基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算

Supported by the Prelim inary Study for Key Project of Fujian Province (No. 2005YZ1011)
作者简介 : 李婉晖 ( 1979 —) ,女 ,博士生 , E 2 mail: huihuirabit@163. com; 3 通讯作者 (责任作者 ) , E 2 mail: hxu@ fzu. edu. cn
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图 2 建立悬浮物遥感反演模型的技术路线
Fig . 2 The technology route for modeling ssusing remote sensing
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图 1 研究区位置图
Fig . 1 Location of the study area
2 研究方法 (M ethodology) 2. 1 技术路线
本研究总体的技术路线可以分为 2 个主要部分
(见图 2 ) ,一是基于生物光学模型建立悬浮物遥感 反演模型 ,二是从影像上提取出研究水域的水面下 反射率 R ( 0 ) . 最后利用影像中获得的 R ( 0 ) 即可 反演出悬浮物浓度 . 2. 2 悬浮物遥感模型建立 2. 2. 1 基础数据获取 于 2008 年 3 月 5 日在晋江 下游泉州至泉州湾河段进行水质采样 ,共布设了 30 个采样点 (图 1 ) , 进行水面反射光谱实测和水样采 集 . 反射光谱测量采用 ISI921VF 野外地物光谱仪 . 采样当日天空晴朗无云 , 水面基本平静 , 测量时间 为 10: 00 ～14: 00, 采样点位尽量避免在河岸边上 , 与河岸保持一定的距离 , 以免影像上该处反射率受 到陆上地物的影响 , 对反演结果造成不必要的干 扰 . 水样的实验室分析测定项目包括悬浮物浓度 (即颗粒物 )以及颗粒物吸收系数 、 CDOM 吸收系数 和扣除纯水后的散射系数等 . 另外 , 为了查明所研
Estima tion of suspended solids in the J in R iver through b io 2optica l m odel2ba sed rem ote sen sin g technology
L IW anhui, XU Hanqiu
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College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350108 Rece ived 2 July 2008; rece ived in revised for m 28 November 2008; accepted 26 March 2009 Abstract: W ater′ s Inherent Op tical Properties ( I O Ps) , including the absorp tion and scattering coefficients of the water components, are essential parameters for a bio2 op tical model . It is also important for the retrieval of water quality using the sem i2analytical method. Nevertheless, the app lication of bio2 op tical models in river water studies is still very rare. Therefore, taking the lower J in R iver of Fujian, SE China as an examp le, we measured and computed the bio 2 op tical p roperties and the suspended solids concentrations of the river water based on in situ water samp les collected from the river on March 5, 2008. This revealed that R ( 0 - ) TM2 was most strongly correlated with suspended solids concentrations . Accordingly, a retrieval model for estim ating SS was developed using R ( 0 - ) TM2. App lication of this bio 2 op tical model to the Landsat T M im age dated on Feb. 28, 2008 yielded a SS model for the T M data of the J in R iver . The Relative Error ( RE) of the model is 11. 93%. This result indicates that the model can effectively retrieve the SS of the J in R iver . Keywords: uspended solids; absorp tion coefficient; backscattering coefficient; sub 2surface irradiance reflectance
L i W H, Xu H Q. 2009. Estim ation of suspended solids in the J in R iver through bio 2 op tical model2based remote sensing technology[ J ]. Acta Scientiae Circum stantiae, 29 ( 5) : 1113 - 1120
基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算
李婉晖 ,徐涵秋
3 福州大学环境与资源学院 , 福州 350108 收稿日期 : 2008 207 202 修回日期 : 2008 211 228 录用日期 : 2009 203 226 摘要 : 为了建立以生物光学模型为基础的河流悬浮物遥感估算方法 ,以福建晋江为例 ,对福建晋江下游河段的光学特性和悬浮物浓度进行了测 定 ,探讨了水面下反射率 R ( 0 - ) 与悬浮物浓度之间的响应关系 . 结果表明 ,绿光波长的反射率与悬浮物浓度的相关性最强 ,因此 ,用 R ( 0 - ) TM2 与悬浮物浓度建立了遥感估算模型 ,并将其应用于 2008 年 2 月 28 日的 Landsat T M 影像 , 反演出晋江的悬浮物浓度分布 . 精度分析说明 , 平均 相对误差 RE 为 11. 93% ,该模型可以有效地应用于 Landsat T M 反演悬浮物浓度 . 关键词 : 悬浮物 ; 吸收系数 ; 后向散射系数 ; 水面下反射率 文章编号 : 0253 2 2468 ( 2009) 05 21113 208 中图分类号 : X32 文献标识码 : A
第 29 卷第 5 期
2009 年 5 月
环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae Circum stantiae
Vol . 29, No. 5 M ay, 2009
李婉晖 ,徐涵秋 . 2009. 基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算 [ J ]. 环境科学学报 , 29 ( 5) : 1113 - 1120
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流之一 ,也是泉州市第一大江 , 流域面积 5629km , 自西北流向东南 , 全河总长 182km , 河道平均坡降 1. 9 ‰ . 晋江上游有东溪和西溪 2 大支流 , 2 条支流 于南安市丰州镇井兜村双溪口汇合始称晋江 , 并于 丰泽浔浦处入海 . 沿程流经的地区主要有永春 、 安 溪、 南安 ,下游流经福建省著名侨乡泉州 、 晋江和石 狮 ,是福建省经济最发达的地区 , 也是全国经济最 发达的地区之一 , 地理位置示意图见图 1. 因此 , 查 明晋江的水质分布特征对于泉州地区水资源的可 持续发展意义重大 . 本文旨在对福建晋江水体的生 物2 光学特性进行分析 ,在此基础上建立适合于晋江 的悬浮物遥感估算模型 ,为水质监测提供依据 .
1 引言 ( Introduction )
水色是反映水体污染的一个直观特征 , 而悬浮 物是影响沿海近岸水体水色的主要因素 , 悬浮物浓 度是了解水质特征的一个重要因子 . 传统的悬浮物 监测方法一般采用水样实验室分析的手段 , 是一种 “ 以点代面 ” 的方法 ,无法全面地获知水体悬浮物的 时空分布情况 ,且这种方法非常耗时耗资 (徐涵秋 , 2006a) ; 而遥感对地观测技术可以实现对水质的宏 观、 实时监测 ,具有不可替代的优势 .
5期
李婉晖等 : 基于生物光学模型的晋江悬浮物遥感估算
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究河段悬浮物浓度的空间分布特征 , 需要借助卫星 影像对悬浮物进行反演 , 因此 , 选取与采样时间准 同步的 2008 202 228 的 landsat T M 数据 . 悬浮物浓度的测定采用便携式悬浮物测定仪 器 ( Sentry M 22 ) 在采样点直接测定 . 颗粒物吸收系 数、 CDOM 吸收系数和扣除纯水后的散射系数用分 光光度计测定 . 颗粒物吸收系数的测定 : 采用 M itchell 提出的 定量滤膜技术 (M itchell, 1990 ) , 通过计算获得吸收 系数 ( C leveland et a l . , 1993 ) . CDOM 光谱吸收系数 的测定 : 先在分光光度计下测定其光学密度 , 然后 经换算并进行散射效应订正得到其吸收系数 ( Green et a l . , 1994 ) . 纯水吸收系数已经多人测定 , 其随着 波长的变化而变化 ,可采用 Sm ith和 B aker测定的值 ( Sm ith et a l . , 1981 ) . 根据 Lambert Beer光吸收定律 , 水体总吸收系 数 at (λ) 可以表示为 : (1) at (λ) = aw (λ) + aCDOM (λ) + ap (λ) ( λ ) ( λ ) ( λ ) 式中 , ap 、 aCDOM 、 aw 分别代表颗粒物 、
B iography: L IW anhui ( 1979 —) , female, Ph. D candidate, E 2 mail: huihuirabit@163. com; 3 Correspond in g author, E 2 mail: hxu@ fzu. edu. cn
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环 境 科 学 学 报
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用同步的水质监测数据和卫星影像数据或者实测 光谱数据建 立 基 于 统 计 关 系 的 模 型 (李 洪 灵 等 , 2006; 许珺等 , 1999; 王艳红等 , 2007 ) . 但是 , 该种方 法未从遥感的机理着手 , 对水中的光学活性物质如 何影响水下光场分布 , 如何影响水体遥感反射率进 行深入透彻的探究 , 其模型在时空上的应用范围仍 受到较大的限制 . 因此 , 近年来水质遥感关注的焦 点逐步转向基于水体生物光学特性的半分析模型 上 ,它既能摆脱同步数据建模的客观限制 , 又可以 提高模型的精度 ,具有可靠的物理基础和更强的适 用性 . 但是 , 国内外在该方面的研究对象主要是内 陆湖泊 ,针对内陆河流的研究还十分少见 . 晋江位于福建省东南沿海 , 是福建省的主要河
基金项目 : 福建省重大专项前期研究项目 (No. 2005YZ1011)
水体中含有 4 种光学活性物质 ,即纯水 、 非色素 颗粒物 (或称为非藻类颗粒物 ) 、 浮游植物色素和有 色 可 溶 性 有 机 物 等 ( Coloured D issolved O rganic M atter, CDOM ) (张运林 , 2006a ) . 不同的水体由于光 学活性物质的组成种类和浓度的差异 , 对光的吸收 和散射特性不同 , 从而表现出不同的光谱反射特 征 . 利用这个原理 , 水质遥感得到了日益广泛的应 用 . 国内水质遥感研究经历了定性 2 半 定量 2 定 量的 过程 ,虽然已经发展到定量化的阶段 , 但所建立的 水质遥感模型目前仍然是以半经验模型为主 , 它利