高光谱遥感技术在悬沙水体研究中的应用

引   言

水体中悬浮泥沙影响到水体的透明度和水色等光学性质, 还密切关系到河口海岸冲淤变化过程。采用高光谱遥感技术获得悬沙水体的反射光谱数据, 同时从原理上来计算反射率。针对传统水体遥感测量的局限性, 地物光谱仪测量方式更加合理。选用地物光谱仪和光纤光谱仪进行研究, 得到以下结论: 随着悬沙浓度的增高, 反射率也增高, 且发生反射的波段范围有所增大; 离水面一定距离时测得的悬沙反射率的误差主要来自于天空光, 近水面虽然减少了天空光的部分影响, 但光纤光谱仪较敏感, 受水面波动的影响较大; 到水面下光强变弱, 利用光纤光谱仪可以 不受天空光影响直接获得水体反射率。

1仪器概述

地物光谱仪是地面非成像光谱仪, 可以在野外或实验室测量研究对象的光谱反射率、 透射率及其他辐射率, 是廉价又灵活的光谱数据获取方法。

光谱仪的核心部分即传感器技术不断地发展, 到 20 世纪 70 年代, 光纤传感器在灵敏度和精度、固有的安全性、抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀等方面优点突出。它具有很高的传输信息容量, 可以同时反映多元成分的多维信息, 并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨收集瞬时信息等来加以分辨, 真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计, 达到复杂混合物中特定分析对象的检测, 这对电传感器和声传感器而言是无法做到的。

地物光谱仪

iSpecField-HH 手持式地物光谱仪是莱森光学（LiSen Optics）专门用于野外遥感环境监测的最新产品，由于其操作灵活、轻巧方便、光谱测试速度快、光谱数据准确是一款真正意义上便携的手持式地物光谱仪。

地物光谱仪在很多场合都被用来测量光谱反射率、透射率及其他辐射率, 如植被长势 分析、林业、地面实况数据测量、地质研究、矿物识别、工业质量控制和环境测试等领域。现在使用的野外光 谱仪中大多使用方便, 又轻又小。

光纤光谱仪

LiSpec-UVIR200 系列高灵敏度光谱仪是莱森光学（LiSen Optics）光谱仪系列中基于面阵背照式 BT-CCD传感器开发而来明星产品之一。该系列光谱仪是一款成功地把紫外可见近红外高量子效率和高测量速度相结合的高灵敏度光谱仪，其独有消杂散光技术、独有降噪电路控制技术、再加上出众的高量子效率探测器性能，使光谱仪的灵敏度、信噪比得到极大的提升 。微电子领域中的多像元光学探测器发展迅猛, 如 CCD 阵列、光电二极管阵列等, 使生产 低成本扫描仪和 CCD 相机成为可能, 这些技术使光纤光谱仪可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。

光纤光谱仪的优点在于系统的模块化和灵活性 , 测量快, 成本低, 这些优点大大拓宽了它的应用领域。微型光纤光谱仪特别适用于那些重要光检测技术的研究工作。在工业和科研许多领域得到广泛应用。

2 数据分析与讨论

2.1 遥感反射率测算

遥感反射率即对水体的遥感反射率的计算必须要测量水体的离水辐亮度 Lw与水体表面入射辐照度Ed( 0+ )。

离水辐亮度的测算 离水辐射率可表示为

其中Lw为离水辐亮度, Lsw为光谱仪接收的总辐亮度; Lsky为天空漫散射光辐亮度, 不包含任何水体信息; r为水表反射率, 与水表面粗糙度等有关。

光谱仪的参数设置为每个采样点自动测量20条光谱曲线, 从20条曲线中去除异常的曲线, 挑选比较集中的10条取平均值作为该点的光谱曲线, 减少了由于波浪、太阳耀斑等对测量影响而产生的误差,得到Lsw。

Lsky 的测量步骤与 Lsw相近, 唯一不同的是取光谱仪的摄像头指向天空的。最后得到离水辐亮度

此处取平静水面情况下的水表反射率r为0.022。水面入射辐照度的测算 水面入射辐照度是通过测量标准灰板的辐亮度计算得到的, 标准板是采用 反射率为 30%的灰板, Lp 为标准板测量的辐亮度, ρp 为标准板的反射率。其观测角度设置为标准板在阳光下水平放置, 光谱仪垂直于标准板。

入射辐照度:

综上可知, 遥感反射率

在实际操作中, 测量仪器稳定, 线性度好, 则只需要对标准 板进行严格标定, 对于未标定的光谱仪, 可以直接依据下式计算遥感反射率

其中, Ssw、Ssky 和Sp分别为光谱仪面向水体、天空和标准板的测量信号码值。

需要测定三类光谱值: 第一类称为暗光谱, 即没有光线进入光谱仪时由仪器记录的光谱(通常是系统本身的噪声值, 取决于环境和仪器本身的温度) ; 第二类为参考光谱或称标准板白光, 是从较完美的漫辐射 体——标准板上测得的光谱; 第三类为样本光谱或目标光谱, 即从感兴趣的目标物上测得的光谱。最后, 感兴趣目标物的反射率是在相同的光照条件下通过参考光辐射值除目标光辐射值得到的, 因此目标反射率是个相对于参考光谱辐射的比值。

2.1.1遥感反射率分析

跟清水的反射光谱曲线进行比较, 得到悬沙水体的光谱特性。在图1中, 中值粒径 D50 为0.019 mm 的悬沙水体的光谱曲线, 曲 线 1 代表的浓度为 1.527 g·L- 1 , 2 代表了浓 度为 0.010 g·L- 1。曲线 2 的悬沙浓度很低, 可看作清水。悬沙水体的反射率比清水高很多。反射波段范围也因悬沙浓度的增大而有所增大, 总反射量增高。

图1 悬沙中值粒径为0.019mm的两种浓度悬沙水体光谱曲线

2.2 光纤光谱仪测量的反射率比较分析

比较光纤光谱仪在3个高度测量的3种不同泥沙浓度的悬沙水样A、B和C的遥感反射率, 三样品的泥沙浓度由高到低为B、A、C。从图2上可以看出:

图2 光纤光谱仪三个水样三个高度的光谱曲线

(1) A、B、C 三点的反射率由高到低为 B、A、C, 反射峰值本身形态变得更宽。

(2)  光纤光谱仪测量出三个高度上悬沙水体光谱曲线的大体趋势是一致的, 都能体现悬浮泥沙水体内的主要光谱特征, 而且悬沙水体光谱曲线的特征和前人探测研究的结论也比较接近。

(3) 悬沙水体水面之上的反射率远远高于水面之下的反射率且水面以上和以下的悬沙水体反射率测得 值的稳定性较高。A、B 和 C 三处的反射率峰值相差分别大约为 9%、15%和 4.5%, 悬差比为 52%、60%和 50%。说明除了受天空光对光谱仪测量到的信号的影响之外, 还有悬沙浓度对出水辐亮度产生的影响不是线 性, 特别是后向散射系数, 它和悬沙浓度的关系更接近于乘幂关系。要获得悬沙水体的真实信息, 得从悬沙水体水面之上的信息中将天空光信息去除。

(4) 在近水面测得的悬沙水体反射率浮动幅度大。根据测得值可以看出与水面以下的差值百分比分别为 77.6%、20%和 40%, 与悬沙浓度无明显相关性。光纤传感器高度贴近悬沙水体的表面可以尽量去除天空光散射对水体测量目标的影响, 但离水表面越近, 光纤探头的观测角度就越小, 对目标变化的敏 感度越高。因此水面起伏就会对测量结果 产生很大干扰, 从图2中可看出在近水面悬沙水体的反射率波动比较大。

2.3 地物光谱仪和光纤光谱仪测量的反射率比较分析

图3 同一测量高度上悬沙水体的地物管沟光谱仪和光纤光谱仪光谱曲线比较图

比较光纤光谱仪和地物光谱仪测量的水体遥感反射率, 结合图2、3可以看出:

(1) 地物光谱仪没有去除天空光的直接测量值和光纤光谱仪在水面之上的测量值在数值上比较接近, 如图3所示。两者都没有去除天空光的影响, 测量的悬沙水体的反射率都偏大。

(2) 地物光谱仪计算得到的 实际反射率与光纤光谱仪在水面以下测得的光谱值相近。

(3) 光纤光谱仪的光谱分辨率明显高于地物光谱仪的, 它特别适合于测量低强度光源目标物的光谱。在水体中可以探测出水体反射率的微小变化。

(4) 光纤光谱仪在小于400nm、大于900nm的数据噪声太大, 光谱曲线波动大, 几乎不能使用。地物光谱仪实际可使用的波段范围更宽, 稳定性较光纤光谱仪好。

3 结   论

对悬沙水体进行光谱测量, 所使用的两种光谱仪在不同要求下, 可表现出不同优点。在水面上, 外部条件一致, 都受到天空光的影响, 光谱仪在一定程度上接受了程辐射, 用地物光谱仪和光纤光谱仪测得的值很接近, 即在光强适宜时两者都可以。在接近水表层进行光谱测量时, 虽然可以减少大气的影响, 但水体很难保持稳定状态, 不断受到水体扰动的影响, 而且仍不能完全去除天空光的影响, 测量结果的稳定性差。到水面下光强变弱, 利用光纤光谱仪可以直接进行测量, 既方便又相对精确。光纤探头可以根据要求, 在不同的水深条件下进行测量。