（地图学与地理信息系统专业论文）悬浮泥沙光谱特性及其浓度的遥感反演模式研究.pdf

中文摘要 本文在总结国内外悬浮泥沙遥感监测的基础上，以海安新北凌闸外潮沟为研究采样区， 进行悬沙水体光谱反射率的测量，同时采集所测点近表层的水样，以获得不受大气影响的光 谱反射率和同步水体悬移质泥沙浓度、粒径等悬沙物理特征。用野外沙样在实验室配置不同 粒径、不同浓度等级的悬沙水样，研究悬沙水体的光谱反射率随着浓度和粒径变化的变化规 律，选取悬沙敏感波段，在固定粒径的条件下建立了遥感反射率和悬浮泥沙浓度的定量关 系。在此基础之上，以野外实测的光谱反射率和悬沙中值粒径建立悬浮泥沙浓度的反演模式。 通过研究取得了以下进展： 1 、悬沙水体反射光谱特征的研究，及由此建立的水体光谱反射率和悬沙浓度之间的数 值关系，为利用遥感技术探测河口、海岸、湖泊水深做了基础性的尝试，取得了令人满意的 效果。 2 、采用n a s a 水体光谱测量新规范( 2 0 0 3 版) 中提出的水体光谱测量方法，分别测出 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遥感反射率。将光纤 光谱仪用于悬沙水体的光谱测景，并且和地物光谱仪同步进行光谱数据的采集。通过比较分 析发现光纤光谱仪水面之f 的测量值和地物光谱仪计算出的悬沙水体实际反射率值接近。 3 、进行悬沙水体光谱特性研究。随着水体含沙量的增加，各波段的反射率都普遍增大， 但随悬沙浓度的增加其增幅并不相同，悬沙水体的反射率具有“双峰”特征。悬沙的粒径和 反射率呈现一种负相关的趋势，相同浓度的悬沙水体，粒径较大的反射率较低。根据水体光 谱反射率与泥沙浓度之间相关系数和悬沙的光谱特征选取悬沙浓度反演的三个敏感波段 7 3 0 7 5 0 n m 、8 0 0 8 2 0 n m 、9 0 0 9 3 0 n m 。 4 、利用实验室实测的悬沙水体的反射率r 和对应的悬沙浓度s ，在固定粒径的条件下 ( d 5 0 = o 0 3 2 r m a ) 建立悬沙浓度反演的敏感波段模型和主成分模型。将粒径因子引入到浓度 反演模型中，构建变量r = r d ，以野外实测悬沙水体的光谱反射率r 和每个样本对应 的t 为因子建立悬沙浓度反演的敏感波段模型和主成分模型。由于主成分分析法能很好的 获取多通道悬沙水体光谱反射率信息，因而其模型的反演能力优于敏感波段模型。 - x - - t a i 司：遥感；光谱反射率；悬浮泥沙浓度；中值粒径；遥感反演模式 a b s t r a c t 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 nm e a s u r i n gs 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 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 st h es t r o n gp o s i t i v e r e l a t i o n s h i pt h a te x i s t sb e t w e e ns s ca n dr e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c e ( r ) t h i sp a p e rt a k e st i d a l c r e e ko u to ft h en e wb e l l i n gg a t ei nh a i a nc o u n t yj i a n g s up r o v i n c ea ss t u d ya r e a ，m e a s u r i n g s p e c t r a lr a d i a n c eo fs u s p e n d e ds e d i m e n t sw a t e ra n dc o l l e c t i n gs 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 d a t as i m u l t a n e o u s l y l a b o r a t o r yb a s e ds t u d i e sr e l a t e dt orr e s p o n s eo fs u s p e n s i o n sc a r r y i n gt h r e e d i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s ，a n dc o n c e n t r a t i o nu s i n gs u s p e n d e ds e d i m e n t si ns i t u ，b a s e do nw h i c ht h e a u t h o rc h o o s e so p t i m a lw a v e l e n g t h sf o r t h ee s t i m a t i o no fs s ca n dr e v e a l st h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nra n ds s cf o rag i v e ns i z e q 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 sf o rt h e p r e d i c t i o no fs s ch a v eb e e ne v o l v e dw i t hd u ei n v o l v e m e n to ft h em e d i a nd i a m e t e r ( d s o ) o f s e d i m e n t 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 ec h a r a c t e r i s t i c so fr e f l e c t e ds p e c t r u mo fs u s p e n d e ds e d i m e n ta n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nra n ds s ci m p r o v et h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gw a t e rd e p t hi nr e m o t es e n s i n gm e t h o d 2 t h ea u t h o ra d o p t st h em e t h o dp u tf o r w a r db yn a s ai nw a t e rs p e c t r u mm e a s u r e m e n t ， e x a m i n i n go u tt h er a d i a n c eo fw a t er ，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 da n d c a l c u l a t i n gt h er t h ef i r s t t i m ef i b e rs p e c t r o m e t e ri su s e di ns u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e r r e f l e c t a n c em e a s u r e m e n t t h r o u g hc o m p a r i n gr e s u l t sf r o mt w os p e c t r o m e t e r s ，t h er e f l e c t a n c e m e a s u r e du n d e rt h ew a t e ru s i n gf i b e rs p e c t r o m e t e r ss i m i l a rt ot h ea c t u a lr e f l e c t a n c ec a l c u l a t e d f r o mt h ed a t am e a s u r e db yt h ef i e l d s p e eh a n d h e l ds p e c t r o m e t e r 3 r e f l e c t a n c eo fa l lw a v e l e n g t h sf o ra n ys i z ei n c r e a s e sw i t hs s cr i s i n g ，b u th a sd i f f e r e n t i n c r e a s i n ge x t e n t s 1 1 1 er e f l e c t a n c ec u r eo fs u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e rh a st w op e a k s r e f l e c t a n c e a l s oi n c r e a s e sw i t had e c r e a s ei np a r t i c l es i z e si nt h es a m es s c a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa b o u t t h er e f l e c t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f s u s p e n d e ds e d i m e n tw a t e ra n dt h ec o r r e l a t i o nc o o f n c i e n tb e t w e e n ra n ds s c ，b a n d sf r o m7 3 0 7 5 0 h m ，8 0 0 8 2 0 n ma n d9 0 0 9 3 0 n mw e r es e l e c t e da st h eo p t i m a l w a v e l e n g t h sf o r t h ee s t i m a t i o no fs s c 4 q u a n t i t a t i v em o d e l sb e t w e e nra n ds s c f o rag i y e ns i z e ( d s o = o 0 3 2 n m ) b i - cs e tu pb a s e d o i lt h ed a t am e a s u r e di nl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s q 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 sf o rt h e p r e d i c t i o no fs s ch a v e b e e ne v o l v e dw i t hd u ei n v o l v e m e n td s oo fs e d i m e n tu s i n gt h e d a t a a c q u i r e di nh a i a nc o u n t y t h ep r e d i c t i v e a n do b s e r v e dv a l u e so fs s cb yv a r i o u sm o d e l sa r e e v a l u a t e d ，i nw h i c hp r i n c i p l ec o m p o n e n tm o d e ls h o w sb o r e rp r e c i s i o n k e yw o r d s ：r e m o t es e n s i n g ；s p e c t r u mr e f l e c t a n c e ；s 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 ) ； m e d i a nd i a m e t e r ( d 5 0 ) o f s e d i m e n t ；q 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 i i 图目录 图l3 - 1 研究思路与步骤图3 图2 2 1 水体信号构成8 图2 2 2 光谱仪水面以上观测角度一9 图3 t - 1 研究区位置图1 4 图3 i 一2f i e l d s p e ch a n d h e l d 和h r 2 0 0 0 1 5 图3 1 3 光纤光谱仪三个水样三个高度的光谱曲线1 8 图3 。1 - 4 同样测量高度悬沙水休地物光谱仪和光纤光谱仪光谱曲线比较1 8 图3 2 1 实验装置示意图2 0 图3 3 1 标定的光电强度与泥沙浓度曲线2 2 图3 3 2 光电测沙仪2 3 图3 4 1n s y - 2 型宽域粒度分析仪2 5 图4 1 - 1 纯水的吸收光谱髓线2 9 图4 1 2 纯水的反射光谱曲线3 0 图4 2 1 不同浓度悬沙水体的反射光谱曲线3 1 图4 2 2 不同浓度悬沙水体第一反射峰的波长位置3 2 图4 2 3 悬沙浓度和各波段反射率的相关系数3 3 图4 。2 _ 4 苹波段和多波段反射率与低悬沙浓度的关系- 3 4 图4 2 5 单波段和多波段反射率与悬沙浓度的关系3 5 图4 3 】不同种类悬浮物质在7 0 0 n m 处的反射率和粒径的关系3 6 图4 3 2 相同浓度三组粒径的反射率的比较3 7 图5 1 1 含沙量与反射率关系曲线3 9 图5 2 一l 固定粒径的几种主成分模型拟合曲线比较，4 9 图5 2 2 考虑粒径影响的几种主成分模型拟合曲线比较5 2 v 表目录 表3 1 - lf i e l d s p e ch a n d h e l d 地物光谱仪技术指标 表3 1 - 2h r 2 0 0 0 光纤光谱仪技术指标 表3 3 - i ii 瓶标准水样的光电强度及泥沙浓度 表3 3 - 2 悬沙水样的光电强度值和泥沙浓度值 表34 1 野外和实验室悬沙水样粒径特征 表4 2 1 悬沙水体浓度和各波段反射率相关系数的大小排列 表4 2 2 悬沙水体浓度和多波段平均反射率的相关系数 表5 2 - 1 敏感波段反射率和悬沙浓度备形式的相关系数 表5 2 - 2r ，、r ，、r ，和s 线性回归参数和相关系数表 表5 2 3r ，、r ：、r ，和s 幂指数回归参数和相关系数表 表5 2 4t j 、t 2 、t 3 和s 幂指数回归参数和相关系数表一 表5 2 - 5t 4 、t 5 、t 6 和s 幂指数回归参数和相关系数表 表5 3 1 悬沙浓度反演模型的决定系数 表5 3 2 悬沙浓度反演模型的f 值 表5 3 3 悬沙浓度的实际值、反演值及误差( 1 ) 表5 3 4 悬沙浓度和实际值、反演值及误差( 2 ) 表5 3 5 悬沙浓度和实际值、反演值及误差( 3 ) 表5 3 6 悬沙浓度和实际值、反演值及误差( 4 ) 表5 3 7 独立样本检验误差 - v i 一1 5 1 6 2 3 2 4 2 7 3 3 5 4 4 7 4 7 4 8 5 0 5 1 5 4 5 4 5 5 5 5 ，5 6 5 6 5 7 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上作。 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。 作者签名： r期： 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。 作者签名： 日期： 预i ? 学位论文：悬i 譬泥沙光博特性及j e 浓度的遥感反演模式研究 第一章前言 第一节研究目的和意义 水体中悬浮物的含量是重要的水质参数，尤其是悬浮泥沙含量的大小与水体的透明度和 水色等光学性质有关，也密切关系到水生生态条件和河口海岸冲淤变化过程。在近岸浅水、 河e l 港湾、湖泊水库等地的遥感测深方法研究中悬沙含量多少、粒径大小和悬沙颜色等悬 浮泥沙物理特性也直接与水f 地形信息的提取有关。张鹰将悬浮物质后向散射为主的影响因 素作为“东深综合影响因子”。通过对遥感图像进行水深专题信息的增强处理，减少该“综 合影响因子”对水深信息的干扰，在水深遥感的研究中利用数理统计的方法建立的水深影像 光谱值与实际水深数据关系式i 。”。该模式在特征相似的地区具有良好的效果，但是在不同 的地区难以得到广泛应用。主要在于“综台影响因子”作用的复杂性。悬浮泥沙是综合因子 的重要组成部分，研究水体中悬浮泥沙的反射特性对水深遥感的进步研究有积极的作用。 传统泥沙调查方法是用船进行逐点采样和分析，调查速度慢、周期长而且只能获得在 时间和空间分布上都很离散的少量数据。河流和海岸等地区水流情况复杂，泥沙含量的时间 变化率大，用传统方法很难对大面积水域悬沙的特性进行动态、连续、同步的观测，2 0 世 纪6 0 年代以来发展起来的星遥感技术，使这一状况得到改变，能够快速地获取人面积水 域悬浮泥沙空间分布和动态变化的信息。遥感定量反演泥沙浓度的关键就在于建立遥感反射 率与泥沙浓度之间的关系。 第二节国内外研究现状 早在2 0 世纪7 0 年代初l a n d s a t 1 刚刚发射成功，k l e m a s 等提出了用惦s 遥感数据估算特拉 华湾悬浮泥沙含量的统计模型n 随后许多学者提出了不同模型来模拟悬沙浓度与遥感数据 的关系，尤其在利用n o a a a v h r r 来获取悬浮泥沙浓度方面作了大量的工作嘲。但是气象卫星 的分辨率对河口海岸带区域来说显得太粗糙，而w 数据3 0 m 的分辨率具有较大的优势。t a s s a n 对海岸带悬浮泥沙浓度、刑绿素、黄色物质的星遥感信息提取进行了深入的研究”1 。m e t r e s 等通过分析实验室测得的不同浓度悬浮物质水体的光谱反射特征，利h t m 多波段影像光谱 硕士学位论义：悬浮泥沙光谱特性及其浓度的遥感反演模式研究 混合分析法得出线性光谱混合模型用来计算亚马逊河湿地水表的悬浮物质浓度( 7 i 随着高 光谱技术的发展，许多学者进行了悬浮物质光谱特征研究，利用成像光谱仪监测内陆水体悬 浮物禽量的研究，并取得较大的进展【s - r o l l 。 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，多 采用陆地卫星和气象卫星多时相遥感图像，根据特定区域的现场实测资料建立统计相关关 系，从而反演悬沙的空间分布和动态变化规律i ”。”。 1 9 8 3 1 9 8 5 年期间，国家海洋局组织有关单位对“ 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。提出了含沙水体反射率或反 射函数窳r ) 概念。通过理论计算、含沙水体光谱反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 8 u r n ) 遥感图像定量模式 陆地卫星m s s 多波段比值逐步回归模式 陆地卫星n i 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 口高浓度含沙水体遥感定量模式和基本算法。 近十年，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a r l r 1 算法( 斜率法) f 。7 】；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f “i s l ；国家卫星海洋应用中心、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。并成功应用于我国的第一颗海洋卫星 “h y 一1 上l ”1 。 随着高光谱技术的发展，许多研究者开始利用地物光谱仪测量悬沙水体的光谱反射率， 并在分析光谱反射率与同步水体悬浮物含量关系的基础上。采用统计方法建立悬浮物含量遥 感反演模式。乐华福【2 。i 等利p i s b 型光谱辐射计测得的现场光谱数据t 用最小二乘法建立光 谱反射率与表层悬浮泥沙浓度之间的关系。韩震川等对水槽中不同含沙浓度水体的反射光 谱特征进行分析，在参考了国内外公认的i i 类水体悬浮泥沙反演模式的基础上，选用泥沙遥 感参数。建a z t 悬浮泥沙遥感定量分析统计相关模式。并将模型运用于神舟三号c m o d i s 2 硕士学位论文：悬浮泥沙光谱特性及其浓度的遥感反演模式研究 影像的悬浮泥沙遥感定量反演中，效果较好。 尽管国内外学者在悬浮泥沙遥感领域做了许多研究，尚无统一的定鼙模式或可靠的模型 参数，即使在同一地区也是如此。人量的实验和实地研究表明，影响悬浮泥沙光谱反射率的 因素也很多，如悬浮物的含量、类裂、悬浮颗粒人小、水体底部亮度及遥感器的观测角等， 其中悬浮物浓度、颗粒大小和矿质组成是主要的影响因素0 2 4 ”，因此在利崩遥感反射率建 立悬沙反演模型时，应考虑这些因素的影响。水体环境的的影响在不同的时间和不同的地点 是不一样的，需要将一些主要作用的因素单独进行讨论，并且确定它们在模型中的作用。 第三节研究思路与内容 图l 。3 1 研究思路与步骤图 本文通过两条技术路线研究悬沙浓度的反演模型( 见圈1 3 一1 ) ： 其一是利用野外采集的悬沙样品进行筛选、烘干和称量，配置不同粒径和浓度等级的悬 3 一 顽f ? 学位论文：悬浮泥沙光浒特性及其浓度的遥感反演模式研究 沙水样，进行实验室光谱测量。分析悬沙水体的光谱特征。通过实测悬沙水体反射率与息沙 浓度和粒径的相关性分析，结合悬沙的光谱特征，选取泥沙浓度和粒径的敏感波段。在阉定 粒径的条件下，建立悬沙水体反射率和浓度之间的定量关系。 其二是使用地物光谱仪和光纤光谱仪测量研究区表层悬沙水体反射率，同时采集所测点 近表层的水样，以获得不受大气影响的光谱反射率和同步水体悬移质泥沙浓度、粒径等悬沙 物理特征。在实验室测量的悬沙光谱数据和同步泥沙浓度以及泥沙粒径关系分析的基础之 上，考虑粒释对悬沙水体反射率的影响，以中值粒径作为粒径特征的代表性参数，和实捌的 水体反射率建立悬沙浓度的反演模型。 本文主要研究内容包括： 1 、利用遥感技术反演悬浮泥沙浓度的研究背景和意义及国内外研究现状； 2 、水体光谱测量的方法：避开太阳直接反射的光谱测量时仪器设置角度，去除天空散 射的离水辐亮度及遥感反射率的测算： 3 、野外数据的采集：地物光谱仪和光纤光谱仪测量悬沙水体反射率的仪器参数的设置 及测量的步骤和方法，两类仪器测量结果的对比分析； 4 、实验室悬沙样品的配置、光谱数据的测量，光电测沙仪测量野外悬沙水样的浓度。 粒径分析仪测量水样的粒径分布情况； 5 、悬沙水体光谱特征分析：分析浓度变化和粒径变化对廊的光谱反射率的变化，选取 悬沙浓度的遥感敏感波段： 6 、悬沙浓度遥感反演模式的建立：固定粒径条件下，利用反射率建立了悬沙浓度反演 敏感波段的线性回归模型、幂指数模型和主成分多元回归模型；引入粒径为模型的另一个因 子，利用反射率、中值粒径建立了悬沙浓度反演敏感波段的线性模型、指数模型和土成分多 项式模型。 参考文献 1 】张鹰水深遥感方法研究【j 】河海人学学报，1 9 9 8 ，2 6 ( 6 ) ：6 8 - - - 7 2 【2 】张东，张鹰统计相关水伸遥感模式的建立【j 】河海大学学报，1 9 9 8 ，2 6 ( 6 ) ：9 5 9 9 - 3 1 张鹰，王义刚遥感水下地形成图技术【j 海洋t 程，2 0 0 0 ，1 8 ( 3 ) ：8 8 9 1 【4 】k l e m a sv ，b a r t l e t td ，p h i l p o tw e ta 1 c o a s t a la n de s t u a r i n es t u d i e sw i t he r t s 2 1a n ds k y l a b j 】r e m o m s e n s i n g e n v f r 1 9 7 4 ，3 ：1 5 3 1 7 7 一4 - 硕l 学位论文：悬浮泥沙光醋特性及其浓度的遇感反演模式i 卅咒 【5 】s t u m p fr ，p e n n o c kj c a l i b r a t i o no f ag e n e r a lo p t i c a le q u a t i o nf o rr e m o t es e n s i n go f s u s p e n d e ds e d i m e n t s i nam o d e r a t e l yt u r b i de s t u a r y j jg e or e s ，1 9 8 9 ，9 4 ( c 1 0 ) ： 1 4 3 6 3 1 4 3 7 1 ( 6 1m e t r e slak ，s m i t hm o ，a d a m sjb ，e s t i m a t i n gs 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 n s u r f a c ew a t e r so f t h ea m a z o nr i v e rw e t l a n d sf r o ml a n d s a ti m a g e s j r e m o t es e n s i n go f e n v i r ， 1 9 9 3 4 3 ：2 8 1 3 0 1 ， 7 】t a s s a ns a ni m p r o v e d n w a t e ra l g o r i t h mf o r t h e d e t e r m i n a t i o no fc h l o r o p h y l la n d s 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 nf r o mt h e m a t i cm a p p e rd a t ai nc o a s t a lw a t e r s j 1 如f j 0 ， r e m o t e s e n s i n g ，1 9 9 3 ，1 4 ( 6 ) ：1 2 2 1 1 2 2 9 【8 】l u o h e n gh ，r u n d q u i s tdc t h er e s p o n s eo fb o t hs u r f a c er e f l e c t a n c ea n dt h eu n d e r w a t e rl i g h t f i e l dt ov a r i o u sl e v e l so fs u s p e n d e ds e d i m e n t s ：p r e l i m i n a r yr e s u l t s 【j 】p e r s ，1 9 9 4 ，6 0 ( 1 2 ) ： 1 4 6 3 - 1 4 7 1 9 1c h o u b e yvk ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，f i e l da n dr e m o t e l y s e n s e dd a t aa n a n l y s i sf o rt h e a s s e s s m e n to fs u s p e n d e ds o l i d sc o n c e n t r a t i o na n ds e c c h id e p t ho ft h er e s e r v o i rs u r f a c ew a t e r j i n tjr e m o t es e s i n g ，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 7 ) ：3 3 4 9 - 3 3 6 0 1 0 】d e k k e rag ，v o stj , p e t e r ssw m c o m p a r i s o no f r e m o t es e n s i n gd a t a ，m o d e lr e s u l t sa n di n s i t ud a t af o rt o t a ls u s p e n d e dm a t t e f f t s m ) i nt h es o u t h e r nf r i s i a nl a k e s j t h es c i e n c eo ft h e t o t a le n v i r o n m e n t ，2 0 0 1 ，2 6 8 ：1 9 7 2 1 4 【1 1 f l i n kp ，l i n d e l lt ，量s t l u n dc s t a t i s t i c a la n a l y s i so fh y p e r s p e c t r a ld a t a f r o mt w os w e d i s h l a k e s j t h es c i e n c eo f t h et o t a le n v i r o n m e n t , 2 0 0 1 ，2 6 8 ：1 5 5 1 6 9 【1 2 】恽才兴，蔡梦裔利用卫星像片分析长江入海悬浮泥沙扩散问题 j 】海洋与湖沼，1 9 8 1 ， 1 2 ( 5 ) ：3 9 1 4 0 i 1 3 1 何青，恽才兴，时伟荣，长江口表层水体：悬沙浓度场遥感分析 j 】自然科学进展，1 9 9 9 ， 9 ( 2 ) ：1 6 0 1 6 4 1 4 】程承旗，马廷，王立明等利用t m 影像分析潮河与密云水库入库口处泥沙的空间分布 j 】 地理科学，2 0 0 1 ，2 1 ( 5 ) ：4 4 7 - 4 51 1 5 1 李京利用n o a a 卫星的a v h r r 数据测杭州湾海域的悬浮泥沙含量 j 海洋学报， 1 9 8 7 ，9 ( 1 ) ：1 3 2 - 1 3 6 1 1 6 李炎，李京基于海面遥感器光谱反射率斜率传递现象的悬浮泥沙遥感算法【j 】科学通 报，1 9 9 9 ，4 4 ( 1 7 ) ：1 8 9 2 1 8 9 7 s 坝i 学位论j ：【：悬 子泥沙光滑特性发姨浓度的遥感反i i ； 模八究 1 7 】李四海，恽才兴河口表层悬浮泥沙气象卫星遥感定量模式研究 j 】遥感学报，2 0 0 1 ， 5 ( 2 ) ：1 5 4 1 6 1 【1 8 1 李四海，唐军武，恽才兴河口悬浮泥沙浓s e a w i f s 遥感定繁模式研究【j 】海洋学报， 2 0 0 2 ，2 4 ( 2 ) ：1 5 8 【1 9 郭茂华，王其茂，马超飞等h y - ic c d 黄东海区悬浮泥沙浓度反演模式研究 a 】第十四 届全国遥感技术学术交流会论文摘要集 c 】，2 0 0 3 ：1 9 2 0 1 乐华福，林寿仁，赵太初等近海i i 类海水反射率与表面悬浮泥沙相关性的研究【j 】国十 资源遥感，2 0 0 0 ，( 4 3 ) ：3 4 4 3 【2 l 】韩震，恽才兴，蒋雪中恳浮泥沙反射光谱特性实验研究 j 】水利学报，2 0 0 3 ，1 2 ：11 8 1 2 2 2 2 】h a nlh ，r u n d q u i s tdc t h er e s p o n s eo fb o t hs u r f a c er e f l e c t a n c ea n dt h eu n d e r w a t e rl i g h t f i e l dt ov a r i o u sl e v e l so f s u s p e n d e ds e d i m e n t s ：p r e l i m i n a r yr e s u l t s j 1 p h o t o g r a m me n gr e m o t es e n s ， 1 9 9 4 ，6 0 ( 1 2 ) ：t 4 6 3 1 4 7 1 【2 3 】c h o u b e yvk l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，f i e l da n dr e m o t e l ys e n s e dd a t aa n a l y s i sf o r t h e a s s e s s m e n to fs u s p e n d e ds o l i d sc o n c e n t r a t i o na n ds e c c h id e p t ho ft h er e s e r v o i rs u r f a c ew a t e r 【j 】， i mjr e m o t es e n s i n g ，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 7 ) ：3 3 4 9 3 3 6 0 ， 2 4 】b h a r g a v a , ds , m a r i a m ，d e j e n ew te f f e c t so fs u s p e n d e dp a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o no n r e f l e c t a n c e m e a s u r e m e n t s j p h o t o g r a m m e n g r e m o t es e n s , 1 9 9 1 ，5 7 ( 5 ) ：5 1 9 5 2 9 【2 5 n g 杰尔洛夫著，赵俊生等译海洋光学【m 】，北京：科学出版社，1 9 8 i ，3 3 5 1 - 6 颤l ：学位论文：悬浮泥沙光髀特性及j e 浓度的遥感反演模式研究 第二章悬沙水体光谱测量方法 第一节水色遥感的基本参数 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止确把握。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 t o p t i c p r o p e r t i e s ，a o p s ) 和固有光学特性( i 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 ) 。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：l 占| 有光学特性最是仅与水体成分有关的光学量，如 光束衰减系数，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j 。 表观光学参数主要有离水辐亮度、归一化离水辐亮度和遥感反射率等，它们是海洋水色 遥感的基础物理量，也是水体色素成分的光学表现口1 。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 。( 太阳直射光经折射穿过水面，在次表面向下传输中 受到叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等水色因子的影响，其中部分厉向散射经折射离开水面， 这部分为离水辐射i “1 ) 和归一化离水辐亮度l w n ，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海面上入 射总辐照度之比) ，再由遥感反射率反演水体信息p “。本研究中就是通过水体的遥感反射率 与泥沙浓度、粒径的相关分析，建立悬浮泥沙遥感反演模式。 表观光学参数，其光谱的测量从方法上可分为两桊：剖面法和表面法。两种方法相对独 立，因为这两种测量方法的误差源及信号过程不一样。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，采用的仪器昂贵、操作、布放复杂，且 一般只能用于水深大于l o m 水体。剖面法也有其局限性，对于浅海和较浑浊水域，其测量误 差较大1 ”。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下，通过台 理的观测角度安排和测量积分时间设置，也可以得到上述几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：在二二类水体，目前唯一有效的方法是表 面法n - - 第二节水体光谱测量方法 一、常规光谱测量方法 目前开展的很多水体光谱测量，是将仪器在船边垂寅向下进行测最，然后把水体目标的 测量值l 【与标准板的测景值l 。的比值，作为所谓的“水体反射率”的测鬣值，即： p t = b l p ( 2 - t ) 其中，l l 为面向水体测量得到的信号，l 。为折合到1 0 0 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用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 钟= 乙w + r l 止y + l 帅+ k ( 2 - 2 ) 其中：l 。是总信号；l w 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 。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；k 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 2 1 。 图2 2 1 水体信号构成1 8 1 所以这种测景存在严重的问题； 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，往往采用自动或很长的积分时间导致严重的太阳直射、反射信 号污染。 计算出的p ，在水色遥感应用中，除在水色遥感信号敏感性研究和水体定性判别等方 - 8 - 预 二学位论史：悬浮泥沙光潜特牲发j e 浓j 蔓的遥感反演模式研究 面外- 在水色定景化算法等其他方面将难以虑用。冈为无法得到水体遥感的基本参数。 二、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 、归一化离水辐亮度l w n 、遥感反射率k 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出了水体光谱测晕新规范，对 水体光谱测量中的观测角度及仪器参数设置进行了规范要求【9 _ 1 “。 ( 一) 观测角度 因为离水辐亮度l w 在天顶角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，在现场船舶上的观测角度最好按以下方式设定( 以r 角度都是以光线矢 量的走向为依据) ： 仪器观测平面与太i 瑁x 射平面的夹角9 0 0 机 1 3 5 0 ( 背向太阳方向) ，仪器与海面法线 方向的夹角3 0 0 9 0