CN110501267B - T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法 - Google Patents

T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及T‑mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法。针对T‑mode测量方法中近红外波段(750nm)的颗粒物吸收系数假设为零的问题，提出了一种颗粒物吸收系数的校正方法。首先，根据遥感反射比计算色素颗粒物浓度占总悬浮颗粒物浓度的比例；然后，计算750nm处的颗粒物吸收系数ap(750)；最后，对颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数进行校正，并对结果进行分析。本发明的方法一方面可以对T‑mode方法测量的历史数据进行校正，另一方面可以改进基于近红外吸收系数为0的假设建立的模型，实现对T‑mode方法测量的颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数进行校正，以提高测量精度。

Description

T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法
技术领域
本发明属于水体光学遥感领域，具体涉及一种T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法。
背景技术
水体中的悬浮颗粒物(色素颗粒物、非色素颗粒物)的含量和组成直接影响了水体固有光学参数和水下光场的分布。T-mode是一种实验室内使用分光光度计测量浮游植物吸收系数的方法，但是，该方法存在的问题是由于不知道仪器和滤膜本身的散射造成的误差，将750nm处的测量值从整个光谱中减去。这种方法基于的假设是近红外波段的颗粒物吸收系数可忽略不计；但是，最近研究表明，近红外波段的非色素颗粒物的吸收系数不可忽略，色素颗粒物的吸收系数可以忽略。尤其是非色素颗粒物含量比较高的水体，这种方法会引起颗粒吸收系数的低估，并且低估的程度未知。
参考文献
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Figure BDA0002161793820000011
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Figure BDA0002161793820000012
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发明内容
本发明的目的在于提供T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法，可以弥补T-mode测量的颗粒物吸收系数带来的误差，为颗粒物吸收系数的实验室测量提供必要的技术支撑，有助于水体光学遥感生物光学模型的建立。
为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法，包括如下步骤：
步骤1：获取水体实测遥感反射比光谱Rrs(λ)、总悬浮颗粒物浓度SPM和叶绿素a浓度Chla；根据实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算Chla/SPM，基于实测SPM和Chla构建SPMph和Chla相关关系模型，构建以Chla/SPM表征的f的计算公式；
其中f为色素颗粒物浓度SPMph占总悬浮颗粒物浓度SPM的比例；
步骤2：根据750nm处色素颗粒物的比吸收系数aph *(750)、750nm处非色素颗粒物的比吸收系数ad *(750)、步骤1计算得到的f和基于实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算的SPM，计算750nm处的颗粒物吸收系数ap(750)；
步骤3：基于步骤2计算得到的ap(750)，对T-mode测量得到的颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)进行校正。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中，实测遥感反射比光谱Rrs(λ)由美国ASD公司生产的地物双通道光谱仪测量得到。总悬浮颗粒物浓度SPM由实验室称重法测量得到。叶绿素a浓度Chla由实验室丙酮法测量得到。
作为本发明的进一步改进，所述步骤1中，所述步骤1中，根据实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算Chla/SPM的公式如下：
Figure BDA0002161793820000021
作为本发明的进一步改进，所述SPMph和Chla相关关系模型在高SPMph浓度情况下构建，即SPMph＝SPM；将443nm处色素颗粒物的吸收系数aph(443)占颗粒物吸收系数ap(443)的比例大于80％的情况假设为SPMph＝SPM，构建此时的SPM和Chla相关关系模型，作为SPMph和Chla相关关系模型。色素颗粒物浓度SPMph难以直接测量，因此将把443nm处色素颗粒物的吸收系数占颗粒物吸收系数的比例大于80％(aph(443)/ap(443)>80％)的情况假设为悬浮颗粒物全部由色素颗粒物组成，也就是SPMph＝SPM。
进一步的，构建的SPMph和Chla相关关系模型为：SPMph＝0.37Chla(R2＝0.94)
即：
Figure BDA0002161793820000031
作为本发明的进一步改进，所述步骤2中，ap(750)基于下式计算得到：
ap(750)＝(f×aph *(750)+(1-f)×ad *(750))×SPM (3)
其中，f由步骤1计算得到；SPM基于实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算得到；aph *(750)假设为0；ad *(750)取0.014。
进一步的，SPM从Rrs(709)计算得到，如下式所示(R2＝0.51)：
SPM＝1417.6×Rrs(709)0.95 (4)
作为本发明的进一步改进，所述步骤3中，将T-mode测量得到的颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)分别加上步骤2计算得到的ap(750)，得到校正后的颗粒物吸收系数ap-corr(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad-corr(λ)，如下：
ad-corr(λ)＝ad(λ)+ap(750) (5)
ap-corr(λ)＝ap(λ)+ap(750) (6)
其中，λ为400–750nm。
本发明的T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法，针对浅水湖泊水体浑浊的特点，利用遥感反射比光谱与水体组分浓度的关系，得到色素颗粒物浓度占总颗粒物浓度的比例，计算750nm处的颗粒物吸收系数，从而实现对T-mode方法测量的颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数进行校正，以提高它们的测量精度，本发明一方面可以对T-mode方法测量的历史数据进行校正，另一方面可以改进基于近红外吸收系数为0的假设建立的模型。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是SPM与Chla的关系散点图。
图2是Chla/SPM与Rrs(709)/Rrs(675)的散点图。
图3是SPM与Rrs(709)的散点图。
前述图示1-3中，作为英文形式表达的各坐标、标识或其他表示，均为本领域所公知的，并不在本例中再做赘述。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例1
本实施例说明本发明的具体实现方式。
本实施例对T-mode测量的颗粒物吸收系数进行校正，实现方式如下：首先，根据实测遥感反射比光谱计算色素颗粒物浓度占总悬浮颗粒物浓度的比例；然后，计算750nm处的颗粒物吸收系数ap(750)；最后，对颗粒物吸收系数和非色素颗粒物吸收系数进行校正，并对结果进行分析。
作为示例性的描述，下面结合附图所示，对前述方法的实施进行具体说明。
步骤1：获取水体实测遥感反射比光谱Rrs(λ)、总悬浮颗粒物浓度SPM和叶绿素a浓度Chla；根据实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算总悬浮颗粒物浓度SPM、叶绿素a浓度Chla占SPM的比例(Chla/SPM)，基于实测SPM和Chla构建SPMph和Chla相关关系模型，进而构建以Chla/SPM表征的f的计算公式；
所述遥感反射比光谱Rrs(λ)，波段范围350-1050nm，由美国ASD公司生产的地物双通道光谱仪测量得到。实测的总悬浮颗粒物浓度SPM由实验室称重法测量得到，用于模型构建。总悬浮颗粒物浓度SPM由色素颗粒物浓度SPMph和非色素颗粒物浓度SPMd组成。叶绿素a浓度Chla由实验室丙酮法测量得到，用于模型构建。
色素颗粒物组成的悬浮物占总悬浮颗粒物的比例f可以由Chla/SPM表达，过程如下：
首先，f定义为：
Figure BDA0002161793820000051
由于上述定义(公式1)中，色素颗粒物浓度SPMph难以直接测量，因此，把443nm处色素颗粒物的吸收系数占颗粒物吸收系数的比例大于80％(aph(443)/ap(443)>80％)的情况假设为悬浮颗粒物全部由色素颗粒物组成，也就是SPMph＝SPM。
所述色素颗粒物的吸收系数aph(443)和颗粒物吸收系数ap(443)是实验室内使用分光光度计T-mode方法测量得到，由于443nm处颗粒物吸收系数较高，假设此时近红外的误差对443nm处的颗粒物吸收系数影响忽略不计。
由于，当aph(443)/ap(443)>80％时，实测的SPM(＝SPMph)与Chla的相关性很好(图1)，因此，SPMph可以由比较容易测量和计算的Chla替换：SPMph＝0.37Chla(R2＝0.94)，因此，f的计算方法为：
Figure BDA0002161793820000052
当计算得到的f大于1的时候，假设其为1；也就是说，当悬浮颗粒物全部由色素颗粒物组成时，此时f＝1，是合理的。
同时，实测数据得到的Chla/SPM与Rrs的波段比值的关系如下(R2＝0.58)：
Figure BDA0002161793820000053
在应用中，根据实测的Rrs(709)/Rrs(675)即可得到Chla/SPM的值。
步骤2：根据750nm处色素颗粒物的比吸收系数aph *(750)、750nm处非色素颗粒物的比吸收系数ad *(750)、f和SPM，计算750nm处的颗粒物吸收系数ap(750)；
所述色素颗粒物的比吸收系数为色素颗粒物的吸收系数aph(λ)与SPM的比值，非色素颗粒物的比吸收系数为非色素颗粒物吸收系数ad(λ)与SPM的比值。
根据水体光学遥感的定义，ap(750)可以由公式4计算得到：
ap(750)＝(f×aph *(750)+(1-f)×ad *(750))×SPM (4)
其中，f由步骤1计算得到；aph *(750)假设为0；ad *(750)取0.014，从文献(
Figure BDA0002161793820000054
等，2014)中获得。
实测SPM与Rrs(709)的关系模型为(R2＝0.51)：
SPM＝1417.6×Rrs(709)0.95 (5)
在应用中，根据实测的Rrs(709)即可得到SPM的值。
综上，以Rrs为输入参数，将公式2、3、5代入公式4，即可得到ap(750)。
步骤3：对颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)进行校正。
所述颗粒物吸收系数为色素颗粒物吸收系数aph(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)的和；T-mode测量过程中，首先测量颗粒物吸收系数ap(λ)，然后用次氯酸钠漂泊样品，测量得到的为非色素颗粒吸收系数ad(λ)；色素颗粒物吸收系数aph(λ)由ap(λ)减去ad(λ)而得到。
由于T-mode测量方法对色素颗粒物吸收系数aph(λ)的结果没有影响，因此，只需对颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)进行校正。
校正后的非色素颗粒物吸收系数ad-corr(λ)和颗粒物吸收系数ap-corr(λ)为：
ad-corr(λ)＝ad(λ)+ap(750) (6)
ap-corr(λ)＝ap(λ)+ap(750) (7)
其中，λ为400–750nm，ad(λ)和ap(λ)为T-mode测量得到的结果，ap(750)为步骤2计算得到的结果，均值为0.34±0.42m-1。
然后，对比了校正前与校正后的443、650、750nm处的ad(λ)、ad *(λ)、ap(λ)、ap *(λ)，如下表所示：
Figure BDA0002161793820000061
为了说明校正方法的准确性，将校正后的ad *(λ)结果与文献中的结果进行比较，较为一致。文献中的结果如下：
Figure BDA0002161793820000062
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。

Claims (6)

1.T-mode测量的颗粒物吸收系数的校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取水体实测遥感反射比光谱Rrs(λ)、总悬浮颗粒物浓度SPM和叶绿素a浓度Chla；根据实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算Chla/SPM，基于实测SPM和Chla构建SPMph和Chla相关关系模型，进而构建以Chla/SPM表征的f的计算公式；
所述SPMph和Chla相关关系模型在高SPMph浓度情况下构建，即SPMph＝SPM；将443nm处色素颗粒物的吸收系数aph(443)占颗粒物吸收系数ap(443)的比例大于80％的情况假设为SPMph＝SPM，构建此时的SPM和Chla相关关系模型，作为SPMph和Chla相关关系模型；
其中f定义为色素颗粒物浓度SPMph占总悬浮颗粒物浓度SPM的比例；
步骤2：根据750nm处色素颗粒物的比吸收系数aph *(750)、750nm处非色素颗粒物的比吸收系数ad *(750)、步骤1计算得到的f和基于实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算的SPM，计算750nm处的颗粒物吸收系数ap(750)；如下式所示：
ap(750)＝(f×aph *(750)+(1-f)×ad *(750))×SPM
其中，f由步骤1计算得到；SPM基于实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算得到；aph *(750)假设为0；ad *(750)取0.014；
步骤3：基于步骤2计算得到的ap(750)，对T-mode测量得到的颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)进行校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，实测遥感反射比光谱Rrs(λ)由美国ASD公司生产的地物双通道光谱仪测量得到；总悬浮颗粒物浓度SPM由实验室称重法测量得到；叶绿素a浓度Chla由实验室丙酮法测量得到。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，根据实测遥感反射比光谱Rrs(λ)计算Chla/SPM的公式如下：
Figure FDA0002427096400000011
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
构建的SPMph和Chla相关关系模型为：SPMph＝0.37Chla(R2＝0.94)
即：
Figure FDA0002427096400000012
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SPM从Rrs(709)计算得到，如下式所示：
SPM＝1417.6×Rrs(709)0.95。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，将T-mode测量得到的颗粒物吸收系数ap(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad(λ)分别加上步骤2计算得到的ap(750)，得到校正后的颗粒物吸收系数ap-corr(λ)和非色素颗粒物吸收系数ad-corr(λ)，如下：
ad-corr(λ)＝ad(λ)+ap(750)
ap-corr(λ)＝ap(λ)+ap(750)
其中，λ为400–750nm。
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