悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响

网络优先数字出版时间:2016-12-30 【DOI】10.13656/cnki.20161230.003j.gxkx.

//www.//网络优先数字出版地址:http:cnki.netkcms/detail45.1206.G3.20161230.0934.006.html

EffectsofNonuniformVerticalProfileofSuspended

ParticulateMatteronWaterOpticalProperties

3

,黄 珏1,阳凡林1,陈莉琼2,陈晓玲2,江 涛1**

,

HUANGJue13,YANGFanlin1,CHENLiqiong2,CHENXiaoling2,JIANGTao1

悬浮颗粒物垂直分布对水体光学特性的影响*

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266590;武汉大学测绘遥感信息工程国家1.2.重点实验室,湖北武汉 430079;海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,山东青3.(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong,266590,China;2.StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,Mappingand,RemoteSensing(LIESMARS)WuhanUniversity,Wuhan,Hubei,430079,China;3.KeyLabo-ratoryofSurveyingandMappingTechnologyonIslandandReef,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinfomation,Qingdao,Shandong,266590,China)

【摘要:目的】研究典型湖泊水体垂直分布对遥感反射率的影响,并了解其主要影响波段和影响水深。【方法】利用实测数据和前向辐射传输模型得到水体垂直分布模拟数据,选取两种典型的湖泊水体垂直分布类型,研究它们对水表面遥感反射率的影响,并分析其敏感波长和最大影响深度。【结果】与均质水体相比,不同类型的水体垂直分布最大会引起遥感反射率100%的高估或者30%的低估且误差随着水深的增大而减小。当表层悬浮颗粒物浓度(较小时,在相同浓度条件下,不同类型水体垂直分布的敏感波长随着水深增大逐渐减小;在同SPM1)一深度时,敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,敏感波长随水深增大没有明显变化。不同类型水体在SPM1较低时,各波段的最大影响水深各不相同,可达10m,并随表层悬浮颗粒物浓度的增大而逐渐减小,峰值波长逐渐向长波方向移动;当SPM1较大时,最大影响水深集中于0.随5~2.0m,波段递增无明显变化规律。随着表层水体的衰减系数的增大,最大影响水深在不同波段基本呈递减趋势。【结论】研究成果有助于准确的理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息,并为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。

关键词:水体垂直分布 遥感反射率 敏感波长 最大影响水深

中图分类号:TP79 文献标识码:A 文章编号:1005-91(2016)06-0507-06

岛 266590)

收稿日期:2016-07-27量遥感研究。

,作者简介:黄 珏(女,博士,博士后,主要从事水环境定1987-)

,国家自然科学基金*山东省自然科学基金项目(ZR2016DB23),项目(海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实41471331)验室项目(和青岛市博士后研究人员应用研究项目2015B06),江 涛(男,博士,教授,主要从事资源与**通信作者:1961-)com。

(资助。2015206)

环境遥感、遥感数字图像处理等方面的研究,E-mail:tjiang@126.

【Abstract:Objective】Theinfluenceexertedby

nonuniformverticalprofileofsuspended

-sensingreflectanceparticulatematteronremote

wasstudiedforatypicalinlandlake.Themajorsensitivewavelengthsandmaximuminfluence

【waterdepthswerediscussed.Methods】Thein

situdataandforwardradiativetransfermodelwereappliedtosimulatedtwotypicalverticaldistributionsofwatercolumn.Thesensitivityofremotesensingreflectance(Rrs)associatedwithstratifiedwatercolumnshowedcorrelationwith

,suspendedparticulatematter(SPM)sensitive

wavelengthandmaximuminfluencewater

507

广西科学 2016年12月 第23卷第6期

【depth.Results】Comparedtoverticaluniformedwatercolumn,differentverticallystratified

typescouldcausemorethan100%overestimationor30%underestimationofRrsatmostandtheerrordecreasedwiththeincreaseofwaterdepth.WhentheconcentrationofsurfaceSPM(SPM1)wassmall,thesensitivewavelengthsofdifferentwaterprofilesdecreasedwithincreas-ingwaterdepthunderthesameSPM1.Forthesamewaterdepth,thesensitivewavelengthsmovedtowardsthelongerwavebandswithincreasingSPM1.WhenSPM1waslarge,noobviouscorrelationbetweenwaterdepthandsensitivewavelengthwasobserved.Themaximuminflu-encewaterdepthsfordifferentverticalprofilesvariedandcouldreachupto10mwhenthewa-,terwasclear.WiththeincreasedSPM1themaximuminfluencewaterdepthsdecreasedandsensitivewavelengthsmovedtowardsthelongerwavebands.Incontrast,themaximuminflu-encewaterdepthscenteredon0.5~2.0mandshowednopronouncedtendencywhenthewaterwasturbid.Inaddition,theincreasingattenuationcoefficientofsurfacewaterusuallyledtoa

【decreasingmaximuminfluencewaterdepth.Conclusion】Theresultswillimproveourunder-standingoftheverticalstructureinformationobtainedfromsurfaceremotesensingreflectance.

Keywords:waterverticaldistribution,remotesensingreflectance,sensitivewavelength,maxi-muminfluencewaterdepth

0 引言

研究意义】现有的水色遥感研究大多基于水体 【

1-2]

,组分均匀分布的假设[然而在地表径流、江水倒

射率影响的基础上,分析其敏感波长、最大影响深度。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

是我国最 鄱阳湖位于长江中下游的江西省境内,。鄱阳湖季节性水面积变化显大的淡水湖泊(图1)

11]

;著,年内丰、枯水季湖泊面积变化10倍以上[水深)。鄱在1~25m之间,平均水深为8.文献[4m(12]阳湖的水量吞吐平衡受到五大河流及长江水资源调度的共同影响。自2001年兴起的大规模采砂运动引

起了鄱阳湖底质再悬浮,导致悬浮颗粒物浓度的增大

13]

,和水体透明度的降低[还直接影响了鄱阳湖流域

灌、风浪掀沙、采砂基建等因素的影响下,自然水体在水平和垂直方向上通常呈现非均匀分布。因此,准确地理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息,可以为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。【前人研究进展】Gordon

3-5]

等[最早展开水体垂直不均匀分布对遥感反射率的

影响研究。通过水体辐射传输的MonteCarlo方法对两层和连续多层海水进行模拟发现,对透光层内水体组分浓度引入剖面权重函数可以将分层水体的漫反射比等效为带权重的均质水体的漫反射比,并提出了与固有光学特性相关的权重函数表达式。Zan-[]

eveld等6基于双流模型提出了修正的剖面权重函数对Gordon公式进行了改进。对于大洋水体,已有学

生态系统功能和可持续利用。

者开始关注浮游植物主导水域次表层叶绿素最大值引起的水体垂直不均匀分布对透光层深度、水表面以

上遥感反射率和叶绿素剖面权重函数的影响。研究发现,叶绿素垂直均匀分布和不均匀分布所产生的遥

7-9]

。而内陆湖泊水感反射率差异在5%~70%之间[

10]

。【体的相关研究相对较少[本研究切入点】对于湖

泊而言,河流携沙入湖、江水倒灌、湖泊环流和采砂等此产生的不同类型的悬浮颗粒物垂向分布差异对水体光学特性的影响仍有待研究。【拟解决的关键问题】依据野外采样结果,确定鄱阳湖水体悬浮颗粒物

影响是引起泥沙输移、沉积、再悬浮的主要原因,而因

Fig.1 LocationofPoyangLake

图1 鄱阳湖位置图

的典型垂直分布类型,利用水体光学辐射传输模型,模拟得到不同悬浮颗粒物垂直分布条件下的水体光学特性,在定量分析不同类型水体垂直分布对遥感反508

1.2 数据测量

本研究中所用的实测数据来自2008年~2011年期间的3次鄱阳湖水色观测实验,主要的观测数据

GuangxiSciences,Vol.23No.6,December2016

包括水面光谱数据、悬浮颗粒物浓度、黄色物质浓度、

水深、水体固有光学特性(吸收系数、衰减系数等)和。其中水辅助数据,具体测量步骤参见文献[14-15]体悬浮颗粒物浓度进行了垂直分层测量:在距水表面0.5m处和距湖底0.5m处分别采集表层和底层水样,在水深的一半处取中层水样,并分别计算各层水体的悬浮颗粒物浓度。依据鄱阳湖实测数据,本研究选择两种典型的湖泊水体悬浮颗粒物垂直分布类型:自表层至底层悬浮颗粒物浓度递增型(和自表栺型)。测量结果层至底层悬浮颗粒物浓度递减型(D型)以表层悬浮颗粒物浓度为基准,做归一化处理。1.3 辐射传输模拟

本研究利用Hydrolight软件进行辐射传输模

物质量比吸收系数和质量比散射系数。CDOM吸收系数ag(的光谱斜率(由实测数据毸,z)S=0.0119)

2,17]

。拟合得到[

大气模式选择Radtran模型,平均风速5m/s,太阳

14]

,。输出波长范围设置为高度角30水深为无限深[曘

散射相函数选择Fournier Hydrolight模拟中,-悬浮颗粒物的后向散射概率取0.Forand模型,025,间隔10nm。表层悬浮颗粒物浓度300~900nm,

(/L之间变化。由于水体深在0.SPM1)5~50.0mg实测数据设置了4个水深区间:增量0.1~1.0m(

,,增量0.增量10.1m)1.0~5.0m(5m)5~10m(度也会对水下光场产生影响,因此本研究依据鄱阳湖

16]

,拟[水体组分主要考虑矿物质与岩屑以及黄色物

,质(因此固有光学量参数化模型可以表CDOM)示为

a(毸,z)毸)毸,z)毸,z),=aw(+ap(+ag( b(毸,z)毸)毸,z),=bw(+bp(

(1)

(2)

其中a(为水体总吸收系数,为纯水吸收系毸,z)aw(毸)

作为后续分L的9组垂直均匀分布水体的光学特性,

析中非均质水体的参考标准。

,。由于SPM1较大时光线的增量5m)m)10~20m(穿透能力有限,因此不同SPM1模拟的深度区间数量

/不同。此外,本研究模拟了SPM1为0.5~50.0mg

数,ap(毸,z)为悬浮颗粒物吸收系数,ag(毸,z)为黄色物质吸收系数;b(毸,z)为水体总散射系数,bw(毸)为纯水散射系数,为悬浮颗粒物散射系数,黄色bp(毸,z)和ag(在垂直剖面上非均匀分布,为波长与水z)毸,z)

深的函数:

*

, ap(毸,z)毸)z)=ap(暳SPM(

*

, bp(毸,z)毸)z)=bp(暳SPM(

2 结果与分析

2.1 垂直分布对遥感反射率的影响

图2为悬浮颗粒物浓度递增型水体垂直分布(栺型)和递减型水体垂直分布(的遥感反射率随水D型)体深度的变化情况,图中黑色实线代表均质水体遥感(,递增的方向。第1,第2,z)3列为遥感反射率(Rrs)

4列为非均匀水体与均质水体之间遥感反射率的百。分比误差(殼Rrs)

与均质水体相比,栺型水体垂直分布使Rrs在各

个波段被高估,特别是当SPM1较小且水深较浅时反射率,图中彩线从蓝色至红色的变化方向为水深

物质的散射系数忽略不计。模型假定aw(和bw(毸)毸)

、不随深度而变化,仅为波长的函数;而ap(毸,z)bp(毸,

(3)

(4)

] ag(毸,z)毸0,z)exp[毸-毸0)=ag(-S(=

0.

[]],0.070暳SPM(z)exp[毸-毸0)-S(

(5)其中SPM(z)为实测的悬浮颗粒物浓度垂直分布函

**

((数,和bpz为水深,ap毸)毸)分别为实测的悬浮颗粒

而随着水深的增大,殼Rrs较大,殼Rrs逐渐减小并趋近

/L时,于0。例如SPM1为1mg殼Rrs从0.1m时的

Fig.2 Radiativetransfersimulationresultsforverticalprofile

广西科学 2016年12月 第23卷第6期

((a)~(f)aretype栺,~(l)aretypeDg)

图2 水体垂直分布模拟结果

509

。从整图2d)+108.2%减小到20m时的接近于0(

个光谱范围来看,随着悬浮颗粒物浓度的增大,栺型/L时,方向移动。如图2a~c所示,水SPM1=1mg

体垂直分布的主要影响波段为500~700nm;当

时,|殼Rrs(毸)|<5%;z布,各波段的最大影响深度各不相同,最大影响水深/L),可达10m(并且随着表层悬浮颗SPM1=1mg粒物浓度的增大,zmax的变化范围逐渐减小并且zmax的峰值波长逐渐向长波方向移动。相比之下,当水体/L),悬浮颗粒物浓度较大时(~50mgzmax集中分布在0.随波段递增无明显变化。5~2.0m,

水体垂直分布下Rrs的主要影响波段范围逐渐向长波

且400~700nm不同水深对应的殼Rrs无明显变化

(。D型水体垂直分布使Rrs在各波段被低曑18%)

/L时,主要影响波段为650~800nm;SPM1=10mg

/L时,当SPM1=50mg主要影响波段长于700nm,。与栺型相似,估,最多可低估30%左右(图2l)随着

水深的增大,水体垂直分布对Rrs的影响逐渐减弱;随着SPM1的增大,水体垂直分布的主要影响波段逐渐向红光波段移动。

2.2 敏感波长

在不同悬浮颗粒物浓度、

不同水深条件下使得的波长殼Rrs(毸最大的波长,可视为对于Rrs变化最为敏感(毸)|

max时(例如)。如图3所示,似的变化规曑20律m:g在/当悬浮颗粒物浓度较小L相)同,两种水体垂直分布基本遵循相

浓度条件下,毸max随着水深的

增加逐渐减小;同一深度时,毸max随着SPM1的增大逐

渐向长波方向移动。由此可知,对于水深在并且1~10内陆湖泊水体SPM1曑20),水体垂直分布的主要影响波段范围mg/L的非均质水体(适用于大部分

m为能避开以上波段范围可以有效减小由于水体垂直不580~710nm。因此,在建立遥感反演模型时,如

均匀分布所引起的遥感反射率误差。而当SPM1较

大时(例如且随水深增大没有明显变化50mg/L),毸max主要集中于。

750~900nm,图3 敏感波长与水深散点图

2.3 最大影响深度

Fig.3 Sensitivewavelengthvswaterdepth

依据Stramska等[6]

的研究成果,

本研究选择5%作为判定殼Rrs明显变化的标准。由前文分析可

知,栺型和D型水体垂直分布的影响水深(z殼Rrs随水深增大呈单调递减,因此最大应满足z曒z510

max)max图 Fi由g.4 Maximum4 最大影响水深与波长

2.1节的分influence析可知,

water当悬de浮p颗thvs粒wavelen物浓度g很th

大时,遥感反射率对水深和波长的变化并不敏感,如图2f和2l所示,

多条光谱曲线近乎重合,该现象直接导致较大浓度时zmax随波段无明显变化。这可能是由于利用Hydrolight进行水体辐射传输模拟时,整个水柱上的悬浮颗粒物浓度随水深增大而迅速增加且总和巨大,各波段、各水深的模拟结果十分接近,导致后续分析中出现遥感反射率对水深和波长不敏感。下一步研究将改进参数设置,以期得到更为合理的模拟结果。

由于水体垂直分布对遥感反射率的敏感波长和最大影响深度的影响,最终是受到物质组成及其固有光学量的影响,因此本研究进一步讨论了不同波段下,水体垂直分布的最大影响水深zmax与固有光学量之间的相关关系。以表层水体的衰减系数(cc1表,其中c为代1可以表示为纯水衰减系数(w粒物衰减系数(c、悬)浮p)和CDOM衰减系数()c颗cCDOM者之和,而悬浮颗粒物衰减系数)三p可以进一步分解

为质量比衰减系数(c*

p 其中c+c)和c1=cSPM1的乘积:w(毸)*

p(毸)暳SPM毸*p*1+cCDOM(

),(6) c=ap+b*

p0.,

而cCDOM可由CDOM(毸Guan)=07暳SPM0.

SPM1计算得到:0119暳gxiSciences,Vol1

.2暳3Noex.6p,(-0.December2016

|()。(毸-443)7)

对于栺型和D型水体垂直分布,随 由图5可知,

着c1的增大,zmax在445nm、555nm、665nm和710图nm4个波段基本呈递减趋势。其中红光波段(

递减趋势最弱,5d)zmax分布相对集中。造成上述现象的原因与前文讨论的表层悬浮物浓度较高时zmax的异常分布类似。

本研究结果有助于准确理解表层遥感反射率中所包含的水体垂直结构信息,同时为深入研究非均质水体光学特性及其辐射传输过程提供理论依据。

参考文献:

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sensitivitytosolidsuspendedsedimentstratificationin

图 Fig.5 5Maximum 最大影响水深与表层水体衰减系数

coefficientofsurfacewater

influencewaterdepthvsattenuation

3 结论

本研究以鄱阳湖实测数据为输入条件,

利用辐射传输模拟结果研究了两种典型水体垂直分布类型对水表面遥感反射率的影响,得到以下结论:

与均质水体相比,

两种不同的水体垂直分布最多会引起遥感反射率栺型水体垂直分布使得遥感反射率在全波段被高100%的高估或者30%的低估,其中估,而D型则导致遥感反射率被低估,误差均随着水深的增大而减小。

两种类型水体垂直分布的敏感波长变化规律相

似:当时,敏感波长主要集中于SPM1较小(如曑20mg/L),水深在1条件下敏感波长随着水深增大逐渐减小580~710nm,~10m;在相同浓度

在同一深度时,敏感波长随着悬浮颗粒物浓度的增大逐渐向长波

方向移动;当长主要集中于SPM1较大时(例如50mg/L),敏感波变化。

750~900nm,且随水深增大没有明显 两种类型水体在响水深各不相同,可达SPM1较低时,各波段的最大影度的增大而逐渐减小,1峰0值m,波并随表层悬浮颗粒物浓长逐渐向长波方向移动;当mSPM1较大时,最大影响水深集中于减系数的增大,

随波段递增无明显变化规律0.5~2.0,最大影响水深在。nm和71445随着表层水体的衰nm、555nm 200nm16年4个波段基本呈递减趋势。

、665广西科学12月 第23卷第6期

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(责任编辑:陆 雁)

崟崟崟崟崟崟崟崟崟崟 崟崟崟崟崟崟崟崟崟崟 崟崟崟崟崟崟崟崟崟崟 崟崟崟崟崟崟崟崟崟崟

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512

GuangxiSciences,Vol.23No.6,December2016