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河口水体悬浮物固有光学性质及浓度遥感反演模式研究

王繁  
【摘要】: 河口是联系大陆与海洋之间物质和能量交换的重要场所。我国每年有大量的地表径流经河口入海,所挟带的泥沙和各种营养元素、有机污染物等对河口附近水域的生态环境有显著影响。由于近岸河口水域的悬浮泥沙往往具有广泛的时空变异尺度,基于传统方式的监测方法在空间详细和时间频率方面已经无法满足逐渐提高的管理需求,随着遥感技术的发展与进步,遥感监测已经成为水体悬浮泥沙监测的重要方式。水体中悬浮泥沙的复杂光学特点导致悬浮泥沙遥感呈现出很强的时态性和区域性,在建立泥沙遥感反演模式时必须深入调查了解当地水体悬浮泥沙的光学性质及其相互关系,同时考虑海洋动力环境中的主要影响因素,只有结合特定海域的悬浮泥沙光学性质和水体反射光谱特征建立反演模型,才能获得较高的悬浮泥沙遥感反演精度和模型推广能力。 杭州湾海域由于长期受到长江口南下浑浊水的输沙影响,同时在强潮动力引起的泥沙再悬浮共同作用下,水体悬浮泥沙含量高且具有显著而复杂的时空变化特征。本文在杭州湾北岸的乍浦和南岸的慈溪分别布设观测站点,实地连续观测获得时间序列的水体表观光学参数、固有光学参数以及组分浓度三者的数据集,结合目前水体生物光学理论的成熟模型,根据常用水色传感器的波段设置选择相关性较好的敏感波段,分别建立悬浮物浓度与固有光学性质遥感反演的经验模型和半分析模型,结合潮动力分析了水体悬浮物固有光学性质的短周期变异特征,从浓度和构成两个角度分析其时空变异的影响因素。通过本文研究,除了可以获取典型研究区水体悬浮物的固有光学性质特性外,还将了解其时空变异幅度和变化规律,从微观和宏观两个角度初步分析其影响因素,为发展出准确程度更高的、能够应用于卫星遥感的分析模型打下基础。 本文的主要研究内容与结果包括: (1)实地光谱测量与实验室吸收测量研究。实地光谱测量采用NASA海洋光学测量规范推荐的水面之上光谱测量法,分别测量标准板、水面和天空光的辐照度,计算水面之上遥感反射率。光谱测量结果表明:研究区水体光谱具有典型高含沙水体的光谱特征,水面遥感反射率较高,在可见光与近红外光谱范围内出现两个反射峰,且第二反射峰对应波长随着含沙量的增大出现“红移现象”。另外,实地采集水样带回实验室进行吸收光谱测量,其中悬浮物的吸收光谱测量采用定量滤膜技术。吸收测量结果表明:研究区水体中悬浮物的吸收值较高,吸收光谱在可见光范围内符合指数衰减模式。乍浦与慈溪两个站位获取的时间序列数据说明研究区水体悬浮物的浓度和光学性质均表现出明显的时空变异特征。 (2)水体悬浮物浓度遥感反演经验模式研究。利用实测光谱数据和浓度数据建立分析数据集,根据常用水色传感器MODIS与MERIS的波段设置,分析悬浮物浓度与对应波段遥感反射率之间的相关关系,选择相关系数较高的波段作为敏感波段建立统计回归模型,将悬浮物的粒径作为遥感反射率的影响因素加入到回归模型中,比较二者的拟合效果。结果表明:悬浮泥沙浓度在红外和近红外波段的响应度最高;对于单波段简单线性回归而言,指数回归和幂函数回归的拟合效果好于简单线性回归;采用波段组合比值不能完全提高拟合效果;加入粒径因素后拟合精度进一步提高:长波段拟合精度高于短波段,双波段拟合精度高于单波段拟合。另外,人工神经网络模型在高混浊海区取得了较好的预测精度,采用MODIS地表反射率产品中的250m分辨率波段作为神经网络输入,悬浮物浓度作为输出,建立的神经网络模型预测性能高于统计回归模型;利用实测遥感反射率模拟MODIS与MERIS波段建立的神经网络模型也取得了较好的预测效果。 (3)水体悬浮物固有光学性质遥感反演半分析模式研究。利用实测水体组分吸收数据建立分析数据集,分别分析MODIS与MERIS特征波段水体悬浮物吸收系数与悬浮物浓度和遥感反射率的相关性;在生物光学理论模型的基础上,参考Carder-MODIS浮游植物固有光学性质遥感反演半分析算法,选择适合本地水体光学特点的特征波段,建立固有光学参数、表观光学参数以及成分浓度之间的经验模型,基于MODIS特征波段实现杭州湾水体固有光学性质及其浓度的遥感反演。结果表明:研究区水体悬浮物特征波段的吸收系数与浓度之间相关性都较高,相关系数在0.95以上;选择MODIS波段1为主要特征波段,分别拟合固有光学参数与表观光学参数以及悬浮物浓度之间的经验方程式,最终实现悬浮物固有光学参数与浓度的遥感反演。 (4)水体悬浮物固有光学性质时空变异特征研究。分析研究区水体悬浮颗粒物吸收系数与后向散射系数时序变化特征以及空间差异;从悬浮颗粒浓度与构成两个角度初步分析水体固有光学性质时空变异的影响机理。研究结果表明,研究区水体悬浮物的固有光学性质表现出显著的时空变异特点,乍浦与慈溪两个采样站位的悬浮物固有光学性质随着涨落潮周期分别表现出不同的短周期波动规律;悬浮物浓度是影响研究区水体悬浮物固有光学性质变化的主要因素,粒径也是重要影响因素之一,单位吸收系数的影响不明显。


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