懸浮顆粒物垂直分布對水體光學(xué)特性的影響*

黃 玨，陽凡林，陳莉瓊，陳曉玲，江 濤**

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079；3.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東青島 266590)

懸浮顆粒物垂直分布對水體光學(xué)特性的影響*

黃 玨1,3，陽凡林1，陳莉瓊2，陳曉玲2，江 濤1**

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079；3.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東青島 266590)

【目的】研究典型湖泊水體垂直分布對遙感反射率的影響，并了解其主要影響波段和影響水深?！痉椒ā坷脤崪y數(shù)據(jù)和前向輻射傳輸模型得到水體垂直分布模擬數(shù)據(jù)，選取兩種典型的湖泊水體垂直分布類型，研究它們對水表面遙感反射率的影響，并分析其敏感波長和最大影響深度?！窘Y(jié)果】與均質(zhì)水體相比，不同類型的水體垂直分布最大會引起遙感反射率100%的高估或者30%的低估且誤差隨著水深的增大而減小。當表層懸浮顆粒物濃度(SPM1)較小時，在相同濃度條件下，不同類型水體垂直分布的敏感波長隨著水深增大逐漸減??；在同一深度時，敏感波長隨著懸浮顆粒物濃度的增大逐漸向長波方向移動；當SPM1較大時，敏感波長隨水深增大沒有明顯變化。不同類型水體在SPM1較低時，各波段的最大影響水深各不相同，可達10 m，并隨表層懸浮顆粒物濃度的增大而逐漸減小，峰值波長逐漸向長波方向移動；當SPM1較大時，最大影響水深集中于0.5～2.0 m，隨波段遞增無明顯變化規(guī)律。隨著表層水體的衰減系數(shù)的增大，最大影響水深在不同波段基本呈遞減趨勢?！窘Y(jié)論】研究成果有助于準確的理解表層遙感反射率中所包含的水體垂直結(jié)構(gòu)信息，并為深入研究非均質(zhì)水體光學(xué)特性及其輻射傳輸過程提供理論依據(jù)。

水體垂直分布 遙感反射率 敏感波長 最大影響水深

0 引言

【研究意義】現(xiàn)有的水色遙感研究大多基于水體組分均勻分布的假設(shè)[1-2]，然而在地表徑流、江水倒灌、風浪掀沙、采砂基建等因素的影響下，自然水體在水平和垂直方向上通常呈現(xiàn)非均勻分布。因此，準確地理解表層遙感反射率中所包含的水體垂直結(jié)構(gòu)信息，可以為深入研究非均質(zhì)水體光學(xué)特性及其輻射傳輸過程提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】Gordon等[3-5]最早展開水體垂直不均勻分布對遙感反射率的影響研究。通過水體輻射傳輸?shù)腗onte Carlo方法對兩層和連續(xù)多層海水進行模擬發(fā)現(xiàn)，對透光層內(nèi)水體組分濃度引入剖面權(quán)重函數(shù)可以將分層水體的漫反射比等效為帶權(quán)重的均質(zhì)水體的漫反射比，并提出了與固有光學(xué)特性相關(guān)的權(quán)重函數(shù)表達式。Zaneveld等[6]基于雙流模型提出了修正的剖面權(quán)重函數(shù)對Gordon公式進行了改進。對于大洋水體，已有學(xué)者開始關(guān)注浮游植物主導(dǎo)水域次表層葉綠素最大值引起的水體垂直不均勻分布對透光層深度、水表面以上遙感反射率和葉綠素剖面權(quán)重函數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素垂直均勻分布和不均勻分布所產(chǎn)生的遙感反射率差異在5%～70%之間[7-9]。而內(nèi)陸湖泊水體的相關(guān)研究相對較少[10]?！颈狙芯壳腥朦c】對于湖泊而言，河流攜沙入湖、江水倒灌、湖泊環(huán)流和采砂等影響是引起泥沙輸移、沉積、再懸浮的主要原因，而因此產(chǎn)生的不同類型的懸浮顆粒物垂向分布差異對水體光學(xué)特性的影響仍有待研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】依據(jù)野外采樣結(jié)果，確定鄱陽湖水體懸浮顆粒物的典型垂直分布類型，利用水體光學(xué)輻射傳輸模型，模擬得到不同懸浮顆粒物垂直分布條件下的水體光學(xué)特性，在定量分析不同類型水體垂直分布對遙感反射率影響的基礎(chǔ)上，分析其敏感波長、最大影響深度。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

鄱陽湖位于長江中下游的江西省境內(nèi)，是我國最大的淡水湖泊(圖1)。鄱陽湖季節(jié)性水面積變化顯著，年內(nèi)豐、枯水季湖泊面積變化10倍以上[11]；水深在1～25 m之間，平均水深為8.4 m(文獻[12])。鄱陽湖的水量吞吐平衡受到五大河流及長江水資源調(diào)度的共同影響。自2001年興起的大規(guī)模采砂運動引起了鄱陽湖底質(zhì)再懸浮，導(dǎo)致懸浮顆粒物濃度的增大和水體透明度的降低[13]，還直接影響了鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)功能和可持續(xù)利用。

圖1 鄱陽湖位置圖

Fig.1 Location of Poyang Lake

1.2 數(shù)據(jù)測量

本研究中所用的實測數(shù)據(jù)來自2008年～2011年期間的3次鄱陽湖水色觀測實驗，主要的觀測數(shù)據(jù)包括水面光譜數(shù)據(jù)、懸浮顆粒物濃度、黃色物質(zhì)濃度、水深、水體固有光學(xué)特性(吸收系數(shù)、衰減系數(shù)等)和輔助數(shù)據(jù)，具體測量步驟參見文獻[14-15]。其中水體懸浮顆粒物濃度進行了垂直分層測量：在距水表面0.5 m處和距湖底0.5 m處分別采集表層和底層水樣，在水深的一半處取中層水樣，并分別計算各層水體的懸浮顆粒物濃度。依據(jù)鄱陽湖實測數(shù)據(jù)，本研究選擇兩種典型的湖泊水體懸浮顆粒物垂直分布類型：自表層至底層懸浮顆粒物濃度遞增型(Ⅰ型)和自表層至底層懸浮顆粒物濃度遞減型(D型)。測量結(jié)果以表層懸浮顆粒物濃度為基準，做歸一化處理。

1.3 輻射傳輸模擬

本研究利用Hydrolight軟件進行輻射傳輸模擬[16]，水體組分主要考慮礦物質(zhì)與巖屑以及黃色物質(zhì)(CDOM)，因此固有光學(xué)量參數(shù)化模型可以表示為

a(λ,z)=aw(λ)+ap(λ,z)+ag(λ,z)，

(1)

b(λ,z)=bw(λ)+bp(λ,z)，

(2)

其中a(λ，z)為水體總吸收系數(shù)，aw(λ)為純水吸收系數(shù)，ap(λ，z)為懸浮顆粒物吸收系數(shù)，ag(λ，z)為黃色物質(zhì)吸收系數(shù)；b(λ，z)為水體總散射系數(shù)，bw(λ)為純水散射系數(shù)，bp(λ，z)為懸浮顆粒物散射系數(shù)，黃色物質(zhì)的散射系數(shù)忽略不計。模型假定aw(λ)和bw(λ)不隨深度而變化，僅為波長的函數(shù)；而ap(λ，z)、bp(λ，z)和ag(λ，z)在垂直剖面上非均勻分布，為波長與水深的函數(shù):

(3)

(4)

ag(λ,z)=ag(λ0,z)exp [-S(λ-λ0)]=

[0.070×SPM(z)0.64]exp [-S(λ-λ0)]，

(5)

Hydrolight模擬中，散射相函數(shù)選擇Fournier-Forand模型，懸浮顆粒物的后向散射概率取0.025，大氣模式選擇Radtran模型，平均風速5 m/s，太陽高度角30°，水深為無限深[14]。輸出波長范圍設(shè)置為300～900 nm，間隔10 nm。表層懸浮顆粒物濃度(SPM1)在0.5～50.0 mg/L之間變化。由于水體深度也會對水下光場產(chǎn)生影響，因此本研究依據(jù)鄱陽湖實測數(shù)據(jù)設(shè)置了4個水深區(qū)間：0.1～1.0 m(增量0.1 m)，1.0～5.0 m(增量0.5 m)，5～10 m(增量1 m)，10～20 m(增量5 m)。由于SPM1較大時光線的穿透能力有限，因此不同SPM1模擬的深度區(qū)間數(shù)量不同。此外，本研究模擬了SPM1為0.5～50.0 mg/L的9組垂直均勻分布水體的光學(xué)特性，作為后續(xù)分析中非均質(zhì)水體的參考標準。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直分布對遙感反射率的影響

圖2為懸浮顆粒物濃度遞增型水體垂直分布(Ⅰ型)和遞減型水體垂直分布(D型)的遙感反射率隨水體深度的變化情況，圖中黑色實線代表均質(zhì)水體遙感反射率，圖中彩線從藍色至紅色的變化方向為水深(z)遞增的方向。第1，3列為遙感反射率(Rrs)，第2，4列為非均勻水體與均質(zhì)水體之間遙感反射率的百分比誤差(ΔRrs)。

與均質(zhì)水體相比，Ⅰ型水體垂直分布使Rrs在各個波段被高估，特別是當SPM1較小且水深較淺時ΔRrs較大，而隨著水深的增大，ΔRrs逐漸減小并趨近于0。例如SPM1為1 mg/L時，ΔRrs從0.1 m時的+108.2%減小到20 m時的接近于0(圖2d)。從整個光譜范圍來看，隨著懸浮顆粒物濃度的增大，Ⅰ型水體垂直分布下Rrs的主要影響波段范圍逐漸向長波方向移動。如圖2a～c所示，SPM1=1 mg/L時，水體垂直分布的主要影響波段為500～700 nm；當SPM1=10 mg/L時，主要影響波段為650～800 nm；當SPM1=50 mg/L時，主要影響波段長于700 nm，且400～700 nm不同水深對應(yīng)的ΔRrs無明顯變化(≤18%)。D型水體垂直分布使Rrs在各波段被低估，最多可低估30%左右(圖2l)。與Ⅰ型相似，隨著水深的增大，水體垂直分布對Rrs的影響逐漸減弱；隨著SPM1的增大，水體垂直分布的主要影響波段逐漸向紅光波段移動。

(a)～(f) are typeⅠ,(g)～(l) are type D

圖2 水體垂直分布模擬結(jié)果

Fig.2 Radiative transfer simulation results for vertical profile

2.2 敏感波長

在不同懸浮顆粒物濃度、不同水深條件下使得|ΔRrs(λ)|最大的波長，可視為對于Rrs變化最為敏感的波長(λmax)。如圖3所示，當懸浮顆粒物濃度較小時(例如≤20 mg/L)，兩種水體垂直分布基本遵循相似的變化規(guī)律：在相同濃度條件下，λmax隨著水深的增加逐漸減?。煌簧疃葧r，λmax隨著SPM1的增大逐漸向長波方向移動。由此可知，對于水深在1～10 m并且SPM1≤20 mg/L的非均質(zhì)水體(適用于大部分內(nèi)陸湖泊水體)，水體垂直分布的主要影響波段范圍為580～710 nm。因此，在建立遙感反演模型時，如能避開以上波段范圍可以有效減小由于水體垂直不均勻分布所引起的遙感反射率誤差。而當SPM1較大時(例如50 mg/L)，λmax主要集中于750～900 nm，且隨水深增大沒有明顯變化。

圖3 敏感波長與水深散點圖

Fig.3 Sensitive wavelength vs water depth

2.3 最大影響深度

依據(jù)Stramska等[6]的研究成果，本研究選擇5%作為判定ΔRrs明顯變化的標準。由前文分析可知，Ⅰ型和D型水體垂直分布的ΔRrs隨水深增大呈單調(diào)遞減，因此最大影響水深(zmax)應(yīng)滿足z≥zmax時，|ΔRrs(λ)|<5%；z

圖4 最大影響水深與波長

Fig.4 Maximum influence water depth vs wavelength

由2.1節(jié)的分析可知，當懸浮顆粒物濃度很大時，遙感反射率對水深和波長的變化并不敏感，如圖2f和2l所示，多條光譜曲線近乎重合，該現(xiàn)象直接導(dǎo)致較大濃度時zmax隨波段無明顯變化。這可能是由于利用Hydrolight進行水體輻射傳輸模擬時，整個水柱上的懸浮顆粒物濃度隨水深增大而迅速增加且總和巨大，各波段、各水深的模擬結(jié)果十分接近，導(dǎo)致后續(xù)分析中出現(xiàn)遙感反射率對水深和波長不敏感。下一步研究將改進參數(shù)設(shè)置，以期得到更為合理的模擬結(jié)果。

(6)

(λ-443))。

(7)

由圖5可知，對于Ⅰ型和D型水體垂直分布，隨著c1的增大，zmax在445 nm、555 nm、665 nm和710 nm 4個波段基本呈遞減趨勢。其中紅光波段(圖5d)遞減趨勢最弱，zmax分布相對集中。造成上述現(xiàn)象的原因與前文討論的表層懸浮物濃度較高時zmax的異常分布類似。

圖5 最大影響水深與表層水體衰減系數(shù)

Fig.5 Maximum influence water depth vs attenuation coefficient of surface water

3 結(jié)論

本研究以鄱陽湖實測數(shù)據(jù)為輸入條件，利用輻射傳輸模擬結(jié)果研究了兩種典型水體垂直分布類型對水表面遙感反射率的影響，得到以下結(jié)論：

與均質(zhì)水體相比，兩種不同的水體垂直分布最多會引起遙感反射率100%的高估或者30%的低估，其中Ⅰ型水體垂直分布使得遙感反射率在全波段被高估，而D型則導(dǎo)致遙感反射率被低估，誤差均隨著水深的增大而減小。

兩種類型水體垂直分布的敏感波長變化規(guī)律相似：當SPM1較小(如≤20 mg/L)，水深在1～10 m時，敏感波長主要集中于580～710 nm，在相同濃度條件下敏感波長隨著水深增大逐漸減?。辉谕簧疃葧r，敏感波長隨著懸浮顆粒物濃度的增大逐漸向長波方向移動；當SPM1較大時(例如50 mg/L)，敏感波長主要集中于750～900 nm，且隨水深增大沒有明顯變化。

兩種類型水體在SPM1較低時，各波段的最大影響水深各不相同，可達10 m，并隨表層懸浮顆粒物濃度的增大而逐漸減小，峰值波長逐漸向長波方向移動；當SPM1較大時，最大影響水深集中于0.5～2.0 m，隨波段遞增無明顯變化規(guī)律。隨著表層水體的衰減系數(shù)的增大，最大影響水深在445 nm、555 nm、665 nm和710 nm 4個波段基本呈遞減趨勢。

本研究結(jié)果有助于準確理解表層遙感反射率中所包含的水體垂直結(jié)構(gòu)信息，同時為深入研究非均質(zhì)水體光學(xué)特性及其輻射傳輸過程提供理論依據(jù)。

[1] FORGET P,BROCHE P,NAUDIN J J.Reflectance sensitivity to solid suspended sediment stratification in coastal water and inversion:A case study[J].Remote Sensing of Environment,2001,77(1):92-103.

[2] YANG Q,STRAMSKI D,HE M X.Modeling the effects of near-surface plumes of suspended particulate matter on remote-sensing reflectance of coastal waters[J].Applied Optics,2013,52(3):359-374.

[3] GORDON H R,MCCLUNEY W R.Estimation of the depth of sunlight penetration in the sea for remote sensing[J].Applied Optics,1975,14(2):413-416.

[4] GORDON H R.Remote sensing of optical properties in continuously stratified waters[J].Applied Optics,1978,17(12):1893-1897.

[5] GORDON H R,CLARK D K.Remote sensing optical properties of a stratified ocean:An improved interpretation[J].Applied Optics,1980,19(20):3428-3430.

[6] ZANEVELD J R,BARNARD A H,BOSS E.Theoretical derivation of the depth average of remotely sensed optical parameters[J].Optics Express,2005,13(22):9052-9061.

[7] STRAMSKA M,STRAMSKI D.Effects of a nonunifo- rm vertical profile of chlorophyll concentration on remote-sensing reflectance of the ocean[J].Applied Optics,2005,44(9):1735-1747.

[9] XIU P,LIU Y,TANG J.Variations of ocean colour parameters with nonuniform vertical profiles of chlorophyll concentration[J].International Journal of Remote Sensing,2008,29(3):831-849.

[10] 黃昌春,李云梅,王橋,等.基于水動力學(xué)的水體組分垂直結(jié)構(gòu)對遙感信號的影響[J].光學(xué)學(xué)報,2012,32(2):0201005. HUANG C C,LI Y M,WANG Q,et al.Influence of vertical distribution of water consistuent on the remote sensing based on hydrodynamics[J].Acta Optica Sinica,2012,32(2):0201005.

[11] 張本.鄱陽湖研究[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1988. ZHANG B.Studies on Poyang Lake[M].Shanghai:Science and Technology Press,1988.

[12] 張榮峰.鄱陽湖水系泥沙特性及對環(huán)境的影響[J].江西水利科技，1991，17(3):237-241. ZHANG R F.Sediment characteristics of Poyang Lake river system and its impact on the environment[J].Jiangxi Hydraulic Science & Technology，1991，17(3):237-241.

[13] FENG L,HU C M,CHEN X L,et al.Assessment of inundation changes of Poyang Lake using MODIS observations between 2000 and 2010[J].Remote Sensing of Environment,2012,121:80-92.

[14] HUANG J,CHEN L Q,CHEN X L,et al.Validation of semi-analytical inversion models for inherent optical properties from ocean color in coastal Yellow Sea and East China Sea[J].Journal of Oceanography,2013,69(6):713-725.

[15] 黃玨,陳曉玲,陳莉瓊,等.鄱陽湖高渾濁水體懸浮顆粒物粒徑分布及其對遙感反演的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(11):3085-3089. HUANG J,CHEN X L,CHEN L Q,et al.Particles size distribution and its influence on remote sensing retrieval of turbid Poyang Lake[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34(11):3085-3089.

[16] 席穎,杜克平,張麗華,等.葉綠素濃度垂直不均一分布對于分層水體表觀光學(xué)特性的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析,2010,30(2):489-494. XI Y,DU K P,ZHANG L H,et al.The influence of nonuniform vertical profiles of chlorophyll concentration on apparent optical properties[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2010,30(2):489-494.

[17] BABIN M,STRAMSKI D,FERRARI G M,et al.Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton,nonalgal particles and dissolved organic matter in coastal waters around Europe[J].Journal of Geophysical Research,2003,108(C7):3211.

(責任編輯：陸 雁)

Effects of Nonuniform Vertical Profile of Suspended Particulate Matter on Water Optical Properties

HUANG Jue1,3，YANG Fanlin1，CHEN Liqiong2，CHEN Xiaoling2，JIANG Tao1

(1.College of Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong，266590，China；2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing (LIESMARS)，Wuhan University，Wuhan，Hubei，430079，China；3.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinfomation，Qingdao，Shandong，266590，China)

【Objective】The influence exerted by nonuniform vertical profile of suspended particulate matter on remote-sensing reflectance was studied for a typical inland lake.The major sensitive wavelengths and maximum influence water depths were discussed.【Methods】The in situ data and forward radiative transfer model were applied to simulated two typical vertical distributions of water column.The sensitivity of remote sensing reflectance(Rrs) associated with stratified water column showed correlation with suspended particulate matter (SPM),sensitive wavelength and maximum influence water depth.【Results】Compared to vertical uniformed water column,different vertically stratified types could cause more than 100% overestimation or 30% underestimation of Rrsat most and the error decreased with the increase of water depth.When the concentration of surface SPM (SPM1) was small,the sensitive wavelengths of different water profiles decreased with increasing water depth under the same SPM1.For the same water depth,the sensitive wavelengths moved towards the longer wavebands with increasing SPM1.When SPM1was large,no obvious correlation between water depth and sensitive wavelength was observed.The maximum influence water depths for different vertical profiles varied and could reach up to 10 m when the water was clear.With the increased SPM1,the maximum influence water depths decreased and sensitive wavelengths moved towards the longer wavebands.In contrast,the maximum influence water depths centered on 0.5～2.0 m and showed no pronounced tendency when the water was turbid.In addition,the increasing attenuation coefficient of surface water usually led to a decreasing maximum influence water depth.【Conclusion】The results will improve our understanding of the vertical structure information obtained from surface remote sensing reflectance.

water vertical distribution，remote sensing reflectance，sensitive wave length，maximum influence water depth

2016-07-27

黃 玨(1987-)，女，博士，博士后，主要從事水環(huán)境定量遙感研究。

*山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2016DB23)，國家自然科學(xué)基金項目(41471331)，海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室項目(2015B06)和青島市博士后研究人員應(yīng)用研究項目(2015206)資助。

http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1206.G3.20161230.0934.006.html

TP79

A

1005-9164(2016)06-0507-06

**通信作者：江 濤(1961-)，男，博士，教授，主要從事資源與環(huán)境遙感、遙感數(shù)字圖像處理等方面的研究，E-mail：tjiang@126.com。

廣西科學(xué)Guangxi Sciences 2016,23(6):507～512

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時間：2016-12-30 【DOI】10.13656/j.cnki.gxkx.20161230.003