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1、精品论文海岸海洋悬沙遥感定量研究进展周岩 1，2，宋志尧 31.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，河海大学，南京（210098）2.交通学院，海洋学院，河海大学，南京（210098）3.虚拟地理环境教育部重点实验室，南京师范大学，南京（210097）E-mail: 摘要：水体悬浮泥沙浓度是海岸海洋水体遥感研究的一个主要内容。本文回顾了国内外有关海岸海洋悬浮泥沙遥感定量研究进展，并综合其发展进程进行了归类：早期开始的利用 陆地卫星影像进行悬浮泥沙遥感定量工作；随着水色遥感卫星的发射，利用水色卫星遥感 数据对悬浮泥沙进行反演；根据实测光谱数据和悬浮颗粒浓度之间的统计关系，建立两者的定量模型；
2、在悬浮泥沙遥感反演的分析中，考虑大气传输过程的影响，开创了悬浮泥沙遥感定量的理论模式，为进一步科学地开展水色遥感反演研究确立了理论依据。 关键词：悬浮泥沙；水色遥感；定量研究；研究进展1.引言目前，遥感定量研究取得了很大的进步，高光谱分辨率和高空间分辨率技术为水质监测 提供了很好的条件，也给海洋遥感带来新的活力。在海洋水色遥感中，影响河口和近岸水体 质量的主要因子是叶绿素和悬浮物。其中，水体悬浮泥沙浓度是海岸及河口区水体遥感研究 的一个主要内容，它影响着港口选址、河口整治、海岸防护、滩涂围垦、以及港池航道的防 淤、减淤等方面。随着实际生产的需要，悬浮泥沙的遥感分析已从开始的定性研究朝着定量 方
3、向发展，主要是建立和完善悬浮泥沙遥感定量模式，并朝着适用性强，精度高的方向深入。国内外的学者利用不同的遥感数据资料，开展了许多有关悬浮泥沙遥感反演与监测方面 的工作。2.悬浮泥沙遥感研究进展2.1 利用陆地卫星影像利用遥感技术进行水体悬浮泥沙的研究，刚开始由于数据源及实验研究手段的限制，主 要利用有限的陆地卫星(MSS、TM、SPOT)和气象卫星(NOAA)多时相遥感图象，根据相应 区域的现场实测资料(与卫星数据同步或准同步)建立统计关系，这方面国外起步较早。1972 年 7 月 23 日 Landsat-1 刚刚发射成功，Weisblate 和 Yarger 等就提出了用 Landsat-1
4、MSS 遥感数据定量计算水体悬浮泥沙含量的统计模型，提出了线性表达式- - 1 - -R = A + BS式中 R 为光谱反射率，S 为泥沙含量，A、B 为常数。这无疑是最早采用陆地卫星影像进行的悬浮泥沙遥感定量工作1。（1）1974 年 Klemas 等2提出了利用 MSS 遥感影像，估算特拉华湾悬浮泥沙浓度，发现悬 浮泥沙含量与陆地卫星 MSS 灰度值呈对数关系R = A + B ln S（2）近年来，该式成为最常用关系式。但该式所表示的函数不是有界函数，这表明该式仍是 实际情况的近似。在 S 动态范围很大时，误差会较大。1995-1998 年间，以 Richard 和 Forget34为
5、代表的相关研究中大多采用 TM 和 SPOT 等遥感影像并结合现场光谱测量或准同步采样，建立了基于统计分析方法的悬浮泥沙遥感反演模式。2001 年 Ruhl 等利用 NOAA/AVHRR 气象卫星遥感数据和准同步测量的水体 OBS 混浊 度之间的统计相关模式，计算悬浮固定颗粒物的浓度，以分析水体悬浮泥沙的空间分布以及 潮流对它的影响5。我国近海二类水体悬浮泥沙遥感定量研究起始于 20 世纪八十年代初期，较国外晚，但 发展势头和成果较好。1981 年，恽才兴等6利用长江口的 MSS 遥感图像的灰度值与地面同步水文测验的表层 水体含沙量，统计两者之间的关系，建立了泥沙反演的线性关系模式，并以此分析
6、长江流域 来沙扩散的范围。1986 年，李京7利用 NOAA 卫星的 AVHRR 数据和准同步采样数据，建立了悬浮泥沙 遥感定量模式，监测杭州湾海域悬浮泥沙含量时空分布。其模式表达式为- - 2 - -S = 94.4 79.3 ln(0.479 L)式中 L 为卫星数据辐射亮度值。（3）2001 年，李四海等8根据多时相 NOAA/AVHRR 卫星遥感数据和长江口准同步实测悬 沙资料，根据多时相 NOAA AVHRR 卫星遥感数据和准同步实测表层含沙量资料，分别利 用经暗像元大气校正的遥感图像灰度值，R1-R2 相关关系曲线的斜率，以及泥沙指数等参数. 建立泥沙遥感定量模式(灰度法、斜率法和
7、泥沙指数法)。并对 3 种模式的效果和适用性进行 了比较。灰度法由于只用了单个波段的光谱信息，模式的相关性较差；斜率法通过计算 R1-R2 关系曲线的斜率，达到大气校正的目的。但由于在泥沙浓度交界而上存在斜率值跃变现象. 会影响最终效果；泥沙指数法综合应用了 Chl 和 Ch2 波段的光詹信息，模式的相关性较好. 可获得层次丰富泥沙图像。2002 年，梁文、黎广钊9根据 MSS、TM 数据，得到廉州湾及湾外海表层泥沙分布的解 译图，分析廉州湾及湾外海的水流流场特征、悬沙的分布及输移扩散特征，并就潮流、径流 等水动力对湾内悬沙运动、滩槽冲淤的作用和影响进行了讨论。2003 年，汪小钦等10利用
8、TM 影像，采用线性光谱混合分析法对福州沿海闽江口水域 的悬浮物质浓度进行了定量反演，并就线性混合法的结果和经验对数式的结果进行了对比分 析。2005 年，张穗等11利用高分辨率的 SPOT 5 多光谱影像，应用国家海洋局第一海洋研究 所提出的表层水体悬浮泥沙含量与 TM4(TM 影响第 4 波段)的对应关系S=X/(0. 09751-0. 1105X)10-2（4）式中 X 为 TM4 的反射率。 他们以此分析了长江口表层悬浮泥沙浓度的空间分布和动态变化规律，探讨了长江口表层悬浮泥沙扩散规律、高混浊水域的范围以及河口泥沙入海形态等问题。 陆地卫星虽然具有较高的空间分辨率，但其覆盖周期长(16
9、 天左右)，扫描幅宽窄(200公里以下)，无法满足海洋要素的时空变化反演。另外陆地卫星遥感器波段带宽较宽(100 纳米左右)，光谱分辨率、辐射分辨率、灵敏度和信噪比较低，探测不到水体中水色成分的浓 度变化，引起反演的水色因子误差大，所以越来越不能满足海洋水色遥感反演的要求。2.2 利用水色卫星遥感数据随着水色遥感应用研究的深入，星载传感器也逐渐走向多波段、多模式的发展方向，经 历了从第一代水色传感器 CZCS，到现在第二代的 OCTS(日本)，HY-(中国)，SeaWIFS、MODIS(美国)，MERIS(欧空局)等水色传感器，新一代传感器在光谱分辨率和空间分辨率上都有较大提高。1994 年
10、Tassan12利用 SeaWIFS 数据，计算海岸带水体中的浮游植物、悬浮泥沙和黄色 物质等的组成比例和反演的模型。2000 年 Hu 等13利用 SeaWIFS 数据在墨西哥湾建立了区域性的悬浮泥沙遥感数据集， 由此探讨近岸表层水体悬浮泥沙遥感理论及应用模型。2004 年 Rehard 和 Brent14利用 250m 分辨率的 MODIS Terra 数据和实测的泥沙浓度数 据，建立了北墨西哥湾的线性回归关系式，用 MODIS 数据对水体悬浮泥沙浓度进行反演。 国内的水色卫星遥感定量研究主要以 SeaWIFS、COCTS 和 MODIS 等卫星数据为基础，进行悬浮泥沙和叶绿素等水体要素的
11、反演。1998 年，潘德炉、李淑箐15以中国“九五”期间计划发射的海洋水色卫星的水色扫描仪（COCTS）水色通道为对象，中国海区为遥感目标，从卫星海洋水色遥感机理出发，提出 两个特征量归一化反照率和辐射信噪比，并通过对沿岸两类不同水体信息特征量的比 较，研究信息特征量的时间和空间响应。2005 年，李云驹等16通过对遥感监测泥沙原理和 MODIS 传感器特征的分析，应用不 同时间的高光谱成像光谱仪 MODIS 影像进行长江口及其附近海域的悬浮泥沙监测，并分析 了长江口附近海域悬浮泥沙的季节和周期性变化机制以及空间分布形成机制。2008 年，廖迎娣17针对中国河口海岸这一高泥沙浓度地区，开发了适
12、用于该区域的 SeaWIFS 数据的新大气校正方法，并结合表层含沙量与垂线平均含沙量的关系，应用负指 数模式，得到了一个普遍适用的悬浮泥沙遥感定量模式，为中国河口的治理及可持续发展提 供了必要的科学依据。水色卫星能长期不间断监测，地面覆盖周期较长，轨道定位精度、灵敏度和信噪比较高， 波段多而狭窄。因而在对海洋海岸的悬浮泥沙定性定量的研究中具有明显的优势。然而利用 水色卫星影像检测悬浮泥沙浓度受到卫星波段、光线等因素的影响，一定程度上影响了统计 模型的精度。2.3 根据实测光谱数据国内外学者开始在野外或实验室利用高光谱测量仪测得的水面光谱数据和悬浮颗粒浓 度之间的统计关系，建立了两者的定量模型(
13、Bowers D.G., 2001)。1989 年 Novo 等18对水中悬浮泥沙的光谱特性进行了实验室和野外测量研究，发现含悬浮物质的水体光谱特性与悬浮泥沙的浓度、颗粒大小和形状存在较高的相关性。1991 年 Carios 等19通过实验分析，发现水体光谱反射率和总悬浮颗粒物浓度(TSMC)之间呈线性关系，且在 450-900nm 处两者的相关性较好，在红波段相关性最高。1993 年 Mertes20根据实验室测量的不同悬浮物浓度水体的光谱反射率，应用 TM 多波 段影像的光谱混合分析法建立了线性光谱混合模型，对悬浮固体浓度进行了估算。2002 年 Doxaran21通过分析实测的河口高混浊
14、水体光谱，发现在近红外波段 850nm 处， 光谱反射率和表层总体悬浮物浓度的相关性不高，而 850nm 和 550nm 比值组合与悬浮物浓 度有很强的相关性，因此认为波段比值法能够减少光照条件和悬浮物类型等环境因素对反射 率测量的影响，提高悬浮颗粒物浓度和光谱反射率之间的相关性。随着遥感数据的丰富和实验水平的提高，国内的研究者也在实验室内对不同悬沙浓度的 水体进行了光谱测量，分析光谱反射率曲线，建立光谱反射率与表层悬浮泥沙定量关系式，- - 3 - -并研究各种关系式的适用范围。19861990 年“七五”国家科技攻关期间，国家海洋局第一海洋研究所以长江口及黄河 口含沙水体为研究对象，基于海
15、洋光学理论，借助实验室和现场测量手段，着重讨论了含沙 水体的固有光学性质、反射率波谱特征和最佳遥感波段，并提出适合于我国河口高浓度含沙 水体遥感定量模式和基本算法1。1994 年，黄海军等22分析了 57 组含沙水体光谱反射曲线特征，定量描述了悬浮水体 光谱反射峰值处波长的“红移”现象，得出黄河口区野外实测悬沙含量与 Landsat MSS 6 波段 数据光谱反射率呈现较好的相关关系。研究采用分段回归或复相关模式来反演悬沙含量，效 果较好，并讨论了提高遥感信息悬沙相关关系精度的方法，提出增加参与回归模型参数 的设置，特别是增加悬沙粒度参数。2000 年，乐华福等23在杭州湾与长江口海区、台湾至
16、吕宋以东海区和渤海海区，多次 进行光谱测量和同步取样试验，用最小二乘法建立光谱反射率与表层泥沙浓度之间的关系。 结果表明，水体表面的光谱反射率与表层悬浮泥沙浓度之间呈指数关系S=AeBR（5） 他们分析得出遥测东海海区表面悬浮泥沙浓度的最佳波带为 555 nni 和 670 nm。2002 年，李素菊、王学军24利用高光谱地物光谱仪现场测量的反射光谱值和同步采样 数据，分析了悬浮物浓度与水体光谱反射率以及悬浮物浓度与水体光谱一阶微分之间的关 系，表明在近红外波段，单波段反射率和一阶微分光谱反射率都与悬浮物浓度有较好的相关 性。2003 年，韩震等25利用长江口和浙江象山港泥沙为样本，通过悬浮泥
17、沙实验室水槽试 验，测量了不同浓度含沙水体的反射光谱特征，建立了泥沙遥感含量和悬浮泥沙遥感参数的 相关关系，得到了悬浮泥沙的统计相关模式。2.4 悬浮泥沙遥感反演的理论模式以上所有的模式都是经验统计模式，其适用性存在较大的局限，于是国内外的研究者开 始寻找一种能普遍实用的悬浮泥沙遥感定量模式，发现在悬浮泥沙遥感反演的分析中，需要 考虑大气传输过程中的影响，以大气物理和海洋光学的一些基本概念为基础，从理论上推导 水体反射率随悬沙浓度变化的基本关系。一些学者还从水体光学理论和模拟试验两个方面进 行探索，建立了一些理论模式。1978-1983 年 Gordon 等26 27 28开拓了将水下和大气分
18、别考虑的技术路线，分析了光在 水和大气中传输的机理，根据水体漫反射的(准)单散射模型建立了著名的 Gordon 关系式：- - 7 - -式中 C 和 A、B 一样为常数。R = C +SA + BS（6）该模式假定 670nm(或 750nm)波段离水辐射率为 0，以此估算每个波段的大气校正因子， 这是 I 类水体定量反演的基本方法。适用区间包括低含沙量和高含沙量区，但实验结果表明 该模式精度不高，目前应用并不普及。1983 年，国家海洋局第二海洋研究所29在可见光范围内，由悬浮泥沙的光辐射特性， 通过薄水层上辐射传递的理论模型，推导出 R-S 关系式R A + B log S（7）由此建立
19、了气象卫星 AVHRR 第一通道（0.580.68um）遥感定量模式，用于杭州湾海域海面悬沙遥感中时，遥感悬沙定量值与海面悬沙浓度实测值平均相对误差为 17.6%。该模式在悬沙浓度不太高的情况下，该模式能够真实的反映遥感数据和悬沙浓度之间的关系，但 是在高浓度悬沙区域，尤其是大面积范围的应用中，该模式的应用与实际有较大出入。1985 年，华东师范大学河口海岸研究所30以杭州湾和长江口为实验区，也通过理论模 式导出了半理论半经验的悬沙遥感定量模式：CRS =（8） ( A BR ) 将其运用于长江口，杭州湾和鸭绿江口等河口海域的海面悬沙遥感定量研究时，相对误差为 10%。1989 年 Stump
20、f 和 Pennock 31以 Gordon 模型和 Gordon 大气校正方法为基础，发展了适 用 NOAA/AVHRR 数据的悬浮泥沙浓度反演方法，但其类水体的大气校正沿用了“清洁水” 法，仍然需要利用现场同步测量数据来消除大气校正的误差。1989 年，陈夏法32利用 NOAA 卫星多时相遥感资料和悬浮泥沙实测值，建立了负指数 模式，并对杭州湾及其附近海区的表层悬浮泥沙的浓度分布、扩散范围及季节性变化进行了 分析和研究。负指数模式表达式为R = A + B(1 e DS )式中系数 A、B、C 是由与水层内的光学性质和悬浮颗粒粒径有关的参数构成。（9）该模式在很大程度上克服了估算误差随悬沙
21、浓度增大而增加的弱点,并可以近似地概括 线性和对数关系式。但由于式中采用了一些近似条件，故也存在一定的缺陷。1992 年，黎夏33则提出了悬浮泥沙遥感定量的统一模式R=A+B S/(G+S) +CS/(G+S)e DS（10）其中 A, B, C 为相关式的待定系数，G, D 为待定的参数，S/(G+S)和S/(G+S)e DS 为相关项。该式包含了 Gordon 式和负指数式。在应用中，利用多元相关的回归程序，进行计算机运算，选取合适的 G, D 值，可使得相关系数最高。但该模式是在以上几个模式的基础上发 展起来的，参数较多，参数的确定较为麻烦。2002 年 David 等34通过进行现场水
22、体光学参数测量，分析了水体的光谱特征，提出测 量过程中消除天空光和太阳耀斑的方法，认为水体内部的光学参数(后向散射系数和吸收系 数)是影响水体反射率的主要因素，而天空光等对反射率影响不大。2005 年刘小平等35从太阳光在水体中传输的物理机制入手，引入水体光学厚度概念， 根据辐射传输理论，推导出悬浮泥沙定量遥感的综合模式，其简化模式为：R = ( ) + 4CRs (1 )S4u( + )（11）式中， 为水体总的吸收系数， 为水体总的散射系数, 为较细悬浮泥沙的比例因子，Rs为泥沙在陆地上的反射率,C 为泥沙在水中反射率增加倍率，()是水体、悬浮泥沙、水体污染物相函数的函数，u=1+1/co
23、s。 该模式具有明确清晰的物理意义，几乎包含了前人所推导的所有半经验模式，将该模式应用于珠江入海口水域的悬浮泥沙调查与监测，也取得了不错的效果，但该模式涉及的参数 太多，确定参数很不方便。3.结论综观上述悬浮泥沙遥感定量模式，可见光波段仍是目前海面悬沙遥感最重要和使用最广 泛的信息源。如 NOAA/AVHRR 的 Ch1、Ch2 波段，Landsat MSS 4、5、6 波段，TM 2、3、4、5 波段， MODIS 1、4 波段以及航空航天影像，都已经广泛地应用于目视和海面悬沙扩散输移的定性、半定量和定量判读解译分析中，并已逐步投入到海面浊度场遥感调查研究和 近岸工程、港口航道等生产实践中。
24、总之，国内外利用卫星遥感数据提取悬浮泥沙的研究做了很多的工作，但如何克服大气 校正影响，克服悬浮颗粒固有光学特征影响，建立起一种通用定量模式，以及如何进一步提 高模型的精度，则是很多遥感工作者仍在潜心研究的问题，这对于促进水色遥感技术进一步 发展具有十分重要的意义。参考文献1. 周维娜. 欧江口海域水体悬浮泥沙遥感定量分析研究. 河海大学硕士学位论文. 2008.2. Klemas V,Bartlett D,PhilPot W,et al. Coastal and estuarine studies with ERTS-1 and SkylabJ. RemoteSensing of Envir
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40、 to study suspended sediment; Along with the development of water color satellite, researchers use the data to describe the suspended sediment; Scholars found the relation betweenmetrical water spectrum and the concentration of suspended sediment, and built the quantitative model;Considering the effect of atmosphere in the remote sensing quantitative analysis on suspendedsediment, starts the academic remote sensing quantitative model on suspended sediment.Keywords: suspended sediment; remote sensing; Quantitative Analysis; Development.作者简介：周岩（1984），女，江苏泰兴，物理海洋学硕士生。