0引 言

水體中懸浮泥沙影響到水體的透明度和水色等光學性質,還密切關系到河口海岸沖淤變化過程。采用高光譜遙感技術獲得懸沙水體的反射光譜數據,同時從原理上來計算反射率。針對傳統水體遙感測量的局限性,地物光譜儀測量方式更加合理。選用地物光譜儀和光纖光譜儀進行研究,得到以下結論:隨著懸沙濃度的增高,反射率也增高,且發生反射的波段范圍有所增大;離水面一定距離時測得的懸沙反射率的誤差主要來自于天空光,近水面雖然減少了天空光的部分影響,但光纖光譜儀較敏感,受水面波動的影響較大;到水面下光強變弱,利用光纖光譜儀可以不受天空光影響直接獲得水體反射率。

1 儀器概述

地物光譜儀是地面非成像光譜儀,可以在野外或實驗室測量研究對象的光譜反射率、透射率及其他輻射率,是廉價又靈活的光譜數據獲取方法。

光譜儀的核心部分即傳感器技術不斷地發展,到20世紀70年代,光纖傳感器在靈敏度和精度、固有的安全性、抗電磁場干擾能力、高絕緣強度以及耐高溫、耐腐蝕等方面優點突出。它具有很高的傳輸信息容量,可以同時反映多元成分的多維信息,并通過波長、相位、衰減分布、偏振和強度調制、時間分辨收集瞬時信息等來加以分辨,真正實現多道光譜分析和復合傳感器陣列的設計,達到復雜混合物中特定分析對象的檢測,這對電傳感器和聲傳感器而言是無法做到的。

地物光譜儀iSpecField-HH手持式地物光譜儀是萊森光學（LiSenOptics）專門用于野外遙感環境監測的最新產品，由于其操作靈活、輕巧方便、光譜測試速度快、光譜數據準確是一款真正意義上便攜的手持式地物光譜儀。地物光譜儀在很多場合都被用來測量光譜反射率、透射率及其他輻射率,如植被長勢分析、林業、地面實況數據測量、地質研究、礦物識別、工業質量控制和環境測試等領域。現在使用的野外光譜儀中大多使用方便,又輕又小。

光纖光譜儀

LiSpec-UVIR200系列高靈敏度光譜儀是萊森光學（LiSenOptics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發而來明星產品之一。該系列光譜儀是一款成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測量速度相結合的高靈敏度光譜儀，其獨有消雜散光技術、獨有降噪電路控制技術、再加上出眾的高量子效率探測器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。微電子領域中的多像元光學探測器發展迅猛,如CCD陣列、光電二極管陣列等,使生產低成本掃描儀和CCD相機成為可能,這些技術使光纖光譜儀可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵。

光纖光譜儀的優點在于系統的模塊化和靈活性,測量快,成本低,這些優點大大拓寬了它的應用領域。微型光纖光譜儀特別適用于那些重要光檢測技術的研究工作。在工業和科研許多領域得到廣泛應用。

2 數據分析與討論

2.1遙感反射率測算

地物光譜儀

遙感反射率

即對水體的遙感反射率的計算必須要測量水體的離水輻亮度Lw與水體表面入射輻照度Ed(0+)。

離水輻亮度的測算離水輻射率可表示為

其中Lw為離水輻亮度,Lsw為光譜儀接收的總輻亮度;Lsky為天空漫散射光輻亮度,不包含任何水體信息;r為水表反射率,與水表面粗糙度等有關。

光譜儀的參數設置為每個采樣點自動測量20條光譜曲線,從20條曲線中去除異常的曲線,挑選比較集中的10條取平均值作為該點的光譜曲線,減少了由于波浪、太陽耀斑等對測量影響而產生的誤差,得到Lsw。

Lsky的測量步驟與Lsw相近,唯一不同的是取光譜儀的攝像頭指向天空的。最后得到離水輻亮度

此處取平靜水面情況下的水表反射率r為0.022。水面入射輻照度的測算水面入射輻照度是通過測量標準灰板的輻亮度計算得到的,標準板是采用反射率為30%的灰板,Lp為標準板測量的輻亮度,ρp為標準板的反射率。其觀測角度設置為標準板在陽光下水平放置,光譜儀垂直于標準板。

入射輻照度:

綜上可知,遙感反射率

在實際操作中,測量儀器穩定,線性度好,則只需要對標準板進行嚴格標定,對于未標定的光譜儀,可以直接依據下式計算遙感反射率

其中,Ssw、Ssky和Sp分別為光譜儀面向水體、天空和標準板的測量信號碼值。

光纖光譜儀

需要測定三類光譜值:第一類稱為暗光譜,即沒有光線進入光譜儀時由儀器記錄的光譜(通常是系統本身的噪聲值,取決于環境和儀器本身的溫度);第二類為參考光譜或稱標準板白光,是從較完美的漫輻射體——標準板上測得的光譜;第三類為樣本光譜或目標光譜,即從感興趣的目標物上測得的光譜。最后,感興趣目標物的反射率是在相同的光照條件下通過參考光輻射值除目標光輻射值得到的,因此目標反射率是個相對于參考光譜輻射的比值。

3.2遙感反射率分析

跟清水的反射光譜曲線進行比較,得到懸沙水體的光譜特性。在圖1中,中值粒徑D50為0.019mm的懸沙水體的光譜曲線,曲線1代表的濃度為1.527g·L-1,2代表了濃度為0.010g·L-1。曲線2的懸沙濃度很低,可看作清水。懸沙水體的反射率比清水高很多。反射波段范圍也因懸沙濃度的增大而有所增大,總反射量增高。

圖1懸沙中值粒徑為0.019mm的兩種濃度懸沙水體光譜曲線

2.2光纖光譜儀測量的反射率比較分析

比較光纖光譜儀在3個高度測量的3種不同泥沙濃度的懸沙水樣A、B和C的遙感反射率,三樣品的泥沙濃度由高到低為B、A、C。從圖2上可以看出:

圖2光纖光譜儀三個水樣三個高度的光譜曲線

(1)A、B、C三點的反射率由高到低為B、A、C,反射峰值本身形態變得更寬。(2)光纖光譜儀測量出三個高度上懸沙水體光譜曲線的大體趨勢是一致的,都能體現懸浮泥沙水體內的主要光譜特征,而且懸沙水體光譜曲線的特征和前人探測研究的結論也比較接近。(3)懸沙水體水面之上的反射率遠遠高于水面之下的反射率且水面以上和以下的懸沙水體反射率測得值的穩定性較高。A、B和C三處的反射率峰值相差分別大約為9%、15%和4.5%,懸差比為52%、60%和50%。說明除了受天空光對光譜儀測量到的信號的影響之外,還有懸沙濃度對出水輻亮度產生的影響不是線性,特別是后向散射系數,它和懸沙濃度的關系更接近于乘冪關系。要獲得懸沙水體的真實信息,得從懸沙水體水面之上的信息中將天空光信息去除。

(4)在近水面測得的懸沙水體反射率浮動幅度大。根據測得值可以看出與水面以下的差值百分比分別為77.6%、20%和40%,與懸沙濃度無明顯相關性。光纖傳感器高度貼近懸沙水體的表面可以盡量去除天空光散射對水體測量目標的影響,但離水表面越近,光纖探頭的觀測角度就越小,對目標變化的敏感度越高。因此水面起伏就會對測量結果產生很大干擾,從圖2中可看出在近水面懸沙水體的反射率波動比較大。

2.3地物光譜儀和光纖光譜儀測量的反射率比較分析

圖3同一測量高度上懸沙水體的地物管溝光譜儀和光纖光譜儀光譜曲線比較圖

比較光纖光譜儀和地物光譜儀測量的水體遙感反射率,結合圖2、3可以看出:

(1)地物光譜儀沒有去除天空光的直接測量值和光纖光譜儀在水面之上的測量值在數值上比較接近,如圖3所示。兩者都沒有去除天空光的影響,測量的懸沙水體的反射率都偏大。

(2)地物光譜儀計算得到的實際反射率與光纖光譜儀在水面以下測得的光譜值相近。

(3)光纖光譜儀的光譜分辨率明顯高于地物光譜儀的,它特別適合于測量低強度光源目標物的光譜。在水體中可以探測出水體反射率的微小變化。

(4)光纖光譜儀在小于400nm、大于900nm的數據噪聲太大,光譜曲線波動大,幾乎不能使用。地物光譜儀實際可使用的波段范圍更寬,穩定性較光纖光譜儀好。

3 結論

對懸沙水體進行光譜測量,所使用的兩種光譜儀在不同要求下,可表現出不同優點。在水面上,外部條件一致,都受到天空光的影響,光譜儀在一定程度上接受了程輻射,用地物光譜儀和光纖光譜儀測得的值很接近,即在光強適宜時兩者都可以。在接近水表層進行光譜測量時,雖然可以減少大氣的影響,但水體很難保持穩定狀態,不斷受到水體擾動的影響,而且仍不能完全去除天空光的影響,測量結果的穩定性差。到水面下光強變弱,利用光纖光譜儀可以直接進行測量,既方便又相對精確。光纖探頭可以根據要求,在不同的水深條件下進行測量。

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審核編輯：符乾江