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        太湖遙感反射率變化特征及其影響因素分析

        2011-01-05 07:56:28錢昊鐘趙巧華何金海孫德勇姜雨薇陶蓉茵
        自然資源遙感 2011年4期
        關鍵詞:散射系數(shù)頂角輻照度

        錢昊鐘,趙巧華,何金海,孫德勇,姜雨薇,陶蓉茵

        太湖遙感反射率變化特征及其影響因素分析

        錢昊鐘1,趙巧華2,何金海1,孫德勇2,姜雨薇2,陶蓉茵2

        (1.南京信息工程大學大氣科學學院,南京 210044;2.南京信息工程大學遙感學院,南京 210044)

        基于2010年10月4—8日在太湖全湖范圍32個樣點的水體光學參數(shù)和理論數(shù)值模擬結果,研究了太陽天頂角θ、散射系數(shù)和吸收系數(shù)的比值b/a及表征光場分布的參數(shù)Q對太湖遙感反射率變化的影響。結果表明,遙感反射率隨θ的增大而增大,且當θ較小(0°~20°)或較大(80°~89°)時,其變化對遙感反射率增幅的影響較小;當b/a增大時,遙感反射率也隨之增大,二者變化趨勢呈顯著正相關;Q較大時(如6~7),其變化對遙感反射率增幅的影響較小;Q較小時(如2~3),其變化對遙感反射率增幅的影響明顯;遙感反射率隨Q的增大呈遞減的趨勢。

        遙感反射率;散射系數(shù);吸收系數(shù);光場分布;太陽天頂角

        0 引言

        在對太湖的治理、監(jiān)測和預警過程中,水環(huán)境的定量遙感監(jiān)測越來越受到關注。水體的遙感反射率是水色遙感的基礎物理量,也是表征水體表觀光學特性的重要物理參數(shù),可直接用于水環(huán)境的遙感監(jiān)測模型。為此,對水體遙感反射率的變化及其影響因素的研究對遙感監(jiān)測太湖水質參數(shù)、掌握水生態(tài)環(huán)境變化具有重要的意義。

        關于遙感反射率的變化及其影響因素,國內外學者已經(jīng)開展了大量的研究。黃昌春等[1]發(fā)現(xiàn),遙感反射率Rrs與水面下反射率R(0-)密切相關,二者之間的關系主要由水—氣界面狀況和表征光場分布的參數(shù) Q決定,在水體各向均勻的條件下,R(0-)可以由后向散射系數(shù)、吸收系數(shù)和表征光場幾何結構的函數(shù)(f)來表示[2],其中f受太陽入射天頂角的影響較為明顯[1];Morel等[3]則對 Q 以及 f和Q進行了理論性的探索,指出了 Q的范圍在0.3 ~6.5之間;黃昌春等[4]研究了在高散射特性水體中,太陽天頂角、單次散射反照率Wo與雙向性函數(shù)的關系。上述研究對與遙感反射率相關的因素進行了較好的探討,但對遙感反射率變化影響的量化分析卻較少涉及。

        本文在假定太湖水質均勻的前提下,根據(jù)遙感反射率公式進行數(shù)值實驗,分別研究太陽天頂角、散射系數(shù)和吸收系數(shù)的比值(b/a)以及表征光場分布的參數(shù)Q對水體遙感反射率的影響,并基于2010年10月4日—10月8日覆蓋全太湖的32個點位的水體實測光譜數(shù)據(jù)和水質分析數(shù)據(jù)對數(shù)值實驗結果進行了驗證。

        1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)獲取

        1.1 研究區(qū)及采樣點分布

        太湖位于長江下游地區(qū),是我國第三大淡水湖,面積約2 338 km2。太湖對周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展具有重要的作用[5]。近年來,隨著太湖周邊城市經(jīng)濟的高速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)和生活污水被大量排入太湖,太湖水體生態(tài)環(huán)境不斷惡化,藍藻水華頻發(fā),不僅破壞了水體景觀,還嚴重制約了周圍城市的可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

        2010年10月4—8日期間,對太湖全湖32個采樣點進行了數(shù)據(jù)采集(采樣點分布見圖1),數(shù)據(jù)采集時間為每天7:30~16:00。光譜數(shù)據(jù)測量時天氣晴朗,天空少云,平均風速為2 m·s-1左右,水面基本平靜。

        圖1 采樣點分布圖Fig.1 Location of sampling stations

        1.2 總懸浮物光譜吸收系數(shù)測定

        總懸浮顆粒物的吸收系數(shù)利用定量濾膜技術(QFT)測定[8]。先用濾膜過濾一定量的水樣,然后用UV-240 IPC型紫外分光光度計測量過濾后的濾膜的吸光度,最后用吸光度計算吸收系數(shù)。

        吸光度的計算公式[9]為

        式中,Ds(λ)為校正后濾膜上懸浮顆粒物的吸光度;Df(λ)為直接在儀器上測定的濾膜上顆粒物的吸光度減去700 nm波長處的吸光度的差。

        光譜吸收系數(shù)的計算公式為

        式中,ap(λ)為光譜吸收系數(shù);A為沉積在濾膜上的顆粒物的有效面積;V為被過濾水樣的體積。

        1.3 有色可溶性有機物光譜吸收系數(shù)測定

        先用0.22 μm的濾膜過濾水樣,提取出黃質;然后將黃質水樣放入1 cm×4 cm的比色皿中,再利用分光光度計(實測范圍240~800 nm)測量有色可溶性有機物(CDOM)的吸光度。光譜吸收系數(shù)的計算方法為:先利用公式[10]

        計算各波長的吸收系數(shù),再利用公式

        進行散射校正。

        式中,D(λ)為吸光度;r為光程路徑(m);aCDOM(λ)'為波長λ的未校正的吸收系數(shù)(m-1);aCDOM(λ)為波長λ的吸收系數(shù)(m-1);aCDOM(700)'為參考波段700 nm處的吸收系數(shù)。

        1.4 上行輻亮度和上行輻照度測量與計算

        表觀光學參數(shù)的測定與水樣采集同步進行。使用德國Trios公司生產(chǎn)的SAM-8099光譜輻射儀(采樣波長范圍為320~950 nm)采集上行輻照度和上行輻亮度數(shù)據(jù)。觀測時,從水表0 m處起,垂直往下每隔10 cm采集一次數(shù)據(jù),共13個深度。為了消除水體表面波對水下光場的影響,本文采用趙巧華等[11]的方法,根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合水體中各層的平均上行輻照度與上行輻亮度。

        2 遙感反射率反演

        2.1 遙感反射率測量與計算

        水面以上反射率光譜數(shù)據(jù)的采集和處理方法參見文獻[12]。使用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec3系列野外便攜式地物波譜儀(該儀器可用于實時觀察并測量反射率、透射率和輻照度,波譜測量范圍為350~2 500 nm)進行水面光譜測定。采集數(shù)據(jù)時,用撐桿將儀器伸出船沿1 m左右,以盡量減少船體陰影的影響。儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角φ要求滿足90°<φ<145°,儀器與湖面法線方向夾角θ要求滿足30°<θ<45°,以避免大部分直射和反射的太陽光[13]。在儀器面向水體進行測量后,將儀器在觀測平面內向上旋轉一個角度,使天空光輻亮度Lsky觀測方向的天頂角等于測量時的觀測角。由光譜儀實測數(shù)據(jù)提取離水輻亮度和遙感反射率(Rrs),其算法[13-14]為

        式中,Lw為水體輻亮度(W·m-2·nm-1·sr-1);Lsw為總的水體輻亮度(W·m-2·nm-1·sr-1);Lsky為天空漫反射光(W·m-2·nm-1·sr-1);Lp為標準灰板測量值(W·m-2·nm-1·sr-1);Ed(0+)為水體表面入射總輻照度;r為氣—水界面反射比,平靜水面取r=2.2%;ρp為標準灰板的反射比(%),實際測量時采用30%的標準板。

        在每個采樣點,對于每個參量,儀器自動采集10~20條光譜曲線數(shù)據(jù)。先對測得的光譜數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)剔除,去除明顯異常的光譜曲線,再對剩下的光譜數(shù)據(jù)取平均值,最后將平均處理后的數(shù)據(jù)代入式中計算得到實測的遙感反射率。

        2.2 遙感反射率推演

        利用蒙特-卡羅模型推導出用后向散射系數(shù)和吸收系數(shù)來表示水面下反射率R(0-)的公式[15],

        式中,bb(λ)為總的后向散射系數(shù);a(λ)為吸收系數(shù);f=0.975 - 0.629μ0[16](μ0為水面下入射直射太陽光的折射角余弦值,根據(jù)采樣點的具體時間和緯度以及當?shù)爻嗑暭纯捎嬎愠龈鱾€采樣點的太陽高度角,從而進一步計算出μ0)。

        遙感反射率Rrs與水面下反射率R(0-)關系密切,它們之間的關系可由如下公式得到,即

        由式(9)~(12)推算得到

        將式(13)代入式(5),得

        式(9)~(14)中,Eu(0-)為表層水面下方的上行輻照度;Ed(0-)為表層水面下方的下行輻照度;Lu(0-)為表層水面下方的上行輻亮度;ραω為氣—水表面輻照度反射率,ραω在 0.04 ~0.06 之間,在此取 ραω=0.05[17];n 為水體的折射指數(shù),通常取值為1.34;t為氣—水界面的菲涅耳透射系數(shù),通常取值為 0.98,一般情況下 t/n2取值為 0.54[18];a 為吸收系數(shù);b為散射系數(shù);bb為總的后向散射系數(shù),本文采用 Petzold[19]的測量結果,即 bb=0.019 b;Q 為光場分布參數(shù),受不同的水體、太陽角度的影響而不同。上述參數(shù)代入式(14)可得

        3 結果與分析

        3.1 太湖水體實測固有光學參數(shù)的變化特征

        各個測點的吸收系數(shù)、散射系數(shù)隨波長的變化與介質的選擇性吸收及其散射的特征有關。如圖2(a)、(b)所示,吸收系數(shù)和散射系數(shù)在波長較短時的值比較大,波長較長時的值較小。相比較而言,散射系數(shù)呈現(xiàn)出的單調遞減趨勢較為明顯,但遞減速度并不突出,而吸收系數(shù)的變化則較為劇烈。從圖2(c)來看,散射系數(shù)(b)和吸收系數(shù)(a)的比值(b/a)表現(xiàn)出如下幾個特征:①在400~500 nm范圍內,散射和吸收系數(shù)的比值相對較小,主要原因是在該譜段懸浮顆粒物和黃質在短波段有強烈的吸收作用;②非藻類顆粒物和黃質吸收系數(shù)隨波長遞減,而散射系數(shù)衰減相對較慢,以致在550~580 nm范圍內出現(xiàn)明顯的波峰;③在624 nm和670 nm附近均存在波谷,主要是由于藻藍素在624nm處和葉綠素a在676 nm處有相對較強的吸收所致;④在700 nm附近,水體和葉綠素a的吸收系數(shù)最小,因此出現(xiàn)了明顯的波峰[20-21]。

        圖2 太湖32個測點吸收系數(shù)、散射系數(shù)及其比值Fig.2 Spectral characteristics of absorption coefficient,scattering coefficient and ratio of them of the 32 measure points in Taihu Lake

        表1是對太湖32個樣點的吸收系數(shù)(a)和散射系數(shù)(b)及其比值(b/a)做出的統(tǒng)計。各譜段的吸收系數(shù)平均值中最大的出現(xiàn)在400 nm處,該處吸收系數(shù)的變化范圍為2.31~11.28/m,平均值為5.61/m;隨著波長的增加吸收系數(shù)平均值逐漸降低,到580nm處,吸收系數(shù)的變化范圍為0.24~1.88/m,平均值為0.78/m;在580~700 nm 譜段,隨著波長的增加,吸收系數(shù)平均值先是增加,隨后又降低,在680 nm處吸收系數(shù)平均值出現(xiàn)一個峰值,為1.14/m。散射系數(shù)平均值則呈現(xiàn)出隨波長增加而遞減的趨勢。此外,各譜段的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的標準差從短波到長波依次遞減,說明各樣點的吸收系數(shù)和散射系數(shù)從短波到長波逐漸趨于穩(wěn)定。

        表1 特殊譜段吸收系數(shù)、散射系數(shù)及其比值統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.1 Statistical values of absorption,scattering coefficients and ratio of them

        3.2 太陽天頂角變化對遙感反射率的影響

        首先在Q取定值的情況下,研究太陽天頂角(θ)對遙感反射率的影響。當Q取固定值(Q=4.5[4])時,遙感反射率僅與 b/a 和 θ有關。當 θ在0°~89°間變化、b/a在0~20間變化時,遙感反射率的變化如圖3(a)所示。在b/a較小時,θ的變化對遙感反射率的影響較小,特別是在b/a<2時,遙感反射率隨θ增大的趨勢很小,幾乎可以忽略不計;隨著b/a的增大,θ的影響逐漸明顯,且θ越大,遙感反射率越大。

        當b/a取固定值(b/a=15)時,遙感反射率僅與Q和θ有關。當θ在0°~89°間變化、Q在2~7間變化時,遙感反射率的變化如圖3(b)所示,曲線走勢與圖3(a)相類似:當θ在0°~10°和80°~89°間變化時,遙感反射率的變化比較小;而θ在10°~80°間變化時,遙感反射率的變化比較大。Q較大(Q取5~7)時,曲線走勢較為平緩。隨著Q的減小,遙感反射率隨θ增大而增大的趨勢越來越明顯。

        圖3 遙感反射率與太陽天頂角關系Fig.3 The relationship between remote sensing reflectance and solar zenith

        總體而言,無論Q或b/a如何變化,θ越大遙感反射率越大,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于當θ增大時,光的傳輸行程增長,光子散射的幾率加大,發(fā)生散射的可能性也增大,使得因前向散射造成的向上傳輸?shù)妮椛湓鰪?,遙感反射率增大,從式(15)也可以得到證明;同理,當θ減小時,光的傳輸行程減短,散射系數(shù)減小,遙感反射率隨著θ的減小而減小。

        表2 太陽天頂角的變化對遙感反射率變化的影響(Q=4.5,b/a=15)Tab.2 The effect on the change of remote sensing reflectance from the change of solar zenith(Q=4.5,b/a=15)

        3.3 散射系數(shù)和吸收系數(shù)比值變化對遙感反射率的影響

        為簡單起見,分別固定 Q(Q=4.5)和 θ(θ=60°),遙感反射率隨散射系數(shù)和吸收系數(shù)比值b/a變化的趨勢如圖4所示。

        圖4 散射系數(shù)和吸收系數(shù)比值對遙感反射率的影響Fig.4 The effect on the remote sensing reflectance from the change of the ratio of scattering and absorption coefficient

        當 Q=4.5,θ較大(80°~89°)或較小(0°~20°)時,遙感反射率隨b/a變化的曲線斜率變化較小;而θ在20°~80°間變化時,曲線斜率的變化明顯;當θ取定值60°時,Q越小,遙感反射率隨b/a變化的近似線性曲線的斜率變化越大。

        3.4 Q值變化對遙感反射率的影響

        b/a取定值15、θ在0°~89°間變化時的遙感反射率隨Q變化的曲線如圖5(a)所示;θ取定值60°、b/a在0~20變化時,遙感反射率隨Q變化的曲線如圖5(b)所示。

        圖5 Q與遙感反射率關系Fig.5 The relationship between Q and remote sensing reflectance

        θ或b/a越大,遙感反射率隨Q的增大而遞減的趨勢越明顯;θ或b/a越小,遙感反射率隨Q的增大而遞減的趨勢越不明顯。特別是當b/a較小(如b/a=0,即散射為零)時,即沒有在光子傳輸方向發(fā)生改變,也就沒有向上傳輸?shù)妮椛?,遙感反射率也就不隨Q變化而變化。

        表3 Q變化對遙感反射率的影響(θ=60°,b/a=15)Tab.3 The effect on the remote sensing reflectance from the change of Q(θ =60°,b/a=15)

        4 驗證與討論

        4.1 驗證

        為了驗證本文理論基礎的可信度,選取具有代表性的18個采樣點,對模擬的遙感反射率和用ASD實測的遙感反射率進行了比較(其中模擬的遙感反射率是通過將實測的Q、b/a與θ代入式(15)求得的)。從整體上看,模擬的和實測的遙感反射率曲線的趨勢基本一致,在560 nm、650 nm和700 nm附近都有明顯的波峰,在680 nm附近都出現(xiàn)了明顯的波谷,而在620 nm附近的波谷則都較為平緩(圖6)。要譜段的r值均大于rα,說明遙感反射率的模擬結果較好,基本滿足本次數(shù)值研究的要求。

        圖6 模擬和實測遙感反射率Fig.6 Remote sensing reflectance simulated and measured by ASD

        表4 模擬與實測遙感反射率相關關系Tab.4 The correlation between simulated and measured remote sensing reflectance

        4.2 問題與討論

        實測光譜與通過遙感反射率理論模擬的光譜之間雖然相似度較高,但在數(shù)值上還是存在著一定的差異。其原因是多方面的:①本文中通過太陽高度角來獲得參數(shù)f的公式是經(jīng)驗公式,實際上,單次反照率和風速也是影響f的重要因子[1];②后向散射概率bb/b=0.019是個經(jīng)驗值,一般認為,在大洋開闊水體中,后向散射概率bb/b基本穩(wěn)定,可默認為0.015;但Kirk[23]認為對許多沿岸和中度混濁水體而言,0.019 比較合適;Whitlock等[24]的研究則發(fā)現(xiàn)濁水的后向散射概率大概為0.059;③對于Q的取值,國內外眾多學者作了很多研究。唐軍武等[12]認為遙感反射率的最大誤差來源于Q的不確定;Morel等[3]認為 Q 的范圍在 0.3 ~6.5 之間;Gons[25]則認為 Q 通常在 1.7 ~7.0 之間變化,而且水越是渾濁,Q就越接近π;黃昌春等[4]研究表明,在內陸湖泊水體中,單次散射反照率W0和太陽高度角是影響Q的主要因素;本文中實測的Q是通過公式Q=Eu(0-)/Lu(0-)獲得的,其中,上行輻照度和上行輻亮度是通過實測數(shù)據(jù)擬合獲得的[11],擬合本身就存在一定的誤差;④在使用ASD測量光譜數(shù)據(jù)的過程中,盡管嚴格執(zhí)行了操作規(guī)范,但仍可能有少量因波浪所致的鏡面反射信號進入傳感器。

        5 結論

        (1)當太陽天頂角增大時,光的傳輸行程增長,光子散射的幾率加大,發(fā)生散射的可能性也增大,因此遙感反射率也增大;當天頂角減小時,光的傳輸行程減短,散射系數(shù)減小,因此遙感反射率隨著天頂角的減小而減小。而太陽天頂角較小(0°~20°)或較大(80°~89°)時,其變化對遙感反射率變化幅度的影響比較小;天頂角在20°~80°變化時,其變化對遙感反射率變化幅度的影響比較大。

        (2)散射系數(shù)和吸收系數(shù)的比值b/a越大,后向散射現(xiàn)象就越明顯,遙感反射率也就越大;而且,遙感反射率隨b/a變化而變化的趨勢呈線性遞增的關系。

        (3)表征光場分布的參數(shù)Q較大時,其變化對遙感反射率增幅的影響較小;而Q較小時,其變化對遙感反射率增幅的影響明顯;總體而言,遙感反射率隨Q的增大呈遞減的趨勢。

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        An Analysis of the Variation Features and Influential Factors of the Remote Sensing Reflectance of the Taihu Lake

        QIAN Hao-zhong1,ZHAO Qiao-h(huán)ua2,HE Jin-h(huán)ai1,SUN De-yong2,JIANG Yu-wei2,TAO Rong-yin2
        (1.College of Atmosphere Science,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.College of Remote Sensing,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

        The spectral data and numerical analyses of the Taihu Lake during the period of October 4-8,2010 were used to analyze the influence of solar zenith θ,the ratio of scattering and absorption coefficient b/a and parameter Q upon the variation of remote sensing reflectance.According to the results,remote sensing reflectance increases with solar zenith θ,while θ changes in the range of 0°~20°or 80°~89°,which has little influence on the growth of remote sensing reflectance.Remote sensing reflectance increases with the increase of b/a,and there obviously exists a positive relation between them.When Q is large(6~7),its alteration has little effect on the variation of remote sensing reflectance.On the contrary,when Q is small(2~3),its variation has enormous impact on the growth of remote sensing reflectance.Remote sensing reflectance tends to decrease with the growth of Q.

        Remote sensing reflectance;Scattering coefficient;Absorption coefficient;Optical field distribution;Solar zenith

        TP 751.1

        A

        1001-070X(2011)04-0100-08

        2011-03-14;

        2011-04-23

        國家自然科學基金委“太湖混合層與真光層深度譜配置的時空變化規(guī)律、形成機制及其環(huán)境效應研究”(編號:41071070)和中國科技部“國家水體污染控制與治理科技重大專項”(編號:2008ZX07528-005)共同資助。

        錢昊鐘(1985-),男,碩士研究生,研究方向為氣象及其環(huán)境效應。

        趙巧華(1972 -),男,副教授,E -mail:qhzhao@nuist.edu.cn。

        (責任編輯:劉心季)

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