欒奎峰，徐 航，潘與佳，李 慧，張 鵬，裘 誠(chéng)，朱衛(wèi)東，馮貴平

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2.上海市海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，上海 200333；3.上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

0 引言

懸浮泥沙質(zhì)量濃度(Suspended Sediment Concentration，SSC)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要水質(zhì)參數(shù)之一[1-2]，它不僅直接影響水體的透明度、濁度等光學(xué)性質(zhì)[3]，同時(shí)對(duì)河口的沖淤變化、沿海地區(qū)的水土保持也會(huì)產(chǎn)生影響[4]，高SSC還會(huì)降低浮游植物生產(chǎn)力，從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[5]。研究懸浮泥沙的空間分布及其變化對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境治理具有重要意義。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)收集SSC樣本的方法耗時(shí)、費(fèi)力且空間連續(xù)性不足[6-7]，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用水體的遙感反射率定量反演表層懸浮泥沙質(zhì)量濃度(Surface Suspended Sediment Concentration，SSSC)成為懸浮泥沙監(jiān)測(cè)的一種重要方法。MANIKIAM et al[8]基于印度西部海岸的實(shí)測(cè)SSSC數(shù)據(jù)和IRS-1A衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，分析了印度西部海岸季風(fēng)前后SSSC的時(shí)空變化；ELEVELD et al[9]基于SeaWiFS遙感影像數(shù)據(jù)，建立了荷蘭北海南部海域SSSC的定量反演模式；左書華 等[10]利用實(shí)測(cè)資料建立了SSSC與Landsat TM影像之間的對(duì)數(shù)關(guān)系式，分析了長(zhǎng)江口南匯嘴海域表層懸浮泥沙的分布；潘磊劍 等[11]分析了舟山海域?qū)崪y(cè)水體光譜與SSSC的相關(guān)性，建立了SSSC反演模型，并將模型應(yīng)用于Landsat8數(shù)據(jù)；劉王兵 等[12]用環(huán)境衛(wèi)星影像建立了杭州灣海域的SSSC定量反演模型，分析了杭州灣表層懸浮泥沙的空間分布。

長(zhǎng)江口是我國(guó)典型的高濁度分汊型河口，每年向鄰近海域輸送大量懸浮泥沙，且河口海域水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，SSSC的時(shí)空分布表現(xiàn)出高度的變異性[13-14]。遙感反演的關(guān)鍵在于掌握不同SSSC光譜曲線的變化規(guī)律并確定SSSC與光譜反射率之間的關(guān)系。本文利用長(zhǎng)江口區(qū)域的泥沙樣本定量模擬了SSSC，旨在從不同SSSC的光譜反射特性出發(fā)加深對(duì)不同SSSC光譜曲線變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行了SSSC與光譜反射率之間的相關(guān)性研究。

1 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1是SSSC定量實(shí)驗(yàn)的流程圖，包括：(1)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、測(cè)量?jī)x器設(shè)備；(2)獲取SSSC以及同步觀測(cè)光譜數(shù)據(jù)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3)分析不同SSSC的光譜曲線特性、峰值變化規(guī)律以及SSSC與光譜反射率的相關(guān)性。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

2021年1月15日在長(zhǎng)江口南匯嘴附近(30°55′44″N，121°59′36″E)利用泥沙采樣器采集表層沉積物樣品。采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對(duì)樣品進(jìn)行了粒度分析，樣品的平均粒徑(D50)為 28.63 μm，與長(zhǎng)江口表層懸浮物的粒徑相匹配[15]。

SSSC測(cè)定實(shí)驗(yàn)采用塑料材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)桶，其長(zhǎng)、寬各106 cm，高115 cm，桶內(nèi)壁、外壁以及底部涂成黑色以消除桶壁和桶底對(duì)太陽(yáng)反射的影響。采用ASD Field Spec Hand Held 便攜式高光譜儀測(cè)量光譜反射率，利用反射率為20%的標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)。ASD高光譜儀的參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)中ASD高光譜儀的積分時(shí)間為10 ms，每組連續(xù)采集30條光譜數(shù)據(jù)。采用量程為10 000 FTU的AQU Alogger 310TY濁度儀進(jìn)行濁度在線觀測(cè)。

表1 ASD高光譜儀參數(shù)Tab.1 Parameters of ASD high spectrometer

SSSC測(cè)定實(shí)驗(yàn)于2021年1月19日10:00—14:30 在上海海洋大學(xué)校內(nèi)開闊區(qū)域進(jìn)行，天氣晴朗無(wú)云、光照條件好。首先向?qū)嶒?yàn)桶中注入1 000 L自來(lái)水，并按由少到多的順序依次添加長(zhǎng)江口南匯嘴附近采集的泥沙沉積物。每次添加樣品后用水泵攪拌，使不同顆粒泥沙均勻懸浮于水中。攪拌5 min左右，在采樣區(qū)域內(nèi)上下左右移動(dòng)數(shù)字濁度儀。待數(shù)值穩(wěn)定時(shí)，采用水體光譜測(cè)量方法[16]測(cè)量表層懸浮泥沙光譜，具體步驟如下：儀器面向標(biāo)準(zhǔn)板、水體進(jìn)行輻亮度測(cè)量后，將儀器在觀測(cè)平面內(nèi)向上旋轉(zhuǎn)，觀測(cè)方向的天頂角和儀器與水面法線方向的夾角相同時(shí)，測(cè)量天空光的輻射亮度。

在光譜測(cè)量的同時(shí)使用容量為1 L的標(biāo)準(zhǔn)采樣瓶采集0.5 m深度的水樣過(guò)濾分析，在實(shí)驗(yàn)室采用十萬(wàn)分之一天平測(cè)定懸浮泥沙質(zhì)量濃度參數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

觀測(cè)角度、外部環(huán)境以及人為因素會(huì)造成一定的光譜測(cè)量誤差。剔除反射率值過(guò)高或過(guò)低以及明顯偏離正常水體光譜曲線的異常光譜數(shù)據(jù)，再取平均值作為該次測(cè)量的實(shí)際光譜曲線。ASD高光譜儀測(cè)得的水體遙感反射率Rrs可按下式計(jì)算[17]：

(1)

式中：Lw、Lsky、Lp分別是水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板的反射率測(cè)量平均值；ρp是白板反射率；f是水-氣界面反射率，無(wú)風(fēng)條件下為0.022，風(fēng)速為5 m/s左右時(shí)為0.025，風(fēng)速為10 m/s左右時(shí)為0.026～0.028[18]。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)速約為5 m/s，f值取0.025。

為了減弱線性或接近線性的背景噪聲影響，采用一階微分方法[19]對(duì)水體光譜曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式為

(2)

式中：R(λi)′為波長(zhǎng)反射光譜的一階微分值；λi-1、λi、λi+1為相鄰的波長(zhǎng)；R(λi-1)、R(λi+1)為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜反射率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 SSSC光譜曲線結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共獲取了41組SSSC數(shù)據(jù)(表2)，實(shí)測(cè)SSSC最小值為3.63 mg/L，最大值為654.38 mg/L。將SSSC數(shù)據(jù)分為3個(gè)質(zhì)量濃度區(qū)間：區(qū)間1中SSSC為3.63～36.59 mg/L，有8組數(shù)據(jù)；區(qū)間2中SSSC為52.69～200 mg/L，有19組數(shù)據(jù)；區(qū)間3中SSSC>200 mg/L，有14組數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定SSSC結(jié)果Tab.2 Laboratory determination of SSSC

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同步獲取41組不同SSSC的光譜數(shù)據(jù)，光譜曲線如圖2所示。由于水體的高吸收特性，在ASD測(cè)得的325～400 nm和900～1 075 nm的光譜范圍內(nèi)，水體的反射率容易受到外部干擾，其反射率值較低且波動(dòng)較大[20]。因此，本次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)分析僅限于光譜范圍400～900 nm。

圖2 不同SSSC光譜曲線Fig.2 Spectral curves of different SSSC

2.2 SSSC光譜—階微分結(jié)果

用公式(2)對(duì)光譜曲線進(jìn)行一階微分計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。SSSC光譜一階微分曲線有3個(gè)0值點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)不同SSSC一階微分曲線3個(gè)0值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(表3)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：SSSC為最低值 3.63 mg/L 時(shí)，第1個(gè)0值點(diǎn)位于563 nm，第2個(gè)0值點(diǎn)位于763 nm，第3個(gè)0值點(diǎn)位于 804 nm；SSSC為最高值654.38 mg/L時(shí)，第1個(gè)0值點(diǎn)位于595 nm，第2個(gè)0值點(diǎn)位于763 nm，第3個(gè)0值點(diǎn)位于805 nm。

圖3 不同SSSC光譜一階微分曲線Fig.3 First order differential of spectra curves for different SSSC

表3 不同SSSC光譜一階微分0值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)Tab.3 Wavelength corresponding to the first order differential 0 value for different SSSC spectra

3 分析與討論

3.1 SSSC光譜特性分析

從圖2可以看出，不同SSSC對(duì)應(yīng)的光譜曲線隨著SSSC的不斷增加，各波段的反射率值呈不同程度的增大趨勢(shì)，水體的光譜反射率曲線具有相似的形態(tài)，但也存在差異。在區(qū)間1中，SSSC為3.63～36.59 mg/L，水體的光譜反射率值小于0.01，光譜曲線僅在560～580 nm處出現(xiàn)1個(gè)峰值；區(qū)間2和3中SSSC>52.69 mg/L，水體的光譜曲線出現(xiàn)了2個(gè)峰值，第一反射峰位于570～710 nm，波長(zhǎng)范圍較寬，形狀較平坦，隨后光譜反射率曲線開始下降，在以水分子吸收為主的750 nm左右形成一個(gè)反射谷；第二反射峰出現(xiàn)在780～820 nm的近紅外波段，反射峰的寬度較窄，光譜曲線在830 nm后開始快速減小。區(qū)間2的 SSSC為52.69～200 mg/L，光譜反射率值在第1個(gè)峰值區(qū)間增加較快；區(qū)間3 的SSSC>200 mg/L，光譜反射率值在第2個(gè)峰值區(qū)間增加明顯。

3.2 SSSC光譜一階微分曲線分析

從SSSC光譜一階微分曲線結(jié)果(圖3)可以看出，光譜曲線一階微分出現(xiàn)的第1個(gè)0值對(duì)應(yīng)于光譜曲線中第一反射峰開始的位置，第2個(gè)0值對(duì)應(yīng)于光譜曲線中的波谷，第3個(gè)0值對(duì)應(yīng)于光譜曲線中的第二峰值開始的位置。在表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，SSSC從3.63 mg/L增加到654.38 mg/L時(shí)，第1個(gè)0值點(diǎn)從563 nm移動(dòng)到595 nm，即隨著SSSC的增加，長(zhǎng)江口區(qū)域SSSC的光譜曲線第一峰值存在“紅移”現(xiàn)象，這與韓震 等[21]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，第2和第3個(gè)0值點(diǎn)始終在763 nm和805 nm附近，光譜曲線第二峰值沒(méi)有明顯的位移現(xiàn)象。

同時(shí)，在波長(zhǎng)為400～563 nm、763～805 nm范圍內(nèi)，光譜曲線的一階微分為正值，表明原光譜反射率曲線為上升趨勢(shì)；在595～762 nm、807～900 nm范圍內(nèi)，光譜曲線的一階微分為負(fù)值，表明光譜反射率曲線為下降趨勢(shì)。在607～679 nm范圍內(nèi)，一階微分曲線的絕對(duì)值小于0.000 1，說(shuō)明光譜曲線的變化率較小，對(duì)應(yīng)了圖2中第一峰值區(qū)間內(nèi)較為平緩的部分。

3.3 SSSC光譜曲線峰值變化規(guī)律分析

為了研究光譜曲線的第一峰值波長(zhǎng)的“紅移”規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)獲得的第一峰值波長(zhǎng)數(shù)據(jù)和SSSC數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。R2為0.91，表明光譜曲線第一峰值波長(zhǎng)的“紅移”變化與SSSC存在較高的線性相關(guān)性。

圖4 SSSC與第一反射峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of SSSC and wavelength corresponding to the first reflection peak

為了進(jìn)一步研究SSSC光譜反射率曲線兩個(gè)峰值的變化規(guī)律，分別計(jì)算不同SSSC對(duì)應(yīng)的光譜反射率曲線達(dá)到第一峰值與第二峰值的波長(zhǎng)(即光譜一階微分的第1個(gè)、第3個(gè)0值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))之間連線的斜率k，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同SSSC峰值之間連線的斜率變化Fig.5 Slope change of the line between different SSSC peaks

由圖5可知，斜率k均小于0，表明在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的SSSC范圍內(nèi)，第二峰值的反射率始終小于第一峰值。當(dāng)SSSC<200 mg/L時(shí)，k逐漸減小，即第一峰值的增長(zhǎng)速率較快，表明第一峰值對(duì)SSSC變化的響應(yīng)較強(qiáng)；當(dāng)SSSC>200 mg/L時(shí)，k開始增大，即第二峰值的增長(zhǎng)速率開始大于第一峰值，表明隨著SSSC的增加，兩個(gè)峰值之間的差距逐漸縮小，第一峰值對(duì)SSSC變化的響應(yīng)能力減弱，第二峰值對(duì)SSSC變化的響應(yīng)能力增強(qiáng)。

3.4 SSSC與光譜反射率相關(guān)性分析

用PEARSON相關(guān)性分析方法計(jì)算不同波長(zhǎng)的光譜反射率和SSSC的相關(guān)系數(shù)，研究不同波長(zhǎng)對(duì)于SSSC變化的響應(yīng)能力[22]。

相關(guān)系數(shù)曲線如圖6所示：當(dāng)SSSC<200 mg/L時(shí)，波長(zhǎng)在400～600 nm之間光譜反射率與SSSC的相關(guān)系數(shù)隨波長(zhǎng)增大而增大；波長(zhǎng)在600～860 nm范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.93左右；波長(zhǎng)大于 860 nm 時(shí)，相關(guān)系數(shù)開始快速減小。表明在400～900 nm 光譜范圍內(nèi)，600～860 nm波段對(duì)0～200 mg/L 質(zhì)量濃度區(qū)間內(nèi)的SSSC變化的響應(yīng)能力較強(qiáng)且穩(wěn)定。

圖6 SSSC與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients of SSSC with spectral reflectance

當(dāng)SSSC>200 mg/L時(shí)，光譜反射率與SSSC的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，特別是波長(zhǎng)在700～900 nm光譜范圍內(nèi)的相關(guān)系數(shù)高于0.9。其中：波長(zhǎng)在400～440 nm 之間時(shí)，相關(guān)系數(shù)隨波長(zhǎng)增大逐漸減小；波長(zhǎng)大于440 nm，相關(guān)系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而增大，并在740 nm處達(dá)到峰值；隨后在740～900 nm之間，相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.97左右，在800 nm處出現(xiàn)輕微的谷值。這表明740～900 nm波段對(duì) >200 mg/L 質(zhì)量濃度區(qū)間內(nèi)的SSSC的變化更敏感且比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文選取長(zhǎng)江口區(qū)域的泥沙沉積物，利用自來(lái)水進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)，定量模擬了長(zhǎng)江口海域的SSSC，分析了不同SSSC的光譜曲線特性、反射率峰值變化規(guī)律以及SSSC與光譜反射率的相關(guān)性，得到如下結(jié)論。

(1)隨著SSSC的不斷增大，各波段的反射率值呈不同程度的增大趨勢(shì)。當(dāng)SSSC<36.59 mg/L時(shí)，水體的光譜曲線僅有1個(gè)峰值，波長(zhǎng)位于560～ 580 nm。當(dāng)SSSC>52.69 mg/L時(shí)，第一峰值波長(zhǎng)位于570～710 nm，范圍較寬，形狀較平坦，且出現(xiàn)第二峰值，波長(zhǎng)位于780～820 nm的近紅外波段，反射峰的寬度較窄；隨著SSSC增加，光譜反射率值在第二個(gè)峰值區(qū)間增加明顯。

(2)長(zhǎng)江口區(qū)域SSSC的光譜曲線在第一峰值的波段區(qū)間存在明顯的“紅移”現(xiàn)象，且第一峰值波長(zhǎng)的“紅移”變化與SSSC具有較高的線性相關(guān)性。

(3)在400～900 nm光譜范圍內(nèi)，當(dāng)SSSC<200 mg/L 時(shí)，600～860 nm波段對(duì)SSSC變化的響應(yīng)能力較強(qiáng)且穩(wěn)定；當(dāng)SSSC>200 mg/L時(shí)，740～900 nm 波段對(duì)SSSC的變化更敏感且比較穩(wěn)定。研究結(jié)果對(duì)長(zhǎng)江口區(qū)域SSSC高光譜監(jiān)測(cè)的波長(zhǎng)選擇具有重要的借鑒意義。

本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的水體為自來(lái)水，僅考慮不同SSSC對(duì)水體光譜反射率的影響，對(duì)于鹽度、葉綠素以及其他有機(jī)物對(duì)水體光譜測(cè)定的影響機(jī)理，將在后續(xù)的研究中進(jìn)行探討。