的信号，l g 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 ，2 - - 1 。 口 仪器接收的辐射 图2 2 - - 1 水体信号构成1 5 7 i 所以这种测量存在严重的问题： 在船边垂直向下观测的数据，受船体( 船体破坏了水体光场分布) 、太阳直射反射的 影响非常大； 不对天空光进行测量，无法分离携带水体信息的离水辐亮度与不带任何水体信息的 水表面反射信息； 由于水体反射较低，往往采川自动或很| 王= 的积分时间，导致严重的太阳直射、反射 信号污染。 三、n a s a 水体光谱测量规范 利用光谱仪进行水面以上的光谱测量，其目的是利用便携式瞬态光谱仪和标准板，导出 离水辐亮度l w 、j i | 一化离水辐亮度l w n 、遥感反射率r 。等参数。而常规的测量方法无法准 确的获取该参数，n a s a2 0 0 2 年、2 0 0 3 年版海洋光学规范提山了水体光谱测罱新规范，对 水体光谱测鼍中的观测角度及仪器参数设置进行了规范要求”】。 1 、观测角度 因为离水辐亮度l w 在天顶角0 - - 4 0 0 范同内变化不人，所以为避开太刚直射反射和船舶 阴影对光场的破坏，在现场船舶上的观测角度最好按以f 方式设定( 以f 角度都是以光线矢 繁的走向为依据) ： 仪器观测平面与太阳入射平面的夹角9 0 0 卸，_ 0 ( 4 1 ) 嘏 变化率不是常最，而是随s 的增加而减少：s 低时变化率大，s 高时变化率小。即 塑 o ( s = o ) l i m p ( s ) l ( 4 - 3 ) n 呻 总之，r 的特征可以简单归纳为：一个值域在( o ，1 ) 之间的单调有界函数。有了 这些规律，就可以指导我们依据卫星遥感技术，建立比较精确的悬浮泥沙提取模式。 2 、遥感探测理论基础 来自人气外层的太阳光通过大气的瑞利年i l 气溶胶散射，其中一部分返同到卫星传感器， 部分直射和漫散射到达水面。到达水面的直射光，其中一部分由i ：镜面反射穿过人气到达 。p 星传感器；另一部分经水面折射穿过水面，在水中义受到水中1 1 i 绿素、悬浮泥沙利黄色物 质等颗粒的散射，后向散射部分经水面折射离开水面，穿过人气到达卫星传感器。进入水体 中的另一部分继续向下到达真光层深度，或到达水底又部分反射，经折射到达卫星传感器。 综上所述，到达卫星传感器的辐射最为： l f = l r + 口+ l 丌+ l w + l ( 4 4 ) 。为1 1 星传感器接收到的总辐射；，为来自人气瑞利散射；l 。为来自人气的气溶胶散射： l ，为来自水面太阳反射：l 。为离水辐射；“为来自水体底部的反射。其中离水辐射l 。是 由于水体中的悬浮泥沙等物质的散射发山的，所以悬浮泥沙浓度的人小直接影响了离水辐射 的大小，从而影响了卫星传感器接收总辐射的人小，冈此悬浮泥沙浓度与卫星接收的辐射信 号之阃存在一定的关系。若从水体和大气辐射传递的机理出发研究火气、大气一水、水体 次表面的辐射传递方程将会建立准确的悬浮泥沙遥感反演模式。 近些年来，国内外海面水体悬浮泥沙遥感定最研究i _ 作中提出的一系列模式，主要就在 于确定反射比r 、泥沙浓度s 两者之间的函数关系。目前有两种形式：一是理论模式，通过 光辐射在水中传输特性产生的效应与悬沙遥感数据建立相关关系；二二是经验模式，通过遥感 数据与地面同步或准同步测量数据建立相关关系式。目前国内外都有一些水面悬浮泥沙遥 感的理论和经验的模式投入实际应用。 二、悬浮泥沙遥感理论模式 所谓理论模式是以大气物理拳| 水体光学的一些基本概念为依据，从理论上导出反射比随 悬浮泥沙浓度变化的基本关系。根据辐射在水中传输的特征，建立反射率r 与吸收比、后 向散射比等水体闻有光学特性之间的定量芙系：然后确定泥沙浓度s 与吸收比、散射比等的 关系，根据这两个关系。导出含沙量遥感信息模式。 水体是一种吸收、散射介质，可t i ： j 经典的辐射传输方程描述辐射在水中的传输 兰! ! ：! ：! j ! 塑堕= - j ( z ) 上( z ，口，多) + ，( 毛口，庐) ( 4 - 5 ) r 式中右边第一项代表衰减损火，第二项代表散射辐射增餐。三，( z ，口，矿) 为水深z 处与辐射 方向夹角为口、方向角为庐的方向上的辐射亮度：p ( z ) 是水深z 处的衰减比；是路径变 量。三，( z ，口，庐) 为路程函数，由f 面的积分给出，即 ，( z ，口，) = 垂o p ( o ，妒，口，) ( z ，目，) s 瑚d 口彤( 4 巧) 式中p ( o ，口，矿1 ) 为体积散射函数。解由两式组成的方程，即可建立水体同有光学特性 和反射率或向上辐照度之间的定量关系。由丁两式过于复杂，直接求出分析解比较困难一 般都是对之进行一定的假设、简化，然后解山上述方程。 i 、g o r d o n 公式： 一些研究者从水体光学理论和模拟实验两个方面进行了探索，建立了一些理论模式。如 g o r d o n 方法解辐射能传输方程i ”l 。得到类似。r 幂级数的关系式： 肛塾t 羔，”， 式中，吐是吸收比 玩是后岛散射比；r 为光谱反射比：a 。为常数。 m u n d a yjc 锝取上式的第一项反射比的近似值，即 r “。鑫件s ， 然后假设；吸收比口和厉向散射比孱均为泥沙浓度s 的近似值，即 口= g i + 执s f ( 4 9 ) 卢= 8 2 + b 2 s 代入上式：再设代表水分子散射的a 2 很小，可忽略不计，最后，得到g o r d o n 公式： r ：c + l( 4 1 0 ) 式中，a ，b ，c 均为常数。 m u n d a y 等还h 】加拿人新斯科舍省芬地湾的实测数据对该式进行了验证，弗与经验公 式进行了对比，结果表明，该式的精度不如对数公式。分析其原网，至少有两点：首先，该 式是从近似式( 4 培) 推出的，而w h i t l o e kc h 的研究表明，含沙水体的r 值与i 笔裔之间 的关系具有明显的1 线性特点，说明对水体来说，采用( 4 8 ) 式作为( 4 7 ) 式的近似式精 度不够，当s 值较大时非线性项的影响很明显；其次，( 4 - 8 ) 式是在假设水体光学性质完 全均一的情况下得到的对含沙水体来说这一点是不成立的，泥沙浓度在垂向上明显的变化 会使得水体光学性质在垂向上有明显的变化。 2 、负指数关系式： 考虑到含沙水体光学性质的垂向变化，在推导该关系式时，不采用均匀模型，而是用平 面分层模型，认为水体的光学性质随水深变化是水深z 的函数。在解辐射传输方程时， 假设辐射在水中是以漫入射形式向下传输的，即辐射亮度l 与o 、妒无关，可以只考虑向 下辐照度e d ( z ) 与深度z 的关系，e d ( z ) 代替( 4 - 9 ) 、( 4 1 0 ) 式中的r ，则水深z 处有 丁d e a ( z ) = 州z ) 以z ) + 巨。胛，舻，矿) 地，鲫) s i n o d o d = 一( z ) e d ( z ) + ，( z ) e d ( z ) d ( 4 - 1 1 ) 式中向下辐照度e d 、衰减比、向前散射比r 都是水深z 的函数。经过计算可以 推出反射率r 与泥沙浓度s 之间的定量关系： r = 爿+ 口【l - e x p ( 一k h s d ) 】 ( 4 一1 2 ) 由此式可以看出，反射率r 与泥沙浓度s 是一种负指数关系。 最后可以推导山泥沙浓度s 与辐亮度l 之间的定量关系式 s = a p + b p i n ( d p 一) ( 4 1 3 ) 式中，4 ，= 可i n b l 、b ，= 一面1 、。，= 以+ 巩其中4 、巩为常系数，。= 舳d ( h 代表穿透深度d 代表颗粒直径，k 为系数) 。 3 、悬浮泥沙遥感定量的统一模式 黎夏则提出了悬浮泥沙遥感定量的统一模式： l = g o r d o n ( s ) + i n d e s ( s ) = a + 8 i s ( g + s ) + c l s ( g + s ) 】e 一( 4 - 1 4 ) 其中a 、b 、c 为相关式的待定系数，s 为泥沙浓度，g 、d 为待定的系数。s ( g + s ) 和 【s ( g + s ) e - “为相关项。该式包含了g o r d o n 式平负指数式。在麻用中，利_ l j 多元相关 的同归程序，进行运算选取合适的g 、d 值，使得相关系数最高。 4 、其他模式 我国较甲进行悬浮泥沙遥感定量研究的华东师范人学河口海岸研究所，也通过理论模式 导出j 理论半经验模式： s = 【l ( a 一6 尺) r ( 4 - 1 5 ) 其中r 为光谱反射率，s 为泥沙浓度。运用于k 江口，杭 湾和鸭绿江等河口海域的海面悬 浮泥沙遥感定餐研究，其相对误差为1 0 。 另外国家海洋局第二海洋研究所，在可见光范罔肉，由悬浮泥沙的光辐射特性，通过薄 水层上辐射传递的理论模型，推导出r s 关系式： 肛“去k s c 2 b o b i s + b 0 2 ，刊邶k s s 式中a 、b 项可由遥感监测区水域波谱和悬浮泥沙的实测数据同归统计获得。运用丁杭州湾 海域悬浮泥沙遥感反演，采用n o a a 气象卫星a v h r r 影像中对悬浮泥沙最敏感的c h l 波 段进行计算，遥感悬浮泥沙定量值与海面悬沙浓度实测平均值相对误筹为1 7 6 。 三、悬浮泥沙的经验模式 经验模式主要有线性关系式、对数关系式、多波段关系式等，其构造方法是类似的，即 根据经验，用某种已知形式的函数对实测的反射率r 与泥沙浓度s 值进行相关分析t 若相 关系数高，就认为该函数近似予所要求的关系式，因此统称为经验天系式。 1 、线性关系式 线性关系式最早为w e i s b l a t i e a 等人提山，表达式为 尺= 彳+ b s ( 4 1 7 ) 式中，r 为某一波长处的光谱反射比：s 为水体含沙量；a 、b 为两常量【47 1 。该式只是个很 粗略的近似。 2 、对数关系式 对数关系式最早为k l e m a s v 等人提出表达式为： 式中，a 、b 为两常系数，且 尺= 爿+ b i n s( 4 1 8 ) 塑：曼 0( 4 1 9 ) 础s 华：乓 o ( 4 2 0 ) d ss 可知：r 随s 的变化率是随着s 的增加而减小闻此更接近实际情况，从而得到了j 泛 的应用。 3 、多波段关系式 多波段关系式是考虑妒与n 个波段的反射比b 或者辐亮度l ，的某种组合之间关系，最 早为y a r g e r h l 等提出。以后很多研究者提出了自己的多波段关系式，其形式儿乎都有所不 同，可大致归纳为以卜儿种形式。 线性组合 s = 一+ b 。r ， ( 4 - 2 1 ) 多项式 s = 爿+ ( 口，r ，+ c 。r ，2 ) ( 4 - 2 2 ) f - 1 比值 s = a + b ( r t 尺2 ) ( 4 - 2 3 ) s = 爿+ 嚣( 焉+ r 2 ) 玛 ( 4 - 2 4 ) k s = a + b ( r 1 ，如) ( 4 - 2 5 ) s = f ( r ，_ r 。) ( 4 2 6 ) ，= 1 非线性组合 s = ( r l 一彳) ( b r 2 ) ( 4 2 7 ) 采j _ l j 多波段关系式主要基丁这样的考虑：各干扰因素对几个波段的影响相互之间有一定 的关系。t l = 多波段组台的方法有助了：消除这些影响，以便提高悬沙遥感监测模式的精度。 第二节遥感定量模式建立 一、悬浮泥沙遥感监测敏感波段选择 由悬沙水体的光谱曲线特征可知，随着水体中悬沙浓度的馥变，各波段上的反射率的改 变是不一样的，有的波段改变犬，说明该波段包含入瓷旌沙信息，对泥沙变化反映敏感：而 有的波段基本不改变，即该波段不含有悬沙信息所以对水体泥沙浓度敏感的波段选择是片= | 遥感监测悬浮泥沙的基础年i l 前提，各种传感器对光谱波段的- 蛀置是不同的，要进行有效的悬 沙监测研究就必须首先确定选刚哪个波段作为j ：作的基础。一方面要考虑卫屁上传感器的 特点，另一方面要考虑野外光谱仪的特点，并把两翥的波段协调考虑，确定悬浮泥沙遥感监 测的敏感波段。 奉次采集野外光谱数据的光谱仪波段范匍是3 8 0 1 0 5 0 n m ，采_ 【_ f j 的下星图像是e t m + 数据，囡此在选取敏感波段时只能在两者的交集中选取，即e t m + 数据的蓝、绿、红、和 近红外四个波段。选取的方法是求算水体的泥沙浓度与各波段的遥感反射率之间的相关性 取其相关性较人的波段为悬浮泥沙遥感监测敏感波段。 表4 2 - 1 为该研究区水域各样点的遥感反射率与悬沙浓度数据，我f | 分别以悬沙浓度 s 、l n ( s ) 为冈变最y ，以各波段的遥感反射率为自变量x 。以y = a z + 口为回归方程， 进行回归分析。t m t t m t 波段的遥感反射率与悬浮泥沙浓度s 、l n ( s ) 之间的相关系数 见表4 2 - - 2 。 表4 2 1 各样点遥感反射率与悬沙浓度数据 0 0 1 5 7 2 o 0 1 4 4 4 0 0 1 6 9 3 0 0 1 5 3 5 0 0 2 5 5 7 0 0 2 9 l l 0 0 3 9 0 8 0 0 3 7 7 6 0 0 1 4 8 40 0 3 9 5 9 0 0 12 8 70 0 3 5 9 8 o 0 1 5 2 800 1 1 4 0 0 2 2 7 3 0 0 3 3 8 5 0 0 3 4 4 6 0 0 3 9 2 3 0 0 3 7 4 l o 0 1 5 3 7 0 0 2 2 5 9 0 0 2 3 8 9 o0 3 1 4 8 0 0 3 3 0 0 0 0 i1 0 50 0 31 4 9 0 0 3 3 2 40 0 3 0 9 2 0 0 1 0 8 60 0 3 1 0 4 0 0 3 3 7 70 0 3 3 7 2 2 8 5 6 9 2 3 7 5 3 5 1 4 6 6 4 0 1 5 4 7 2 0 0 7 2 0 6 7 3 0 4 5 5 8 9 0 5 7 4 4 3 0 6 6 8 7 6 0 7 3 8 1 5 0 8 5 7 7 4 8 7 6 7 6 40 9 4 2 8 8 1 0 7 2 3 4 0 1 0 3 0 3 3 1 1 8 6 6 2 31 0 7 4 3 i 9 0 0 0 8 5 90 0 2 6 0 10 0 2 9 5 5 0 0 3 1 2 91 4 0 5 8 1 11 1 4 7 9 2 1 00 0 0 8 0 0 0 0 2 4 4 70 0 2 8 3 10 0 3 1 2 01 7 4 8 5 8 6 1 2 4 2 6 9 表4 2 2 各波段遥感反射率与悬沙浓度的相关系数 r t m i r t m 2r t m 3 r t m 4 悬沙浓度( s ) 0 5 5 8 7o 1 2 4 50 0 5 3 4 0 6 1 9 0 l n ( s ) o 5 0 1 8o 0 1 0 6 0 1 5 7 007 4 2 2 由表4 2 2 中数据可知：t m l 、t m 波段的遥感反射率与悬沙浓度有较高的相关性 我们选取t m l 、t m 4 俩波段对悬浮泥沙监测。 2 3 4 5 6 7 8 00 0 0 50 0 1 0 0 1 50 0 20 0 2 50 0 30 0 3 50 0 4 t m l 的反射率 图4 2 - - 1t m 波段反射率与悬沙浓度s 同门方胖 3 5 3 2 5 0 0 2 0 0 30 0 4 t m 4 的反射率 图4 2 - - 2t m 4 波段的反射率与悬沙浓度l n ( s ) 同! j l 方秽 二、悬浮泥沙遥感反演模式建立 由第一：仙的结论知：t m i 、t m 一两波段能较好的反映水体悬浮泥沙禽颦的信息故笔者 通过实洲数据( 样点数据为4 0 个，其中2 4 个川1 生分析建立模式，1 6 个做验证分析用) 分 别进行不同的回归分析，进行对比分析，选取最优的为该区悬浮泥沙迢感反演模式。 加懈埔m 挖m 8 6 4 2 0 避艇套啪 0o o 2 5 l 5 o 1 o 一一c 一 1 、单波段线性回归 t m 4 波段的遥感反射率与泥沙浓度的相关性晟高，建立r t m 4 与l n ( s ) 的回归模式为： 。l n ( s ) = 3 9 2 7 3 r + o 7 1 0 3 ( 4 - 2 8 ) 其中s 为泥沙浓度、r 为t m 4 波段的遥感反射率， 2 、两波段线性回归 采用t m i 、t m 4 波段的遥感反射率与泥沙浓度建立相关分析回归模式： s = 1 9 9 9 1 2 1 3 2 9 r + 1 6 2 4 7 r ，( 4 - 2 9 ) 其中s 为含沙量、r l 、r 2 为t m l 、t m 4 波段的遥感反射率。 3 、采用两波段比值建立模式 分别采用r t m i r t m 4 、l n ( r t m l ，r t m 4 ) 、r t m 4 爪t m i 、l n ( r t m 4 r t m l ) 与泥沙浓度s 、l n ( s ) 进行相关分析，选取相关系数最大的建立两波段比值同门模式。 表4 2 - - 3 比值模式各相关系数 sl n ( s ) r t m l r t m 4 0 6 ：2 4 1 0 7 2 0 3 l n ( r t m j r t m 4 ) 0 8 4 31 r r u d r t m ,o 9 5 7 9o 9 4 4 2 l n ( r t m d r t m i ) 0 8 4 3 2 0 8 9 9 3 由表4 2 3 中数据可知泥沙浓度s 、r t m d r t m l 之间的相关系数最人，建立两者之间 的回归分析模式为： s = 3 6 9 1 3 r + 0 6 0 2 8( 4 3 0 ) 其中r 为r t m d r t r t 3 魁 蠖 螭 2 0 1 5 1 0 5 o 0 2 34 5 r 4 r l 图4 2