CN105606498B - 一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，包括步骤：1、获取考察区域的离水遥感反射率，并根据离水遥感反射率反演考察区域的CDOM吸收系数；2、根据离水遥感反射率反演考察区域中藻类的叶绿素浓度；3、根据叶绿素浓度计算出叶绿素吸收系数和叶绿素后向散射系数；4、分析悬浮泥沙中的矿物成分，并获取矿物的颗粒直径和复折射率，利用Mie理论公式中离水遥感反射率与矿物颗粒后向散射系数和吸收系数的关系计算矿物颗粒的后向散射系数和吸收系数；5、根据矿物颗粒后向散射系数和吸收系数以及离水遥感反射率构建病态方程并获取矿物粒径分布信息。

Description

一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法

技术领域

本发明涉及水色遥感技术领域，具体涉及一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法

背景技术

泥沙输运是河流中重要的水文现象，它对于河流的变迁有重大的影响，对于了解水动力环境及海水物质输运具有重要意义。此外，悬浮泥沙会对浮游生物、海洋渔业资源、养殖生产和资源保护区等产生不利影响，是海洋水质环境监测一项重要指标，也是研究海洋生态系统和海洋生物地球化学过程的重要参数。因此，水体悬浮泥沙的监测具有非常重要的现实意义和科研价值。

常规的监测往往通过逐点采样后实验分析或激光粒度分析仪(LISST)两种方法，前者通过采集样品，带回实验室，进行分析；后者通过与海水直接接触获得粒度信息，两种方法均为当前水文环境业务监测中最常用的方法。然而，以上两种方法均受到人力、设备、水文、气候等因素的限制，无法大面积、快速地提取水体悬浮泥沙粒径分布信息，而基于卫星遥感监测技术，能够快速获取更高空间分辨率的悬浮泥沙粒径数据，因此遥感监测技术成为水体悬浮泥沙粒径数据测量的重要手段。

现有的遥感监测技术一般只能做到测量悬浮物的浓度，对于水体悬浮泥沙的组分参数分析和粒径分布情况少有涉猎，而获得水体悬浮泥沙的组分参数分析和粒径分布情况可以使人们更详细的了解河流中泥沙输运现象，有利于海洋水质环境研究和保护工作的进一步发展。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，采用该方法可以获得水体悬浮泥沙的组分参数和粒径分布情况。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，包括：

步骤1：获取考察区域的离水遥感反射率，并根据离水遥感反射率反演考察区域的CDOM吸收系数；

步骤2：根据离水遥感反射率反演考察区域中藻类的叶绿素浓度；

步骤3：根据叶绿素浓度计算出考察区域中藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后向散射系数；

步骤4：分析悬浮泥沙中的矿物成分，并获取每种矿物成分的颗粒直径和复折射率，利用Mie理论公式中离水遥感反射率与矿物颗粒后向散射系数和吸收系数的关系计算矿物颗粒的后向散射因子和吸收因子；

步骤5：根据矿物颗粒后向散射因子和吸收因子以及离水遥感反射率构建病态方程组并获取矿物粒径分布信息。

进一步的，所述步骤1包括：根据离水遥感反射率R_rs(λ)反演得出考察区域的CDOM吸收系数，CDOM吸收系数反演方程为：

a_y(λ)＝a_y(440)exp[-S(λ～440)] (1)

a_y(440)＝C₁×exp[C₂(R_rs(630～690)/R_rs(430～490))] (2)

其中，a_y(λ)为波长为λ的CDOM吸收系数，λ的单位为nm，a_y(440)为波长为440nm的CDOM吸收系数，C₁和C₂为常数，S为指数函数斜率，R_rs(630～690)表示在波长区间630nm～690nm内的离水遥感平均反射率，R_rs(430～490)表示在波长区间430nm～490nm内的离水遥感平均反射率；

进一步的，，所述步骤2包括：根据离水遥感反射率R_rs(λ)反演考察区域中藻类的叶绿素浓度，叶绿素浓度的反演方程为：

其中，Chl-a表示叶绿素浓度，单位为ug/L，为波长λ处的离水遥感反射率二阶倒数光谱，C₃和C₄为常数；

进一步的，所述步骤3包括：根据公式(3)反演藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后向散射系数，叶绿素吸收系数的反演方程为：

其中，F和σ的表达式为：

F＝2.89exp{-0.505tanh[0.56ln(a_ph(570)/0.043)]} (6)

σ＝14.17+0.9ln(a_ph(570)) (7)

C₅～C₉为常数；

叶绿素后向散射系数的反演方程为：

b_ph(λ)＝8×10^-4×Chl-a (8)

进一步的，所述步骤4包括：获取考察区域水体悬浮泥沙中的矿物成分，将矿物成分按照粒径大小分为黏土、粉砂和沙三个等级；其中，黏土级矿物的直径表示为D_(1,j)＝0.4+0.18j，j＝[0,1,2,...,20]；粉砂级矿物的直径表示为D_(2,j)＝4.1+2.18j，j＝[0,1,2,...,27]；砂级矿物的直径表示为D_(3,j)＝63+97j，j＝[0,1,2,...,20]；D_(1,j)、D_(2,j)、D_(3,j)的单位均为μm；按照矿物直径收集每种矿物成分的复折射率；

根据待测矿物颗粒直径D_(i,j)和待测矿物复折射率，采用Mie理论公式推导离水遥感反射率R_rs(λ)与矿物颗粒的后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)的关系为：

其中i＝[1,2,3]，a_w(λ)为纯水的吸收系数，a_s(λ)为悬浮泥沙的吸收系数，a_y(λ)为考察区域的CDOM吸收系数，a_ph(λ)为考察区域内藻类的叶绿素吸收系数，b_bs(λ)为考察区域内悬浮泥沙的后向散射系数，b_ph(λ)为考察区域内藻类的叶绿素后向散射系数，N(D_(i,j))为每种待测矿物的颗粒个数；

根据公式(9)计算待测矿物颗粒后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)；

进一步的，所述步骤5包括：根据待测矿物颗粒后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)以及离水遥感反射率R_rs(λ)构建病态方程组为：

Ax＝B (10)

Β＝R_rs(λ)[a_w(λ)+a_y(λ)+a_ph(λ)+b_bw(λ)+b_ph(λ)]-0.33[b_bw(λ)+b_ph(λ)]

其中，b_bw(λ)表示纯水的后向散射系数，根据病态方程组Ax＝B,求出，

从x中可以得出每种待测矿物的颗粒个数。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明利用高光谱离水遥感反射率数据，通过Mie散射和离水反射率与吸收系数及后向散射系数的关系，提供了一种无需接触水体即可获取悬浮泥沙粒径信息的方法；

2、采用本发明提供的技术方案可以获得水体悬浮泥沙的组分参数和粒径分布情况；

3、本发明填补了机载甚至是星载高光谱传感器无法测量水表悬浮泥沙粒径分布的空白，提高了遥感数据的利用率；

4、本发明弥补了现场采样分析在时效和空间分布上的缺陷，具有快速和简单易实现等优势，更适合于实际应用。

附图说明

图1为本发明的算法原理图；

图2为本发明实施例：珠江口实测离水反射率及计算离水反射率对比结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所为本发明的算法原理图，本发明利用高分辨率光谱仪获取离水遥感反射率R_rs(λ)，并根据离水遥感反射率R_rs(λ)分别反演CDOM(有色溶解有机物)吸收系数和藻类的吸收和后向散射系数；选取适合监测区域的水体主要矿物，利用Mie理论进行矿物吸收系数和后向散射系数计算，通过R_rs(λ)与矿物吸收系数和后向散射系数的关系，构建病态方程组，求出悬浮泥沙的粒径分布。

实施例：选取珠江口为研究区域，利用本发明提出的技术方案获取珠江口水域悬浮泥沙粒径信息，具体步骤如下：

1、通过船测观测，利用SD2000光谱仪获取离水反射率R_rs(λ)；

2、根据研究区域，收集该区域悬浮泥沙的主要矿物成分按黏土、粉砂和砂的粒径范围划分，珠江口水域的悬浮泥沙成分主要为高岭土、赤铁矿和石英，故收集这三种矿物的复折射率，进行吸收系数Q_a(λ,i,j)和后向散射系数Q_b(λ,i,j)的计算；

3、利用离水遥感反射率R_rs(λ)反演该区域CDOM,珠江口水域CDOM吸收系数与离水遥感反射率R_rs(λ)的关系为：

a_y(λ₀)＝0.1086×exp[0.9289(R_630～690/R_430～490)]

a_y(λ)＝a_y(λ_o)exp[-S(λ-λ_o)]

其中S＝0.011，λ₀＝440nm，R_630～690为离水反射率在波段630～690nm处的平均值，R_430～490为离水反射率在波段430～490nm处的平均值；

4、利用离水遥感反射率R_rs(λ)反演该区域中藻类的叶绿素浓度，得到该区域藻类的叶绿素浓度与离水遥感反射率R_rs(λ)的关系为：

其中Chl-a是叶绿素浓度，单位为ug/L；是波长为670nm处的二阶倒数光谱。

根据叶绿素浓度反演该区域内藻类的后向散射系数和吸收系数为：

其中，F和σ的表达式为：

F＝2.89exp{-0.505tanh[0.56ln(a_ph(570)/0.043)]}

σ＝14.17+0.9ln(a_ph(570))

其中C₅～C₉为常数，C₅～C₉的取值与研究区域有关，如珠江口区域，该常数可通过查找文件得到分别为：0.0002,0.018,0.2818,65.063和4.8989；

5、根据待测矿物颗粒后向散射系数Q_b(λ,i,j)和吸收系数Q_a(λ,i,j)和离水遥感反

射率R_rs(λ)构建病态方程组为：Ax＝B，其中Ax＝B (10)

Β＝R_rs(λ)[a_w(λ)+a_y(λ)+a_ph(λ)+b_bw(λ)+b_ph(λ)]-0.33[b_bw(λ)+b_ph(λ)]

其中，b_bw(λ)表示纯水的后向散射系数，根据病态方程组Ax＝B,求出，

可利用MATLAB工具箱的NNLS工具从x中得出每种待测矿物的颗粒个数，设置tol＝1e-25。

将求解的x作为粒径分布结果，根据Mie理论计算悬浮泥沙的吸收系数a_s(λ)和后向散射系数b_bs(λ)，利用以下公式反推离水反射率：

图2为珠江口实测离水反射率(in-situ Dn,n＝1,2,…12)及利用本发明提供的方法计算出的离水反射率(Estimated Dn,n＝1,2,…12)对比结果图，Dn表示粒径，n取1至12表示12种不同的粒径；由图可知计算得到的离水反射率与实测值结果接近程度较高，因此按照本发明提供的方法来计算悬浮泥沙粒径分布是正确的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于包括步骤：

步骤1：获取考察区域的离水遥感反射率，并根据离水遥感反射率反演考察区域的CDOM吸收系数；

步骤2：根据离水遥感反射率反演考察区域中藻类的叶绿素浓度；

步骤3：根据叶绿素浓度计算出考察区域中藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后向散射系数；

步骤4：分析悬浮泥沙中的矿物成分，并获取每种矿物成分的颗粒直径和复折射率，利用Mie理论公式中离水遥感反射率与矿物颗粒后向散射系数和吸收系数的关系计算矿物颗粒的后向散射因子和吸收因子；

步骤5：根据矿物颗粒后向散射因子和吸收因子以及离水遥感反射率构建病态方程组并获取矿物粒径分布信息。

2.根据权利要求1所述的一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于，

所述步骤1包括：根据离水遥感反射率R_rs(λ)反演得出考察区域的CDOM吸收系数，CDOM吸收系数反演方程为：

a_y(λ)＝a_y(440)exp[-S(λ-440)] (1)

a_y(440)＝C₁×exp[C₂(R_rs(630～690)/R_rs(430～490))] (2)

其中，a_y(λ)为波长为λ的CDOM吸收系数，λ的单位为nm，a_y(440)为波长为440nm的CDOM吸收系数，C₁和C₂为常数，S为指数函数斜率，R_rs(630～690)表示在波长区间630nm～690nm内的离水遥感平均反射率，R_rs(430～490)表示在波长区间430nm～490nm内的离水遥感平均反射率。

3.根据权利要求2所述的一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于，所述步骤2包括：根据离水遥感反射率R_rs(λ)反演考察区域中藻类的叶绿素浓度，叶绿素浓度的反演方程为：

其中，Chl-a表示叶绿素浓度，单位为ug/L，为波长λ处的离水遥感反射率二阶倒数光谱，C₃和C₄为常数。

4.根据权利要求3所述的一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于，所述步骤3包括：根据公式(3)反演藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后向散射系数，叶绿素吸收系数的反演方程为：

其中，F和σ的表达式为：

F＝2.89exp{-0.505tanh[0.56ln(a_ph(570)/0.043)]} (6)

σ＝14.17+0.9ln(a_ph(570)) (7)

C₅～C₉为常数；

叶绿素后向散射系数的反演方程为：

b_ph(λ)＝8×10^-4×Chl-a (8)。

5.根据权利要求4所述的一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于，所述步骤4包括：获取考察区域水体悬浮泥沙中的矿物成分，将矿物成分按照粒径大小分为黏土、粉砂和砂三个等级；其中，黏土级矿物的直径表示为D_(1,j)＝0.4+0.18j，j＝[0,1,2,...,20]；粉砂级矿物的直径表示为D_(2,j)＝4.1+2.18j，j＝[0,1,2,...,27]；砂级矿物的直径表示为D_(3,j)＝63+97j，j＝[0,1,2,...,20]；D_(1,j)、D_(2,j)、D_(3,j)的单位均为μm；按照矿物直径收集每种矿物成分的复折射率；ΔD₍₁₎表示黏土颗粒粒径大小之间的差值、ΔD₍₂₎表示粉砂颗粒粒径大小之间的差值，ΔD₍₃₎表示砂颗粒粒径大小之间的差值；

根据待测矿物颗粒直径D_(i,j)和待测矿物复折射率，采用Mie理论公式推导离水遥感反射率R_rs(λ)与矿物颗粒的后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)的关系为：

其中i＝[1,2,3]，a_w(λ)为纯水的吸收系数，a_s(λ)为悬浮泥沙的吸收系数，a_y(λ)为考察区域的CDOM吸收系数，a_ph(λ)为考察区域内藻类的叶绿素吸收系数，b_bs(λ)为考察区域内悬浮泥沙的后向散射系数，b_ph(λ)为考察区域内藻类的叶绿素后向散射系数，N(D_(i,j))为每种待测矿物的颗粒个数；

根据公式(9)计算待测矿物颗粒后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)。

6.根据权利要求5所述的一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法，其特征在于，所述步骤5包括：根据待测矿物颗粒后向散射因子Q_b(λ,i,j)和吸收因子Q_a(λ,i,j)以及离水遥感反射率R_rs(λ)构建病态方程组为：

Ax＝B (10)

B＝R_rs(λ)[a_w(λ)+a_y(λ)+a_ph(λ)+b_bw(λ)+b_ph(λ)]-0.33[b_bw(λ)+b_ph(λ)]

其中，b_bw(λ)表示纯水的后向散射系数，根据病态方程组Ax＝B,求出，

从x中可以得出每种待测矿物的颗粒个数。