基于实验和实测光谱的太湖悬浮物浓度估算模型研究.pdf

摘要利用现场采集的太湖底部表层沉积物，在实验室配比不同浓度的悬浮物水样，进行悬浮物光谱反射率的测量，同时采集表层水样，进行实验室浓度测量，旨在寻找实验控制条件下悬浮物的高光谱遥感敏感波段并建立其定量估算模型采用N A S A 水体光谱测量规范，分别测出水体、天空散射光及标准反射板的辐亮度值，计算遥感反射率，实验控制条件下的模型结果与野外实测数据的模型进行了对比分析，以便为太湖水体悬浮物浓度估算提供参考依据本文的研究表明：．( 1 ) 实验控制条件下，悬浮物水体的波段7 8 0 - - - 8 2 0 n m ，7 4 0 _ - 7 7 5 n m 以及8 6 0 - - - 8 9 0 n m反射率的均值与悬浮物的浓度有很好的相关性；以R 1 为因子的线性模型S S = I11 2 9 “ R 1 + 1 ．5 9拟合程度非常高，R 2 ：o ．9 9 3 9 ，p 圪( m ，n —m 一1 ) ，则认为回归方程效果在此水平下显著3 ．P 值是在原假设为真时，所得到样本结果会像实际观测结果那么极端或更极端的概率p 值很小代表的意义是，该结果只凭机遇碰巧发生的机会不大P 值越小，回归方程越显著。

4 ．均方根误差R M S E 评价，R M S E 值越小，表示模型越精确8第1 章绪论R M S E =5 ．平均相对误差( A R E ) 为相对误差取绝对值后再求平均，值越小模型越精确A 肛c ％，= 窆卜圳A i = l删i ，nII^ 式中，Y ，和“ 分别为实测值和预测值，y 为实测值的平均值，n 为样本数9第2 幸研究区域和实验测量第2 章研究区域和实验测量2 ．1 研究区概况．太湖是我国长江中下游地区著名的五大淡水湖之一，它位于长江三角洲南翼坦荡的太湖平原上，北临长江，南靠杭州湾，东濒临东海，西接天目山宣溧山地，介于北纬3 0 5 5 ，4 0 ”~ 3 1 3 2 ’5 8 ”，东经1 1 9 5 2 ’3 2 ”一1 2 0 3 6 ’1 0 ”，属于亚热带季风气候按平均水位3 ．0 ( 吴淞基面) 时计算，其湖泊面积为2 4 2 7 ．8 k m 2 ，除去湖中5 1 个岛屿面积8 9 ．7 k m 2外，实际水面积2 3 3 8 ．1 k m z ，居我国五大淡水湖的第三位湖泊平均水深l ，9 m ，最大水深2 ．6 m ，是一个典型的浅水型湖泊( 黄漪平，2 0 0 1 ) 。

近几十年来，随着太湖流域经济的迅速发展和人口的快速增长，经济发展和环境保护之间的矛盾日益加剧，流域河网的有机污染和太湖的富营养化已经非常严重( 蔡启铭，1 9 9 8 ) 太湖的泥沙主要来源于入湖河流太湖平原地势平坦，河床比降低、流速缓，入湖河流上游丘陵山区植被茂密，水土保持较好，因此入湖输沙量甚少，在风平浪静时含沙量甚低湖南部含沙量一般大于北部，尤其是东谣苕溪入湖河口水面大大高于太湖平均含沙量，而东太湖由于湖底多产水草，含沙量较低太湖湖面开阔，当5 ~ 6 级风时，波高可达l m 左右太湖水浅底平，风浪对湖底表层3 —5 c m的浮泥具有扰动侵蚀作用，特别是大风浪时，可谓“兜底浪”，湖底大量浮泥被再次掀起，1 0第2 章研究区域和实验测量使湖水混浊风浪对湖岸也有侵蚀作用，大风浪时，浪头直逼陡直的湖岸，造成部分湖岸受蚀崩塌，这也为太湖提供一部分泥沙( 黄漪平，2 0 0 1 ) 2 ．2太湖悬浮物特征分析( 1 ) 悬浮物中无机物和有机物组成悬浮物总体上由无机颗粒物和有机颗粒物两部分组成无机颗粒物主要是碎屑矿物、粘土矿物等，有机颗粒物主要是浮游植物、浮游动物残体据2 0 0 1 年9 月的梅梁湾调查，在0 ～2 ．5 m 深水柱中( 水深2 ．7 m ) ，有机颗粒物比例平均占到3 0 ％左右，但由于有机颗粒物比重较轻，表层水中有机颗粒物的比例一般要高于深层水( 张运林，2 0 0 4 ) 。

2 ) 悬浮物的区域分布太湖与海洋及其他深水湖泊相比，其悬浮物浓度较高根据无锡太湖监测站1 9 9 6 - 2 0 0 2年各常规监测站点的数据，全湖多年平均值为6 2 ．1 0 m g ／L ，最小值为6m g ／L ，最大值为6 0 5m g ／L ( 光洁，2 0 0 5 ) 但不同湖区，悬浮物浓度差异很大，空间上有显著性差异，大致可以分为3 个等级，湖心区和河口区的悬浮物浓度较高，其次是五里湖、梅梁湾、贡湖相差不大，东太湖由于其特殊的位置——太湖东南部狭长湖湾以及东太湖中水生植物的繁茂，悬浮物浓度最低2 ．3 样品获取2 0 0 6 年l O 月2 4 日．1 1 月2 日，在太湖水面布置了“个样点( 图2 - 2 ) ，进行了水体表面反射光谱测量和同步水质采样分析，实验室内分析项目包括叶绿素a 浓度、悬浮物浓度和黄质浓度同时在太湖梅梁湾口( 北纬3 1 ．3 8 度，东经1 2 0 ．1 9 度) 取底部表层沉积物，用以在实验室配置不同浓度等级的悬浮物溶液在太湖中，底泥蓄积量大约在1 8 ．5 7 亿I n 3 ，主要分布在西部沿岸和梅梁湾一带，在湖心和东太湖地区分布较少太湖湖底平坦、湖面开阔、水深较浅、风浪较大，夏季受东南风，冬季受西北风影响，所能引起底泥悬浮的临界风速大约在5 —6 I I l ／s ，当风速大于临界风速时，风浪对湖底表层的底泥具有扰动侵蚀作用，底泥极易悬浮，太湖中的悬浮物很大程度受底泥悬浮的影响，悬浮量随着风速的增加而增加，太湖流域风速较大的主要原因是受台风外围的影响，一般情况，风速最大不会超过3 0 m ／s ，故所能引起的最大悬浮深度在3 0 - - 4 0 c m 左右( 罗潋葱，秦伯强，2 0 0 4 ) 。

第2 幸研究区域和实验测量图2 ．2 太湖水质分析采样点和底泥采样点位置2 ．4 实验光谱测量2 ．4 ．1 实验条件( 1 )实验场地：空旷的操场，以避开周围建筑遮挡及形成的二次反射；( 2 )实验时间：1 0 ：O O —1 4 ：0 0 时，此时太阳天顶角小于4 0 度，可尽量避开容器壁阴影；( 3 )容器：蓝色塑料水桶，在内壁及底部均匀地喷上黑漆，用以减少容器壁反射；桶上沿半径1 1 ．- - 2 ．5 5 d i n ，桶底半径r = 2 ．2 d m ，桶高h = 6 _ 5 d m ，体积V = 11 7 L( 4 )辅助设备：采样瓶( I L ) 1 0 个，按浓度顺序贴上标签；搅拌器( 5 )样品：将底泥晾干、研磨，事先称量好，密封保存在样品袋1 2第2 章研究区域和实验测量图2 - 3 实验容器( 尺寸单位：分米)2 ．4 ．2 浓度分级要配比不同浓度等级的悬浮物溶液，首先要对浓度等级进行设定，本文根据文献资料和2 0 0 6 年1 0 、1 1 月的实测数据分别设计了两次实验根据无锡太湖监测站1 9 9 6 - - 2 0 0 2 年各常规监测站点的数据，全湖多年悬浮物浓度最小值为6m g ／L ，最大值为6 0 5m g ／L ，因此设计了实验1 ；根据2 0 0 6 年l O 、1 1 月对太湖实测的悬浮物浓度，悬浮物浓度的范围为6 ．5 ——1 4 3 ．5m g ／L ，因此设计了实验2 ，表2 ．1 为两次实验的浓度等级设计：表2 一l两次实验的浓度等级( 单位：r a g ／L )实验l实验21 01 08 02 51 5 04 02 2 05 52 9 07 03 6 08 54 3 01 0 05 0 01 1 55 7 01 3 06 4 01 4 5实验在光谱测量过程中，每个浓度都要采1 L 水样，供实验室水质分析。

保持溶液体积不变，从第二个浓度开始，每配一个浓度，需要向溶液添加1 L 水，再加一定量的溶质设s 1 为前一浓度，s 2 为后一浓度，溶液体积V = 1 1 7 L ，可以预算出每个浓度应加的悬浮物质量m ：’s 2 = ( s l ·V - s l 事1 L + m ) N1 3▲T●●IA．协●●●●●●●◆第2 幸研究区域和实验测量m - - s 2 奉V 二s 1 幸V + s 1泥沙样品经过筛选，称量后用采样袋包好，实验时逐一放入容器2 ．4 ．3 实验步骤实验前2 0 分钟，打开A S D 预热，设置视场角、测量参数，按日期命名光谱数据保存目录，光谱文件起始编号为0 0 0 ，光谱采样数为1 0 条待溶液搅拌均匀，水面平静后，进行光谱量测每一浓度测量以下三个参数：仪器对着漫反射参考板测量的辐亮度、仪器对着水面测量的辐亮度、仪器对着天空测量的辐亮度连续测量1 0 条光谱曲线，光谱仪探头距离水面约1 0 c m 处进行，对准水面中央，测量步骤见图2 _ 4 光谱数据采集的同时及时记录，每测完一个浓度用光谱处理软件A S DV i e w S p e cP r o 查看光谱的曲线，如果有异常须重新测量。

光谱测量完毕，重新搅拌溶液，因为即使溶质颗粒微小，下沉速度很慢，但仍然会有部分溶质下沉，再次搅拌使得沉下的溶质再悬浮，以保证与光谱测量时的悬浮物状态尽量一致1 4第3 幸悬浮物浓度实测光谱估算模型研究第3 章悬浮物浓度实测光谱估算模型研究3 ．1悬浮物浓度分析此工作配置了两组不同浓度的悬浮物水样，实测浓度数据见表3 ．1 ，可以发现，配置的悬浮物溶液有机悬浮物含量较小，都在1 0 ％以内，这也可以推断出太湖底泥中，无机物成分占比重较大，上一章介绍了张运林于2 0 0 1 年9 月的梅梁湾调查，有机颗粒物比例平均占到3 0 ％左右，笔者认为这是水表藻类较多，使得测得的有机质含量大于本实验中配置的悬浮物溶液的有机质含量表3 - 1 实测悬浮物浓度( m g ／L )总悬浮物9 ．27 7 ．41 4 3 ．12 0 7 ．83 2 4 ．53 4 4 ．44 1 2 ．74 9 4 ．55 5 0 ．46 1 9 ．8实有机悬浮 验物O ．22 ．87l O ．51 1 ．1 51 6 ．22 5 ．6 52 9 ．2 53 2 ．43 0 ．7 51有机比重％2 ．173 ．6 24 ．8 95 ．0 53 ．4 44 ．7 06 ．2 25 ．9 25 ．5 24 ．9 6总悬浮物1 2 ．72 53 9 ．95 7 ．86 8 ．79 2 ．5l1 61 2 3 ．31 3 8 ．41 5 5实有机悬浮 验物2 ．34 ．63 ．2 52 ．5 53 ．73 ．2 35 ．5 55 ．8 777 ．32有机比重％1 i 一8 ．1 5 4 7 ．6 4 ·．3 44 ．9 23 ．5 35 ．1 44 ．7 24 ．9 84 ．6 53 ．2悬浮物浓度和光谱反射率的关系3 ．2 ．1 纯水的光谱特性-纯水是指化学纯的H 2 0 ，其中没有任何溶解的和悬浮的物质。

对纯水的光学特性的研究，从1 9 世纪末就开始了，经过1 0 0 多年的历史，很多研究者在理论计算和光谱测量两方面都取得了很多成果通过测量，C l a r k e 等人给出的纯水光谱吸收结论：在可见光谱区，蓝光透视率最大，红光衰减率最强；与散射比较，纯水对光的衰减，主要是吸收引起的，在红外光谱区，相对于吸收而言，散射影响可以忽略由于选择吸收效应，纯水在7 5 0 - 7 6 0 n m处出现吸收最大值，在其它波段存在若干窄的吸收带，纯水在蓝一绿光波段反射率为4 ％一5 ％，6 0 0 n t o 以下的红光部分反射率降到2 ％一3 ％，在近红外、短波红外部分几乎吸收全部的入射能量3 - 2 ．2 悬浮物光谱特性研究实验1 设定的浓度梯度较大，随着逐次增加实验水体的悬浮物量，各种浓度下不同波段遥感反射率的变化如图3 ．1 所示进行浓度配比之前，对充满容器的自来水也进行了光谱测1 5第3 章悬浮物沫度实测光谱估算模型研究量0 ．0 3 50 ．0 30 ．O l0 ．0 0 5O4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0波长( 加)图3 ．1 实验。