珠江口海水透明度与光谱相关关系研究

陈蕾;谢健;彭晓鹃;李振;娄全胜;张晓浩;杨帆

【摘 要】通过对2009年5月珠江口门内外水体光谱采样数据的分析处理,得到该海域水体离水光谱反射率及其负对数值;分别计算水体离水光谱反射率及其负对数与水体透明度的相关系数,发现后者与海水透明度的相关系数比前者要高出约11％.为便于应用卫星遥感数据开展南海海域水体透明度的反演,选用和Hyperion卫星数据相关波段中心波长相对应、且相关系数较高波长处的水体离水光谱反射率及其负对数为变量,分别建立线性、多项式、乘幂及指数的海水透明度拟合回归方程.、经比较分析,发现采用559 nm处水体离水光谱反射率负对数的乘幂回归方程(拟合度R2=0.922 2,检验样本平均相对误差为18％)可获得较好的拟合结果,这为南海近岸海水透明度的卫星遥感反演提供了基础研究支撑.%The water - leaving reflectance spectra of seawater were obtained through data collected at the Pearl River Estuary in May, 2009. Their negative natural logarithmic values were also acquired by calculation. The correlation coefficients between secchi depths and water - leaving reflectance spectra of seawater and their negative natural logarithmic values were calculated. The correlation coefficients between secchi depths and negative natural logarithm values of water - leaving reflectance spectra of seawater are about 11 % higher than the correlation coefficients between secchi depths and water - leaving reflectance spectra of seawater. According to the analytical result, the water - leaving reflectance spectra of seawater and their negative natural logarithm values whose correlation coefficients are maximum and whose locations are Hyperion satellite center wavelength

were selected to formulate linear, polynomial, power and exponential regression equations which were used to fit seawater clarity. It is found that the power regression equation fitted by the negative natural logarithm values of water - leaving reflectance spectra of seawater at 559 nm can receive better results. The fitting degree R2 is 0. 922 2 and the average relative error is 18% for the tested samples. The result obtained by the authors can provide support for retrieval of seawater clarity in South China Sea shore by satellite remote sensing. 【期刊名称】《国土资源遥感》 【年(卷),期】2011(000)003 【总页数】5页(P151-155)

【关键词】水体离水光谱反射率;海水透明度;珠江口 【作 者】陈蕾;谢健;彭晓鹃;李振;娄全胜;张晓浩;杨帆

【作者单位】中山大学地理科学与规划学院遥感与地理信息工程系,广州510275;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300;国家海洋局南海环境监测中心,广州510300;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300;国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院,广州510300 【正文语种】中 文 【中图分类】TP79

海水本身是无色透明的，但当海水中含有有机质、微生物及悬浮物等物质时，海水便会产生混浊现象，造成水体透明度(SD)降低。透明度是描述水体光学特征的一个重要参数，是评价水体富营养化程度的一个重要指标［1］，能直观地反映水体的污染情况。在军事上，透明度又是潜艇潜没深度和水雷布设的主要参数［2］。水体透明度的测量通常采用塞克盘(Secchi Disc)法［3，4］，该方法实测数据虽然较为精确，但为单点测量，所以，要想获得大范围实测数据就要花费大量的时间和经费。为弥补实测方法的上述不足，已有研究者利用遥感数据进行了水体透明度的反演，提出的遥感统计模型主要有基于离水辐亮度波段比值(或波段差，或波段与波段比值的和)的对数模型［5，6］、基于主成分分析或光谱系数的指数模型［7，8］、基于遥感反射比的主因子分析、多元逐步回归分析模型［5］以及基于影像灰度值或光学衰减系数的倒数模型［9，2］等，反演模型的拟合度 R2分布范围为0.720～0.982。这些统计模型通常能够获得较高的反演精度，但由于受地域限制，已有的统计模型并不具有普适性。目前，国内研究区域主要集中在黄海［5］、太湖［7］和滇池等地［9］，对珠江口海水透明度与其光谱相关关系的研究尚不多见。为便于下一步采用卫星遥感数据开展南海海区海水透明度的遥感反演研究，本文拟利用在珠江口现场测量并进行处理后得到的水体离水光谱反射率及其负对数，对塞克盘测量法同步获取的水体透明度及其光谱的相关性进行研究，并建立相应的回归拟合方程。

光谱测量时间为2009年5月13～20日，采样海域为珠江口口门海域。区域内设有P1～P20共20个站位，调查站位分布如图1所示。

采用塞克盘法对水体透明度进行测量。塞克盘为白色，直径为30 cm，在船上背阳一侧，垂直放入水中，直到看不见为止，此时的深度即为透明度。测量所得水体透明度范围为0.8～17 m，其变化趋势由口门内向外逐渐增高。测量时风速为0～10 m/s。

本次水体光谱测量采用美国ASD公司的Field-Spec Pro Dual VNIR便携式波谱仪。该仪器采用双通道设置:一个通道用于采集照明光源的辐亮度光谱数据;另一个通道同时采集目标的辐照度光谱，可最大程度避免船体晃动或水体波浪、风、云和水汽带来的影响。

采样时段为9:00～16:00，测量时天气晴朗。采用的标准板反射系数为25%。测量方法采用文献［10］提到的水面以上测量法。采集数据用的光纤为原装ASD，将其挂在一长为3 m、涂有黑漆的金属杆上，将探头伸向海面，采集受船体影响较小的水体光谱。探头离水面高度约为2 m。测量步骤为:①用目标探头和参考探头分别测量水体辐亮度Lw(测量天顶角为45°)和太阳入射辐亮度Ls;②用目标探头和参考探头分别测量天空光幅亮度Lsky(与测量水体同一测量平面，测量角与水体测量角对称，测量天顶角为135°)和遮阴灰板幅亮度Ldif。每次测量数据采集为10条，取其平均值。

本次测量为近水面测量，可忽略大气的影响。测量时各站位的水深都较深，水深较浅的海域因其透明度有限，其水底的反射光也无法到达传感器，故光谱仪传感器获得的水面以上辐亮度组成为［10］

式中，Lw(λ)为光谱仪传感器获得的水面以上总的辐亮度;Llw(λ)为进入水体的光被散射回来进入传感器的离水辐亮度;rskyLsky(λ)为水面反射天空光辐亮度，该部分能量不带任何水体水质信息;Lc(λ)为海面白帽信息;Lg(λ)为水面波浪对太阳直射光的随机反射，没有任何水体水质信息。

测量时传感器探头观测平面和太阳入射平面夹角为135°，可忽略水面反射太阳直射光的影响。在选择合适的观测海面以避开水面泡沫的情况下，传感器测量的水体辐亮度为

式中，Lw(λ)和Lsky(λ)均可通过测量获得。根据唐军武的研究［10］，

rsky=2.1% ～5%，为观测方向上气－水界面对入射方向天空光的反射率［10］。

本次研究rsky的计算采用文献［10］中提出的计算方法，即

通过式(3)计算出rsky在800～900 nm波长范围内共101个数值，本次研究取其平均值。

设水体离水光谱反射率为ρ(λ)，则式(2)可写为 式中，Ls(λ)为太阳入射辐亮度，可通过测量得到。 由式(3)、(4)便可以得到水体离水反射率为

由式(5)计算可得水体离水光谱反射率，其曲线特征如图2所示。

由图2可以看出，由于水体的强吸收，部分站位在715 nm后离水光谱反射率已为0了。虽然部分站位由于水中物质散射的影响，离水光谱反射率值在900 nm后才是信号噪音，但为便于比较分析，选取350～715 nm之间的数据求取水体离水光谱反射率的负自然对数ρ'(λ)，即

由式(6)计算得到的各站位光谱反射率负对数如图3所示。

计算采样样本间的相关系数r，进行相关性分析，相关系数值处于－1～1之间。为减少计算工作量，在350～715 nm间选取10的倍数波长处的值进行相关分析，共采样37个波段数据。计算得到的离水光谱反射率及其负对数在每个波段与海水透明度的相关系数如图4所示。

由图4可知，离水光谱反射率与海水透明度的相关系数和离水光谱反射率负对数与海水透明度的相关系数几乎呈以y=0直线为对称轴的形式分布。在510～690 nm波长范围内，离水光谱反射率及其负对数与海水透明度的相关系数绝对值均较大，呈现为一稳定的相关系数峰值平台:离水光谱反射率负对数与海水透明度的相关系数呈正相关，平均值为0.857，峰值位于560 nm为0.895;离水光谱反射率与海水透明度呈负相关，相关系数平均值为－0.726，峰值在540 nm 处为 －0.788。

水体越纯净，海水透明度越大，而海水本身的后向散射率随波长增加呈负指数规律

进行衰减，在450 nm后水体后向散射系数已低于0.005［11］。因此，测量得到的水体离水反射率则相应会变小;水中悬浮物和其他溶解物质含量较多时，水体透明度相应变小，而水中悬浮物及其他溶解物质会增大水体的后向反射率，因此波长大于450 nm后测量的离水光谱反射率则相应会变大，造成水体透明度和水体离水光谱反射率在450 nm后呈负相关。分析还表明，离水光谱反射率负对数与水体透明度的相关系数绝对值比水体离水光谱反射率与透明度相关系数绝对值要高出约11%。究其原因，主要是因为在海水中，光线强度是随着深度的增加按自然对数e的负指数规律递减的。如果监测海区的水体衰减系数和后向散射系数均匀分布，透明度和离水光谱反射率负对数应呈准线性关系。事实上，监测海区的光学参数分布并不均匀，因此，造成透明度和离水光谱反射率负对数相关性很高，高于离水光谱反射率与透明度的相关系数，但却并不是线性相关最高。

根据相关分析结果，基于Hyperion波段的中心波长位置，分别采用波长为539 nm和559 nm的数据建立离水光谱反射率及其负对数与海水透明度拟合的各种回归分析方程。根据测量站位分布范围及其实测海水透明度值，选取站位 P3、P6、P8、P14和 P20(见图1)的数据作为精度检验样本，这些样本基本涵盖了实测海水透明度的分布范围，其余15个站位数据作为建模样本建立回归方程，具体结果见表1。

在表(1)中，拟合度R=r2，R值越接近1，表明拟合的程度越高，当接近0时，表示拟合的程度极差。采用式(7)计算检验样本平均相对误差，即

由表1可以看出，无论采用哪种回归方式，离水光谱反射率负对数拟合得到的透明度值均比采用离水光谱反射率得到透明度值拟合度要高，检验样本平均相对误差要小。根据对比分析结果，采用离水光谱反射率负对数建立海水透明度乘幂回归方程为

各站位海水透明度实测值和光谱拟合值见图5。

由图5可知，光谱拟合值和实测值基本一致。在20个站位中，有11个站位光谱拟合值和实测值的绝对差在0.5 m以内。实测海水透明度在5 m以下的站位，光谱拟合值和实测值绝对差均在1 m以内;实测透明度值大于5 m以上的站位，拟合值和实测值绝对差出现动荡，在12个实测透明度值大于5 m的站位中有4个站位拟合值和实测值绝对差超过了3 m。说明该回归方程在海水透明度较小海域的稳定性高于在海水透明度较高海域，较适合沿岸二类水体的海水透明度光谱拟合回归分析。

(1)通过2009年5月对珠江口门内外水体光谱和海水透明度的研究，发现离水光谱反射率负对数与海水透明度的相关程度高于离水光谱反射率与海水透明度的相关程度。为配合以后卫星遥感反演需要，选用和Hyperion卫星数据中心波长相对应且相关系数较高波长处的离水光谱反射率及其负对数为变量分别建立线性、多项式、乘幂及指数的海水透明度光谱拟合回归方程。经比较分析，发现采用559 nm处的离水光谱反射率负对数的乘幂回归方程拟合度R2=0.922 2，检验样本平均相对误差为18%，可获得较好的光谱拟合结果。

(2)对比各站位海水透明度实测值和光谱拟合值发现，海水透明度在5 m以下的海域，光谱拟合值和实测值的绝对差相对较小，海水透明度大于5 m的海域，绝对差出现了震荡，认为该回归方程较适合近岸二类水体海水透明度的遥感反演，将为南海近岸海水透明度卫星遥感反演提供基础研究支撑。

(3)采用遥感技术快速获取海水透明度是对传统测量手段的有效补充，也是海洋监测的一个发展趋势。目前的遥感反演模型多为统计模型，受地域性限制，已有的统计模型并不一定适合珠江口海域。本文针对珠江口海域海水透明度进行光谱拟合分析，采用地物光谱仪进行现场实测水体光谱和卫星遥感获取数据具有相同的原理，将其和实测透明度数据进行相关分析，建立相应模型，是开展珠江口卫星海洋遥感反演海水透明度的基础性工作。

本文基于数学相关分析方法对海水透明度与其光谱的相关关系进行研究并建立了拟合回归方程，获得了较好的拟合结果。但该方法也只适合特定海域，对透明度较高海域拟合值的反演精度并不稳定，下一步工作建议从物理机制出发，挖掘水体表观光学参数与水体透明度之间的关系，进一步提高海水透明度的遥感反演精度。

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