水體及懸浮物的光譜測定與試驗(yàn)分析

水體及懸浮物的光譜測定與試驗(yàn)分析吳兵;汪金花;曹蘭杰淳B云飛【摘要】水體類型及懸浮物遙感監(jiān)測是水環(huán)境監(jiān)測重要指標(biāo)之一.該項(xiàng)研究通過便攜式光譜儀采集了純凈水、河水和海水3種水體的光譜曲線，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、取均值、包絡(luò)線去除等預(yù)處理后,對比分析水體懸浮物、光譜測量方式、水體含沙量對水體光譜曲線反射率的影響.數(shù)據(jù)分析采用了光譜角和曲線擬合方法的圖形匹配和定量分析，對比了不同水體在光譜區(qū)間的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:有懸浮物的水體反射率低于無懸浮物水體的反射率;垂直測量的光譜曲線與傾斜測量的光譜曲線走向大致相同;隨著泥沙含量的增加水體的光譜反射率逐漸降低.3種水體在可見光區(qū)間光譜差異明顯在近紅外光譜區(qū)間反射曲線趨勢一致.％Watertypeandtheremotesensingmonitoringofsuspendedmatterareimportantindicatorsofwaterenvironmentmonitoring.Thecurveofspectraofpurifiedwater,riverwaterandseawaterwerecollectedwithportablespectrometer,andtheimpactofsuspendedmatterconcentrationinwaterwasanalyzed.Theeffectofdifferenttypesofsuspendedsolids,spectralmeasurementandthesedimentconcentrationinwaterbodyonthecurveofspectralreflectanceofwaterafterthepretreatmentofdatawerecompared,includingtakethemeannumberandcontinuum-removaletc.Themethodofgraphicmatchingandquantitativeanalysiswereused,andthechangingrulesofdifferenttypeofwaterinspectralrangewerecompared.Theexperimentalresultsshowthatthereflectivityofwaterwithsuspendsolidsislowerthanthatofwaterwithoutsuspendsolids.Thecurvesofspectraofverticalandtiltmeasurementaresimilar,thetrendofareproperlythesame.Thespectralreflectivityofwaterdecreaseswiththeincreaseofcontentofsedimentinwater.Thethreetypesofwaterhavedefinitelydifferentspectrainvisiblelightsection,buttheyhavethenearlysamereflectivitycurvesinnearinfraredspectra.【期刊名稱】《河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年(卷)，期】2018(040)002【總頁數(shù)】9頁(P66-74)【關(guān)鍵詞】水體;光譜曲線;光譜特征;光譜匹配【作者】吳兵;汪金花漕蘭杰;郭云飛【作者單位】華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210;華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210;華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210;華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210【正文語種】中文【中圖分類】X832在水體的水質(zhì)參數(shù)中，懸浮物的含量是最重要的元素之一，其中泥沙的含量會對水體的透明程度、渾濁程度、水體所呈現(xiàn)出來的顏色等光學(xué)性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用［1］。水體及懸浮物的研究會對湖池、河流、海洋的水體質(zhì)量、生態(tài)、地形地貌、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析有一定借鑒意義。國內(nèi)外的許多學(xué)者對于水體的光譜特征做了研究和探討：G.Ferrier研究了不同濃度含沙量與水面反射的相關(guān)關(guān)系［2］。孫章麗等指出水體光譜特性是水體物質(zhì)組成的夕卜在特征，利用野外實(shí)測的水體遙感反射率可以對水體物質(zhì)的種類及含量進(jìn)行分析［3］。王繁等指出水體反射率光譜曲線隨含沙量濃度變化而呈現(xiàn)相同趨勢變化［4］。陳建輝等指出二次多項(xiàng)式模型的模擬效果和精度是處于最優(yōu)水平的,而且采用單波段的回歸模型要比采用一階微分值的回歸模型更加穩(wěn)定［5］。方圣輝等對在各種觀測視角下水體光譜反射率與泥沙含量之間的關(guān)聯(lián)開展了調(diào)研，在提出了差分泥沙光譜指數(shù)的同時(shí)創(chuàng)造了泥沙反演模型，最終得出了在不同視角下對水體泥沙含量的定量分析模型［6］。水體及懸浮物的調(diào)研方法一般是采用船逐點(diǎn)采樣，分析和調(diào)查周期長，分析實(shí)時(shí)性相對較慢，數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)量較少且離散程度較大［7］。在利用傳統(tǒng)實(shí)地取樣方法基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感光譜測量分析，可以大大提高地面各種水體的環(huán)境范圍和精度。對復(fù)雜多變的河流、湖水和海岸線的水體，或者懸浮物的含量的變化率很大的水體，2種方法結(jié)合是一種優(yōu)勢互補(bǔ)方法。該項(xiàng)目從水體光譜曲線的影響的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)入手，分析懸浮物、測量方式、含沙量對水體光譜曲線波動(dòng)影響，為大范圍水體遙感監(jiān)測應(yīng)用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1光譜測定原理在光線貫穿水體時(shí)，由于存在懸浮物，因此懸浮物可能會對光線造成一定的遮擋。懸浮物也是一些農(nóng)藥、化學(xué)物質(zhì)以及重金屬離子的載體。懸浮物的成分主要包括泥沙、黏土、有機(jī)物的碎屑以及各種微生物、浮游生物和絮凝物質(zhì)等。在大多數(shù)情況下均是采用分光光度計(jì)或濁度計(jì)對懸浮物濃度進(jìn)行測定。由水色遙感機(jī)理可知，由太陽輻射而接觸水體的輻射能量中，一些深入至水體之中，余下的直接被水面反射［8］。深入至水中的輻射在水體中傳播過程中，水分子的吸收和散射以及水中的懸浮物均會耗用一部分輻射。水色遙感主要是通過在水中輻射的能量經(jīng)過水體散射后離開水體表面而被傳感器接受。傳感器接收到的輻射分為三部份，即(1)式中，LA為傳感接收的輻射能量，LWTA經(jīng)大氣衰減的輻射能量，Lg為水面耀光，Lp為大氣輻射。在可見光范圍內(nèi)，水體反射率總體上比較低，不超過10%，一般為4%~5%,并且隨著波長的增大逐漸降低，水體的反射率主要集中在藍(lán)綠光波段（0.45~0.52頃、0.52-0.60頃），其他波段反射率均較低，特別是近紅外波段，水體對該波段幾乎完全吸收。研究結(jié)果表明，含有懸浮物的水體可以對太陽光進(jìn)行挑選吸收或者散射、反射，水體中懸浮物的散射可以歸于米氏散射，散射強(qiáng)度等級與水中懸浮物的性質(zhì)具有密切關(guān)系，是懸浮物濃度的函數(shù)。當(dāng)光從空氣進(jìn)入水中時(shí)，水中的懸浮物粒子對透射進(jìn)入水中的光發(fā)生散射作用，只有后向散射光才能被傳感器接收到。由此可得，水體的后向散射能量隨著懸浮物濃度的變化而發(fā)生變化，通過懸浮物光譜測量這種方式對光譜反射率值進(jìn)行分析。2光譜測量實(shí)驗(yàn)懸浮物的定義是懸浮在水里面的固體物質(zhì)，它們包括很多種物質(zhì)，例如：不能溶于水的無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)以及粘土、微生物等。懸浮物是致使水體變得不清澈的一個(gè)極為關(guān)鍵的原因，而且水體中有機(jī)物沉積會導(dǎo)致水質(zhì)變差，進(jìn)而影響生活。水中懸浮物的含量往往是來度量該區(qū)域水污染嚴(yán)重程度的一個(gè)極為關(guān)鍵的指標(biāo)［9］。該項(xiàng)目選取的實(shí)驗(yàn)種類為純凈水、河水以及海水，水體懸浮物以泥沙為主。純凈水、河水以及海水的光譜特征更加容易區(qū)分，泥沙作為水體中的主要懸浮物，選擇泥沙取材方便且更具有代表性。水體光譜測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，共選取9個(gè)樣本，體積約為200ml,分別進(jìn)行含沙量、測量方式和水體類型等影響因子變化的光譜測量實(shí)驗(yàn)。表1水體光譜測量試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)類別序號樣品類別測量方式體積/ml含沙量影響1純凈水垂直測量2002加10ml泥沙純凈水3加20ml泥沙純凈水4含泥沙純凈水測量方式影響5純凈水垂直測量2006傾斜45°測量水體類型影響7純凈水垂直測量2008河水9海水3光譜采集實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)采集的設(shè)備為SR2500便攜式地物光譜儀。SR2500便攜式地物光譜儀可測定測量輻射度、光譜反射率和光譜透過率，適用于遙感測量、農(nóng)作物監(jiān)測、森林研究、礦物分析、工業(yè)照明測量等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。在實(shí)際測量過程中，需要完成以下步驟：（1）連接波譜儀、探頭、電腦、電源以及其它光譜儀附件；（2）打開光譜儀、模擬太陽光源、手持PDA，進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱；（3）據(jù)測試方式要求，將光譜儀探頭對準(zhǔn)測試面。（4）要求非接觸式測試儀器探頭與測試面距離宜大于10cm，實(shí)際距離應(yīng)根據(jù)測試面大小、波譜儀探頭視場角大小確定，確保波譜儀探頭視場完全落于測試面內(nèi)；（5）將模擬太陽光源對準(zhǔn)測試面，在同樣的測試環(huán)境下，先測試反射參考板輻射亮度值，并保存數(shù)據(jù)。（6）將標(biāo)準(zhǔn)板收好后，將需要測量的樣品放在黑色絨布上，按樣品的編號依次進(jìn)行測量，并記錄好每個(gè)樣品的光譜序號。在室內(nèi)測量時(shí)需要注意對測量對象及周邊環(huán)境安全檢查；避免在周邊污染物或粉塵較多環(huán)境操作；環(huán)境的溫度、濕度符合儀器操作條件；避免周圍的強(qiáng)電磁干擾；避免儀器的振動(dòng)；操作人員避免淺色和強(qiáng)反射類著裝；測試對象能覆蓋視場區(qū)域；白板定標(biāo)時(shí)，確保白板能夠完全覆蓋視場。圖1所示為加入不同含量泥沙純凈水的實(shí)測光譜曲線對比圖，由圖1可以看出每一條光譜曲線的大致走向是相同的，但是隨著泥沙含量的增加純凈水的光譜曲線反射率有明顯的變化。圖2為泥沙含量不同的純凈水的光譜曲線對比圖，其中紅色曲線為不含泥沙純凈水的光譜曲線，綠色曲線為含10ml泥沙純凈水的光譜曲線，藍(lán)色曲線為含20ml泥沙純凈水的光譜曲線。根據(jù)上圖可以看出三條曲線的大致走向是相同的，波峰以及波谷的位置也是相同的，但是不含泥沙純凈水的反射率要明顯高于含泥沙的純凈水；隨著泥沙含量的增加樣品的反射率逐漸降低。由此可見泥沙含量的多少對水體光譜曲線的測定有很大影響。圖1含沙量不同的純凈水實(shí)測光譜曲線對比圖圖2泥沙含量不同的純凈水光譜曲線對比圖圖3所示為垂直測量純凈水以及傾斜45°測量純凈水光譜曲線的對比圖，由圖3可以看出光譜曲線的大致走向是一致的，波峰均大致在650nm、800nm以及1050nm處，波谷均在730nm處。其中綠色曲線為垂直測量的純凈水，紅色曲線為傾斜45°測量的純凈水，2條波譜曲線基本吻合。由此可見，測量方法對水體光譜曲線的測定影響不大。圖3測量方式不同的光譜曲線對比圖圖4所示為純凈水、河水、海水的光譜曲線對比圖，由圖4可以看出3種不同水體的光譜曲線的總體趨勢大致相同，在藍(lán)光區(qū)域反射率均逐漸增加，其中純凈水與河水更為相似，在可見光波段只有一個(gè)波峰為550nm處，因?yàn)楹铀写嬖趹腋∥?，所以在可見光波段河水的反射率要高于純凈水的反射率，但海水在可見光波段的反射率與河水和純凈水的反射率有明顯的區(qū)別，海水的反射率在450nm與700nm處為2個(gè)峰值，在575nm處為谷值。圖4不同水體的光譜曲線對比圖4光譜處理與分析4.1光譜曲線預(yù)處理在對水體及懸浮物進(jìn)行光譜曲線測量時(shí)經(jīng)常會受到光的發(fā)射、散射等因素影響，使得測量數(shù)據(jù)存在一定誤差。因此，在對水體及懸浮物進(jìn)行光譜曲線分析前首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以便減少噪音、環(huán)境等對光譜數(shù)據(jù)分析的影響。常見的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法包括數(shù)據(jù)平滑、求導(dǎo)、均值中心化、多元散射校正等。光譜平滑可以減弱隨機(jī)噪音，提高信噪比。圖5所示為平滑處理前后光譜曲線對比，可以看出平滑處理后去除了噪聲以及異常數(shù)據(jù)圖中曲線變得很光滑，并提高了數(shù)據(jù)的精度。圖5平滑處理前后圖像對比在光譜測定實(shí)驗(yàn)中為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組樣品均進(jìn)行了4次光譜測量實(shí)驗(yàn)。圖a可以看出，經(jīng)過DARWinSP軟件中平滑處理后同一樣品中的4組數(shù)據(jù)仍然存在一定誤差，對其進(jìn)行平均值處理。包絡(luò)線去除是將光譜曲線歸一化的一種方法，可以明顯地顯示出曲線的波峰和波谷，在同一基準(zhǔn)上就可以明顯地區(qū)分光譜曲線的波譜特征。通過包絡(luò)線去除后的光譜曲線，明顯地減少了噪音，突出了水體和懸浮物的波譜特征，對于水體及懸浮物的辨別提供了有效的幫助。圖6是包絡(luò)線去除前后圖像對比圖，可以看出去除包絡(luò)線的過程也是光譜數(shù)據(jù)歸一化的過程，光譜的吸收和反射特征很明顯，包絡(luò)線去除后包絡(luò)線和初始波譜匹配處波譜等于1.0，出現(xiàn)吸收特征的區(qū)域波譜小于1.0。圖6包絡(luò)線去除前后圖像對比4.2水體波譜匹配波譜分析(SpectralAnalyst)工具根據(jù)波譜特征可以幫助鑒別波譜曲線(如提取的端元波譜)。使用二進(jìn)制編碼(BinaryEncoding).波譜角填圖(SpectralAngleMapper)以及波譜特征擬合分類方法(SpectralFeatureFitting)(也可以使用自定義的分類方法)，對未知波譜與波譜庫中物質(zhì)波譜進(jìn)行匹配。輸出一個(gè)總體的匹配度〃得分”，即可根據(jù)得分情況鑒別未知波譜。波譜角填圖(SAM)方法，與波譜庫的匹配程度由弧度來衡量，鍵入的最小值和最大值都用弧度表示。若匹配結(jié)果小于或等于最小值，表示匹配程度較好，得分為1；若四配結(jié)果大于或等于最大值，得分為0。波譜特征擬合(SFF)方法，與波譜庫的匹配程度由RMS擬合誤差來衡量，輸人的最小值和最大值都用RMS擬合誤差表示。若匹配結(jié)果小于或等于最小值，表示匹配程度較好，得分為1；若匹配結(jié)果大于或等于最大值，得分為0。二進(jìn)制編碼方法，輸人的最小值和最大值都用正確匹配的波段百分比(0~1)表示。若二進(jìn)制編碼的匹配結(jié)果小于或等于最小值，得分為0,若二進(jìn)制編碼的結(jié)果大于或等于最大值，得分為1。將3種匹配方法的權(quán)重都設(shè)為1，都參與打分，分析結(jié)果量化指標(biāo)見下表。4.2.1近紅外區(qū)間匹配分析圖7是海水、河水和純凈水在近紅外光譜區(qū)間光譜對比分析圖。從圖7可知：在近紅外(760~1000nm)區(qū)間3種水體的光譜曲線總體趨勢一致，都存在810nm處的明顯波峰，符合水體近紅外的光譜曲線特點(diǎn)。但是從圖中明顯看出，海水、河水、純凈水在同一波段的反射率依次遞增。圖7不同水體在近紅外波段光譜曲線圖表2所示為包絡(luò)線去除后近紅外波段海水、河水與純凈水的光譜曲線圖，經(jīng)波譜角填圖法、波譜特征擬合法以及二進(jìn)制編碼法匹配后的結(jié)果，其中海水與純凈水波譜角填圖法得分為0.976，波譜特征擬合法得分為0.651，二進(jìn)制編碼法得分為0.995；河水與純凈水波譜角填圖法得分為0.939，波普特征擬合法得分為0.520,二進(jìn)制編碼法得分為0.986。由表2可以看出，在近紅外波段純凈水與河水和海水3種匹配方法得分較高，說明河水與海水在近紅外波段與純凈水匹配程度較好。表2近紅外波段不同水體與純凈水的匹配分析基準(zhǔn)光譜實(shí)測光譜波譜角匹配波譜特征擬合二進(jìn)制編碼匹配純凈水光譜海水0.9760.6510.995河水0.9390.5200.9864.2.2可見光區(qū)間匹配分析圖8是海水、河水和純凈水在可見光光譜區(qū)間光譜對比分析圖。從圖8可知：在可見光(400~760nm)區(qū)間3種水體的光譜曲線有非常明顯區(qū)別，純凈水在可見光波段只有一個(gè)明顯的波峰和一個(gè)吸收谷；河水有2個(gè)較為明顯的波峰和3個(gè)明顯的吸收谷；海水有2個(gè)明顯的波峰和2個(gè)明顯的吸收谷。由于海水呈現(xiàn)藍(lán)色在藍(lán)光波段(400~480nm)處反射率較高，在480-700nm間反射率明顯低于河水和純凈水。實(shí)驗(yàn)樣本水體海水、河水與純凈水匹配結(jié)果在近紅外波段效果較好，在可見光區(qū)間匹配效果不理想，說明可見光波段作為懸浮物監(jiān)測海水、河水情況在較為理想。圖8不同水體在可見光波段光譜曲線圖表3所示為包絡(luò)線去除后可見光波段海水、河水與純凈水的光譜曲線圖經(jīng)波譜角填圖法、波譜特征擬合法以及二進(jìn)制編碼法匹配后的結(jié)果，其中海水與純凈水波譜角填圖法得分為0.742，波譜特征擬合法得分為0，二進(jìn)制編碼法得分為0.399；河水與純凈水波譜角填圖法得分為0.949，波普特征擬合法得分為0.577，二進(jìn)制編碼法得分為0.693。通過與表2在近紅外波段匹配結(jié)果進(jìn)行比較可知，在可見光波段海水、河水與純凈水的匹配程度較差，甚至海水與純凈水用波普特征擬合的方法完全不匹配。表3可見光波段不同水體與純凈水的匹配分析基準(zhǔn)光譜實(shí)測光譜波譜角匹配波譜特征擬合二進(jìn)制編碼匹配純凈水海水0.7420.00.399光譜河水0.9460.5770.6935結(jié)論通過對比分析發(fā)現(xiàn)