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基于高光谱遥感技术的积水沉陷区水深反演模型的研究

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基于 光谱 遥感技术 积水 沉陷 水深 反演 模型 研究
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第25卷第1期黑 龙 江 工 程 学 院 学 报(自然科学版)Vol.25№.12011年3月             Journalof Heilongjiang Institute of Technology       Mar.,2011基于高光谱遥感技术的积水沉陷区水深反演模型的研究孟祥来,朱继文,张贺(黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨150050)摘要:高光谱遥感是当前内陆水监测的一个重要发展趋势,是有效地捕捉这些水体光谱信息的必要手段。在遥感空间信息技术支持下对内陆积水沉陷区的水体特征进行分析,研究叶绿素a及总悬浮物浓度随着水体深度变化的特征,分析不同叶绿素a浓度、悬浮物浓度以及悬浮物粒径对水体光谱特性的影响特点;同时还对底质对水深信息遥感提取的影响特点进行分析。在此基础上,构建水深遥感反演的定量模型。关键词:高光谱遥感;光谱反射率;水深遥感;反演模型中图分类号:P237文献标志码:A文章编号:1671-4679(2011)01-0017-03Research on water depth inversion in water subsidence areamodel based on hyperspectral remote sensingMENG Xiang-lai,ZHU Ji-wen,ZHANG He(School of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)Abstract:Hyperspectral remote sensingis currentlyan important inland water monitoringtrends,and effec-tivelycapture the spectral information of these water bodies the necessarymeans.Spatial information tech-nologyto support remote sensingof inland water under the subsidence of the water bodycharacteristicswere analyzed,of chlorophyl-a and total suspended solids concentration with the characteristics of the wa-ter depth changes.Analysis of different chlorophyl-a concentration,suspended particle size of suspendedsolids concentration and spectral properties of the impact of water features,and the substrate on the impactof extraction of depth information of remote sensingcharacteristics were analyzed.On this basis,a waterdepth quantitative remote sensingmodel is built and it provides some reference value for water qualitymo-nitoringand measurement of water depth.Keywords:hyperspectral remote sensing;spectral reflectance;water depth of remote sensing;inversionmodel收稿日期:2010-11-04基金项目:黑龙江省教育厅资助项目(11551414)作者简介:孟祥来(1974-),男,讲师,硕士研究生,研究方向:测绘工程.1 叶绿素a浓度与水深变化的关系利用采水器按照水面以下0.2m一个间隔,同步分层采集水样。采用以下公式进行拟合:Cchla=a112π槡 σe(Z-μ)22σ2.(1)式中:Cchla为叶绿素a浓度(mg/m3),Z为水体深度,利用Matlab工具拟合σ、μ的结果为a1=12.032,σ=0.236,μ=2.477,标准差0.654 9。2 不同叶绿素a浓度对水体光谱的影响对应水体中不同含量的叶绿素,水体的光谱曲线在430~700nm光谱波段会相应出现较明显的差异。图1显示不同叶绿素浓度的水体光谱曲线。从图中可见:水体在波长440nm处有个吸收峰;蓝光(400~480nm)反射辐射与叶绿素浓度负相关;在波长520nm处的辐射值不随叶绿素含量而变化;在波长550nm处出现反射辐射峰,并随着叶绿素含量增加,反射辐射上升;由于浮游植物分子吸收光后,再反射引起的Raman效应(进行水分子破裂和氧分子生成的光合作用),激发出的能量荧光化的结果,在波长685nm附近有明显的荧光峰。图1不同叶绿素浓度的水体光谱曲线图2为沉陷区中心部分采样点,叶绿素a的单位吸收系数随深度有较大的变化,尤其在短波峰值附近上层水体的叶绿素a单位吸收系数要偏大很多,在长波峰值附近的变化较小。上层水体具有较强的光照,但营养盐含量较低,该环境下的浮游植物色素细胞粒径较小,而且所含的辅助色素也较丰富。小的色素颗粒由于对强光的光适应性使得内部色素浓度较低,打包效应较弱,叶绿素a单位吸收系数增大;而且在水体的垂直结构上,因为光适应性,表层藻类细胞内色素的浓度相对深层为低,打包效应的影响也较小,相应地叶绿素a单位吸收系数增大。在叶绿素a浓度最大深度以内的水层,微型藻占有绝对优势;而在该深度以下,微型藻类和大型藻类的比例有所增加,色素打包效应增强。图2叶绿素单位吸收系数与水体深度的关系3 悬浮物浓度与水体深度的关系数据采集方法同不同水体深度时叶绿素a的采集方法相同。悬浮物浓度与水体深度的关系利用式(2)进行拟合。Cs=a2log(Z+a3).(2)式中:Cs为悬浮物浓度(mg/m3),Z表示水体深度。利用Matlab工具拟合σ、μ的结果为a2=75.062,a3=0.653,标准差0.784 6。4 不同悬浮物浓度对水体光谱的影响为了解悬浮物浓度和光谱反射率之间的关系,本文计算了两组实验各波段归一化反射率和悬浮物浓度间相关系数:在400~600nm(低悬浮物浓度为400~584nm,高悬浮物浓度在400~609nm)波段范围内,光谱反射率和悬浮物浓度呈负相关,且相关系数的绝对值随波长的增加而增大;在600~900nm(低悬浮物浓度为585~900nm,高悬浮物浓度在610~900nm)波段范围内,光谱反射率和悬浮物浓度呈正相关,相关系数随着波段的增加而增大,在900nm左右达到最高。其中光谱反射率和悬浮物浓度相关性较高的波段范围为:低悬浮物浓度水体在550~570nm和750~900nm处,相关系数的平均值为-0.97和0.96,高悬浮物浓度水体在560~590nm和740~900nm处,相关系数的平均值为-0.93和0.94。由于在进行光谱测量时,天气条件的变化、周围环境的影响及测量角度的变化都会影响反射率数值的大小,为了便于对不同次测量结果进行比较,每条反射率曲线都利用其在可见光范围(450~750nm)的波段反射率平均值进行归一化处理,归一化反射率计算公式为R′w(λi)=LW(λi)/LR(λi)∫750450LW(λ)dλ/∫750450LR(λ)dλ.(3)式中:LW(λ)和LR(λ)分别为对应于某一波长λ的水面和标准板的反射强度。因为,FieldSpec HandHeld光谱仪采集的是离散型数据,因此,光谱数据的一阶微分可以用式(4)近似计算。R′w(λi)=Rw(λi+1)-Rw(λi-1)λi+1-λi-1.(4)式中:i+1,i与i-1为相邻波长,LW(λ+1)为反射率。水体光谱反射率和悬浮物浓度呈明显的对数关系,因而计算了悬浮物浓度对数和归一化反射率之间的相关性:低悬浮物浓度水体光谱反射率和悬浮物浓度对数高相关波段位于400~500nm和620~735nm处,相关系数的平均值分别为-0.99和0.98;高悬浮物浓度水体相关性高值区位于550~570nm和720~900nm处,相关系数的平均值分别为-0.98和0.98。可见悬浮物浓度对数与反射率之间的相关性明显高于原悬浮物浓度的相关性。一阶微分光谱反映的是反射光谱的斜率,两组·81· 黑龙江工程学院学报(自然科学版)第25卷实验光谱值都在430nm、560nm、730nm和827nm附近斜率差别较大。各波段反射率的一阶微分与悬浮物浓度对数的相关系数显示:低悬浮物浓度水体在430~460nm、490~570nm和780~790nm处呈较高的正相关,相关系数均达到了0.88以上,在720~735nm、817~834nm处呈较高的负相关,相关性在-0.85至-0.90。高悬浮物浓度水体光谱的一阶微分与悬浮物浓度对数主要以正相关为主,在590~610nm和700~735nm处相关性较高,相关系数均在0.88以上。从整体来看,水体光谱一阶微分与悬浮物浓度对数的相关性不如水体光谱本身与悬浮物浓度对数相关性高,且相关性波动较大。5 沉陷区底质对水深遥感信息提取的影响在理论分析上,这里先不考虑大气和表面耀光的作用,由于水体部分含有悬浮质、叶绿素和CDOM等物质,因此,对采用光谱对底质进行提取需要对水体部分进行校正,从水体表面测得的向上辐照度包含水体和底质两部分,即Eu(0)=Ewd(0)+EBu(0).(5)式中:Ewd(0)是水体产生的向上辐照度,EBu(0)是底质产生的向上辐照度。在水深Z的区域位置Ed(Z)=Ed(0)eKeZ.(6)在深度Z,水体产生的向上辐照度Ewu(Z)=Eb(Z)bbd(Z)=E(0)eKdZbbd(Z).(7)式中:bbd(Z)是水体中向下辐照度的后向散射系数。由于水体的每一深度都会产生向上辐照度,则恰在水面下的向上辐照度Ewd(0)=Ed(0)∫H0bbd(Z)e[-∫Z0(Kd(Z)+Ku(Z))dZ]dZ,(8)Ewd(0)=(Kd(Z)+Ku(Z))-1 Ed(0)bbd(Z)(1-e-(Kd(Z)+Ku(Z))dZ).(9)底质表面的向上辐照度EBu(Z)=Ed(Z)A.(10)A是底部向下辐照度的后向散射系数,由底部反射到恰在水面下的向上辐照度,计算为EBu(0)=EBu(Z)e-KuZ.(11)则EBu(0)=Ed(0)Ae-(Kd+Ku)Z.(12)一般认为:Kd=Ku,Ewd(0)与EBu(0)相加Eu(0)=Ed(0)bbd2 Kd(1-e-2 KdH)+Ae-2 Kd[ ]H.(13)对于没有底部反射的水体来说,bbd2Kd=R(∞),则H=-12 Kd·ln(R0-R∞)ln(A-R∞).(14)通过计算,就可以获得水深的信息。在校正过程中,R(∞)一般认为是等于没有底部反射时的水体反射率,通过对临近水域较深的水体进行提取。在现场校正时,通过式(15)来计算。1-R∞1+R∞( )2=[Ed(Z)-Eu(Z)]2[Ed(Z)+Eu(Z)]2.(15)6 水深遥感反演模型构建水深与水质参数的关系Cchla=GI(Z)=12.0321槡2·0.236e-(Z-2.477)220.2362,Cs=C2(Z)=75.062log10(Z+0.653)烅烄烆.(16)将式(16)带入R(0-)的表达式R(0-)=Ewu(0-)Ewd(0-)=fbba+bb=f(b·bpG2+bbw)(a·phG1+a·dG2+a·cdomacdom(440)+aw)+(b·bpG2+bbw),(17)将式(17)代入底质修正方程式(13),则可以完成水深信息的底质修正。7 结束语本文在计算水深遥感反演的定量模型中,沉陷区积水水体的高光谱遥感数据需要实际测量,目前商用高光谱遥感卫星的空间分辨率有限,无法满足沉陷区这种空间尺度相对较小的内陆水体监测的需要,因此,若想达到实用效果,还需要高空间分辨率的多光谱遥感数据支持。参考文献[1]李素菊.利用分析方法建立湖泊水质参数反演算法研究—以安徽巢湖为例[D].北京:北京大学,2003:1-20.[2]武彦斌,彭苏萍,黄明,等.淮南积水沉陷区水深遥感定量分析[J].中国矿业大学学报,2007,36(4):537-541.[3]彭苏萍,王磊,孟召平,等.遥感技术在煤矿区积水塌陷动态监测中的应用—以淮南矿区为例[J].煤炭学报,2002,27(4):374-378.[4]陈清莲,唐军武,王项南,等.东海试验区水体光谱特性现场测量与数据分析[J].海洋技术,1999,18(3):21-37.[5]修鹏,刘玉光,程永存,等.水下高光谱辐照度和辐亮度剖面测量仪[J].气象水文海洋仪器,2006(2):7-14.[责任编辑:刘文霞]·91·第1期孟祥来,等:基于高光谱遥感技术的积水沉陷区水深反演模型的研究
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