长江口最大浑浊带表层悬浮物浓度及粒径对水体光谱特性影响的研究

摘要

长江口及邻近海域的悬浮泥沙浓度、分布和输移变化已经成为研究长江流域入海物质通量、物质循环、河口沙洲变化以及评价流域工程对河口影响的核心指标和评估河口地区后备土地资源发展的重要参数,是学术界、政府和产业界均十分关注的问题。传统单点,多点船测只能提供短期局部数据,空间分布不足,重复周期观测成本高,而遥感数据在空间覆盖,时间周期覆盖方面具有重要优势,利用遥感监测悬沙浓度具有重要意义。
　　 本文以长江口最大浑浊带为研究区域,主要开展了以下工作:
　　 1)现场数据获取与处理:采用定点观测的方式,获取了三个不同时段悬沙水体的光谱数据,并处理成遥感反射率曲线;同步采集水体表层水样,在实验室内测量水样的泥沙浓度及粒径分布数据;利用LISST-100x同步测量水体絮凝体数据。
　　 2)分析水体光谱反射率的基本特征及其与悬沙浓度之间的关系,从理论方面解释了可见光波段及近红外波段对悬沙浓度敏感性不同的原因。以MODIS波段为参考,建立多种光谱反射率同悬沙浓度之间回归方程。围绕统计模型的精度及可靠性问题,进行了不同波段参数,不同数学关系式形式,不同时段以及现有文献中他人所建的反演方程的比较。
　　 3)分析了悬沙粒径对光谱反射率的影响,理论分析解释了悬沙粒径对光谱反射率的影响,并结合实测数据对基本结论进行了验证;利用现有文献中的数学关系式形式,建立了同时考虑悬沙浓度及粒径的回归方程。进一步考虑了自然水体中的絮凝现象,初步讨论了絮凝体对光谱特征造成的影响。
　　 取得的主要结论如下:
　　 (1)近红外波段反射率与悬浮泥沙浓度具有很好的相关性,因而可用于悬浮泥沙浓度反演。反演模式中,以单波段,两波段比值和多波段组合为形式的参数中波段比值法因能有效减弱其他条件的影响(如光照,粒径等)而表现最好;模型形式上,多项式模型对数据的拟合度最高,但与指数模型及幂函数模型之间相差不大,基本处于同一水平。
　　 (2)通过本文中不同时段的数据对比以及同现有文献中涉及到长江口的悬浮泥沙遥感反演模型进行对比发现,不同研究者建立的模型相互之间具有可比性,尤其在低悬沙浓度条件下,模型几乎趋于一致,说明以统计模型为基础的遥感反演模型在时空应用上可做一定的拓展。加强数据的对比研究是提高对统计模型应用上的可靠性认知的有效方式。
　　 (3)泥沙粒径与光谱分析具有一定的相关性,但不能简单依此判定就是粒径对光谱的影响,因为泥沙粒径本身和泥沙浓度具有较好的相关性,而后者与光谱之间有着更好的回归关系,而通过理论分析表明,泥沙粒径分布主要是通过影响后向散射来对光谱反射率产生影响,细颗粒泥沙具有较大的后向散射而粗颗粒泥沙则具有较小的后向散射。
　　 (4)野外数据分析表明:细粒径泥沙会增大光谱反射率,与理论分析一致;根据两个不同时期的数据分别建立悬沙浓度与要反射率之间的回归关系比较发现,样品数据集中泥沙粒径分布变化越小,建立的统计回归模型的R2值越高,模型拟合度越好。
　　 (5)对已有的加入悬沙浓度和粒径的回归模式进行了检验,基本上表明,在统计基础上的加入粒径参数无助于提高模型精度,反而导致精度的下降。
　　 (6)絮凝体粒径分布对悬沙水体光谱反射特征有着重要的影响,但是在利用悬沙的平均粒径,中值粒径以及絮凝体平均粒径分析其与光谱反射率之间的关系时,难以定量化表达粒径对光谱的影响。在将絮凝体平均粒径纳入统计模型之后,同样会导致模型精度的下降。