利用重力活塞取樣管在極淺水域采取柱狀樣的一種簡(jiǎn)單方法

Ξ?dāng)?shù)胡連波,劉智深(室,所,東島Ξ?dāng)?shù)胡連波,劉智深(室,所,東島266003)摘要:利用2006年4月份在黃?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的海洋光學(xué)數(shù)據(jù)集測(cè)試準(zhǔn)分析算法(QA)在黃海的適用性QA從實(shí)測(cè)的感反射比數(shù)據(jù)反演水體總吸收系數(shù)黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的吸收系數(shù),反演的平均誤差分別為14.4%,26.1%,44.2%結(jié)果說(shuō)明QA可以很好的反演黃海海域包括沿岸水體的總吸收系數(shù)與黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù),但反演浮游植物的吸收系數(shù)有較大的誤差根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在黃海海域浮游植物的吸收對(duì)總吸收(去掉純水體吸收)在藍(lán)綠波段平均相對(duì)奉獻(xiàn)為20%遠(yuǎn)低于黃色物質(zhì)和碎屑的奉獻(xiàn)因此文中對(duì)QA進(jìn)行了修正,用浮游植物的光譜模型代替QA法中黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜模型修正后的QA反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的平均誤差分別為:23.4和28.1%可以有效改善原來(lái)算法反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。關(guān)鍵詞:準(zhǔn)分析算法;吸收系數(shù);遙感反射比文章編號(hào):1675174(2007)061507中圖法分類號(hào): 715.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著遙感定量化的進(jìn)一步開展,越來(lái)越多的人需要知道海水各組分的吸收系數(shù)一般認(rèn)為海水的吸收由4局部組成,純海水(aw)浮游植物色素(aph)黃色質(zhì)(ag)和碎屑(ad)黃色物質(zhì)又被稱為有色可溶有機(jī)物(DOM)。0引言海色遙感一個(gè)十分重要的應(yīng)用就是從海色遙感數(shù)據(jù)反演得到海水固有光學(xué)性質(zhì),然后從固有光學(xué)性質(zhì)提取海水葉綠素溶解有機(jī)物及懸浮泥沙等水體組分度,進(jìn)而用來(lái)估計(jì)浮游植物生物量初級(jí)生產(chǎn)力和熱通量等1海水的總吸收系數(shù)是影響水體光場(chǎng)分布的要參數(shù)之一,是水體根本固有光學(xué)量之一黃海是型的二類水體區(qū)域,水體光學(xué)特性復(fù)雜特別是在岸水體中,黃色物質(zhì)與碎屑的吸收占了很重要的地位甚至決定了水體光學(xué)性質(zhì)因此準(zhǔn)確的反演黃海海域的總吸收系數(shù)和各組分的吸收系數(shù)具有重要的意義。早期的海水吸收系數(shù)反演方法采用葉綠素或者色素濃度作為中間量,首先通過(guò)海色遙感反演葉綠素或素濃度23,然后根據(jù)葉綠素或色素的光學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為吸收系數(shù)4這種反演只適用于光學(xué)特性與葉綠素濃度脅變的一類水體,用于二類水體時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的差水體光學(xué)性質(zhì)可以從離水輻亮度或者遙感反射比的波段比值的經(jīng)驗(yàn)算法直接得到5Leetl1根大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)覆蓋了大洋水和沿岸水,建立了在440nm波段的總吸收系數(shù)和遙感反射比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系eetl6根據(jù)Hydoight數(shù)值模擬建立了適合東中國(guó)海的海水總吸收系數(shù)和遙感反射比之間的經(jīng)驗(yàn)系王曉梅7通過(guò)分析實(shí)測(cè)的黃東海數(shù)據(jù)的建立了海水總吸收系數(shù)和遙感反射比之間的統(tǒng)計(jì)模式。a=aw+aph+ag+ad(1)純水的吸收系數(shù)很多海洋光學(xué)專家很早進(jìn)行了測(cè)量89根據(jù)大量對(duì)浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑吸收光的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)浮游植物吸收光譜可以用1或者幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行表示1013,而黃色物質(zhì)和碎屑的收系數(shù)可以用指數(shù)形式表達(dá)1415朱建華16根據(jù)對(duì)2002年和2003年黃東海的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分別得到黃色物質(zhì)和碎屑物吸收系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值目前的海色衛(wèi)星傳感器和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x器大都是多光譜或者高光譜,因可以利用線性矩陣或者優(yōu)化算法17從總吸收系數(shù)別離出各組分的吸收系數(shù)Leetl17建立了半分模型,通過(guò)非線性光譜優(yōu)化算法反演水體的總吸收系數(shù)和各組分的吸收系數(shù)劉雪峰和張亭祿18通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)OASLOOC等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量粒子的吸收光譜中別離浮游植物的吸收光譜。2002年Leetl19提出了準(zhǔn)分析算法(QAA),是1種有廣泛應(yīng)用前景的海水固有光學(xué)特性反演算法,目前已被eaiFS數(shù)據(jù)處理軟件包(eDAS4.8)采納并作為其業(yè)務(wù)化算法之一Leetl19比擬了在arfo2iaBja海域QAA算法的反演的總吸收系數(shù)平均誤差為12.5%,(在410nm總吸收系數(shù)的范圍為0.03～:(60178017);(60638020)助期:200119;期:200010介:波(198),男,生,師l:Ξ0.5m-1)Le&arer0.5m-1)Le&arer20利用QAA算法成功的反了arforiaBja海域的浮游植物吸收系數(shù),平均誤差為21.4%但數(shù)據(jù)集中黃色物質(zhì)和碎屑在440nm收系數(shù)與浮游植物在440nm吸收系數(shù)的比值為:0.03～0.14說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)海域浮游植物的吸收占主導(dǎo)地位本文將利用QAA算法對(duì)2006年春季實(shí)測(cè)的黃海海域的遙感反射比數(shù)據(jù)反演水體總吸收系數(shù)和各組的吸收系數(shù),然后與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬以測(cè)試QAA算法在黃海的適用性。度E(0+)在船停泊狀態(tài)儀器從船舷或船尾拋入d水,為防止船體影響,順海流漂出離船大約50m為了算遙感反射比需要利用漫衰減系數(shù)K)將Lu(z)推到恰好在水面下Lu(0-)。HTSB帶有Poft數(shù)據(jù)處理軟件,其根據(jù)Autin和etold經(jīng)驗(yàn)算法計(jì)算Kd(490)21,然后根據(jù)orl模型22從Kd(490)計(jì)算Kd)由于該算法主要根據(jù)一類水域現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回歸到,應(yīng)用到沿岸二類水域會(huì)有較大的誤差為了避由此引入的誤差,本文通過(guò)實(shí)測(cè)的漫射衰減Kd)(見1.2),外推得到遙感反射比Rs)。1.2漫衰減系數(shù)根據(jù)oron23,漫衰減系數(shù)可定義為:1數(shù)據(jù)和方法2006年4月13日～19日在黃海進(jìn)行了1次多學(xué)科交叉的LAS春季航次,共有43個(gè)大面站和3個(gè)續(xù)站水體覆蓋了黃海的較清潔,渾濁以及十分渾水域,而且難得的是有蘇北淺灘的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)有海面高光譜輻射計(jì)水下高光譜輻射計(jì)吸收/衰儀分光光度計(jì)和太陽(yáng)光度計(jì)海面高光譜輻射計(jì)只能在白天測(cè)量共有19個(gè)站位數(shù)據(jù)水下高光譜輻射計(jì)共測(cè)得22個(gè)站位的數(shù)據(jù)總吸收系數(shù)和各組分吸收系數(shù)屬于主動(dòng)測(cè)量不受白天的限制,共有38個(gè)站位的數(shù)據(jù)其中,所有數(shù)據(jù)能夠匹配的共有18個(gè)站位實(shí)驗(yàn)航次站位信息見圖1,其中三角符號(hào)代表所有配的18個(gè)站位由圖1可以看出9點(diǎn)位于蘇北淺灘,此站位十分渾濁,透明度盤深度僅為0.7m水色號(hào)為16而且水體呈片狀分布在這樣渾濁的水體中無(wú)論是遙感反射比總吸收系數(shù)以及各組分吸收系數(shù)的測(cè)量都有極大的誤差,因此這個(gè)站位的數(shù)據(jù)在以后的分析中去除。1 dEd(z)(2)Kd=-Ed(z)dz漫衰減系數(shù)的計(jì)算通過(guò)水下高光譜輻射計(jì)測(cè)量的面向下輻照度計(jì)算水下高光譜輻射計(jì)固定在一個(gè)學(xué)支架上,在船舷向陽(yáng)面位置用絞車放入水中實(shí)際測(cè)量中由于外表波的聚焦,船體陰影以及由于海水的波動(dòng)引起測(cè)量深度帶來(lái)的不確定性,不能根據(jù)方程(2)簡(jiǎn)單的從的2個(gè)深度的輻照度計(jì)算Kd為了少這些不利影響,本文采用上層水體的og(Ed(z))和深度z之間線形擬和,擬和結(jié)果得到Kd。1.3總吸收系數(shù)海水的總吸收系數(shù)通過(guò)高光譜吸收/衰減儀(A)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范清理AS光學(xué)窗口和吸收/衰減管,同時(shí)用純潔水做標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。AS的溫度和鹽度校正采用ulanetl24數(shù)據(jù),散射校正采用eeld推薦的第3種方法25因?yàn)镼AA從遙感反射比反演的總吸收系數(shù)是上層水體的均值,而AS測(cè)量的是水體的剖面吸收系數(shù),所以了兩者能夠進(jìn)行比較,AS測(cè)量的吸收系數(shù)根據(jù)oron26方法對(duì)上層水體吸收系數(shù)剖面進(jìn)行加權(quán)平均。1.4浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)游植物黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)按照NAA標(biāo)準(zhǔn)27,通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)量海水水樣得到。每個(gè)站位3個(gè)主要水文層采集水樣,水樣用What2an公司的F/F濾膜(0.7)過(guò)濾,用分光光度計(jì)測(cè)定保存在濾膜上的顆粒的吸收系數(shù)ap測(cè)定后,樣品濾膜用甲醇除去浮游植物色素,萃取后的濾膜顆粒再用分光光度計(jì)測(cè)定,得出的是碎屑吸收系數(shù)ad浮植物的吸收系數(shù)等于ap和ad的差上述樣品過(guò)濾的濾液再用0.2μ的濾膜過(guò)濾,用分光光度計(jì)測(cè)濾液的光密度,然后計(jì)算黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)為了與QAA從遙感反射比反演得到的吸收系數(shù)進(jìn)行比較,本文采用表層水體采樣測(cè)量結(jié)果。圖1LAS航次站位圖ig.1tatonsfLAScrie1.1遙感反射比感反射比定義為海外表離水輻亮度Lw和恰在海外表上的向下輻照度Ed的比值海面高光譜輻射計(jì)(HTSB)在400～800nm之間有128個(gè)通道,測(cè)量下0.65m處的向上輻亮度Lu(z)和海外表向下輻算法反演的誤差,定義相對(duì)誤差為:準(zhǔn)分析算法(QAA)oronetl28根據(jù)ontea算法反演的誤差,定義相對(duì)誤差為:準(zhǔn)分析算法(QAA)oronetl28根據(jù)ontearo數(shù)值模擬得出了遙感反射比和固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。2md2ean(a)-a))(4)err=100%m))ean(a中,am)為實(shí)測(cè)的總吸收系數(shù)或者海水組分的吸收系數(shù),ad)為QAA算法反演的總吸收系數(shù)或者海組分的吸收系數(shù)圖3給出了用QAA算法反演的吸收系數(shù)和AS實(shí)測(cè)的總吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的反演結(jié)果,其相對(duì)誤差分別為:11.6%13.7%,15.3%,16.9%,平均誤差為14.4%2 b) bb)rs)=g0+g1(3)a)+bb)a)+bb)中,g0,g1是常數(shù),abb分別是吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)。Leetl19提出的QAA算法其根本思路是:首先選定1個(gè)參考波段0,該波段的吸收系數(shù)a0)可以較準(zhǔn)確的估計(jì)(比方某個(gè)紅光波段,該波段的吸收由水的吸收占主導(dǎo)地位),利用公式(3)計(jì)算參考波段的向散射系數(shù)bb0),然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定后向散光譜bb(),最后根據(jù)公式(3)計(jì)算總吸收光譜a)由于在整個(gè)的算法中并沒(méi)有考慮浮游植物黃色物質(zhì)和非浮游植物粒子的吸收光譜形狀,因此具有高的精度和適用性然后利用黃色物質(zhì)和碎屑的指數(shù)衰減吸收光譜模型,從QAA算法反演的總吸收系數(shù)中別離各組分的吸收光譜。2(R=0.91,N=68)反演的誤差來(lái)源于以下幾個(gè)方面:(1)HTSB測(cè)量的Lu(z)外推到恰好在水下外表在誤差,特別是在渾濁水域;(2)AS散射校正誤差;(3)QAA算法本身的誤差以及估計(jì)的各種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)帶來(lái)的誤差以上各種誤差都會(huì)通過(guò)QAA算法傳到反演的結(jié)果上,由此看來(lái)14.4的誤差已經(jīng)吻合很好了。3結(jié)果和討論17個(gè)站位的遙感反射比光譜見圖2,由光譜的形狀和強(qiáng)度可以看出黃海水體屬于典型的二類水體光譜在藍(lán)波段有強(qiáng)烈的吸收,說(shuō)明黃海含有較多的黃色圖3實(shí)測(cè)總吸收系數(shù)和QA反演結(jié)果在4個(gè)波段的比擬ig.3QAeiedotlaboptonofientsoparedithaureentsatourlctedwaleths圖217個(gè)站位的遙感反射比光譜ig.2pctrafteauredreoteningrflctaeatte17tatons質(zhì)或者碎屑其中4個(gè)站位(6,7,15,32)的遙反射比光譜的峰值>0.01,峰值位置>550nm,說(shuō)明黃海含有較多的懸浮物質(zhì),比方泥沙。67站位海水很渾濁,透明度盤深度<2m水色號(hào)為13。19A2站位透明度盤深度為5m左右,水色號(hào)為10海水中等濁。23,40等站位海水較清潔,透明度盤深度為10m,水色號(hào)為7由此說(shuō)明該數(shù)據(jù)集涵蓋了較清潔,濁以及十分渾濁水域?yàn)榱四苓M(jìn)一步的量化QAA圖4QA反演的總吸收光譜ig.4pctrafotlaboptoneiedfomQA圖4給出了QAA算法反演的總吸收光譜,類似圖2遙感反射比光譜,吸收光譜的強(qiáng)度和光譜性質(zhì)變化都大2遙感反射比光譜,吸收光譜的強(qiáng)度和光譜性質(zhì)變化都大在沿岸水域黃色物質(zhì)和碎屑在藍(lán)光波段有強(qiáng)烈吸收,在紅光波段水體的吸收占主導(dǎo)地位由于測(cè)的遙感反射比包含了葉綠素?zé)晒?在685nm附近),而QAA算法中并沒(méi)有考慮熒光的影響,因此在葉綠素濃度較大的站位QAA反演的總吸收系數(shù)在685nm波要偏小由于黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜十分類似都是隨波長(zhǎng)指數(shù)衰減1415,所以從遙感的角度很難區(qū)分黃色物質(zhì)和碎屑的吸收光譜因此QAA算法反演的是黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)的和圖5和圖6分別給出了QAA算法反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物38.7%,29.1%,36.8%,72.2%平均誤差44.2%(R2=0.71,N=68)可見QAA算法反演的浮游植物的吸收系數(shù)的誤差遠(yuǎn)高于黃色物質(zhì)和碎屑的反演誤差。圖717個(gè)站位的海水3種組分對(duì)總吸收系數(shù)(除去水體吸收)的相對(duì)奉獻(xiàn)ig.7latieontibutonsfthreooentsoteotlabopton(aboptonywaterelue)or17tatons圖5實(shí)測(cè)黃色物質(zhì)和碎屑吸收系數(shù)與QA反演結(jié)果在4個(gè)波段的比擬ig.5QAeiedagandadoparedithaureentsatourlctedwaleths圖8所有38個(gè)站位的海水3種組分對(duì)總吸收系數(shù)(除去水體吸收)的相對(duì)奉獻(xiàn)ig.8 Terlatieontibutonsfthreooentsoteotlabopton(aboptonywaterelue)orl38tatons圖7給出了17個(gè)站位的浮游植物黃色物質(zhì)和碎在各個(gè)波段對(duì)吸收系數(shù)(除去水體吸收)的平均相對(duì)由圖7可以看出浮游植物的吸收系數(shù)在藍(lán)綠波平均奉獻(xiàn)為20%,而碎屑和黃色物質(zhì)遠(yuǎn)大于浮游植的吸收奉獻(xiàn),這就可以解釋為什么QAA反演的浮游植物吸收系數(shù)的誤差較大圖8是本次實(shí)驗(yàn)所有測(cè)量的站位(38個(gè)站位)的浮游植物黃色物質(zhì)和碎屑在各波段對(duì)吸收系數(shù)(去掉水體吸收)的平均相對(duì)奉獻(xiàn),和圖7略有不同的是黃色物質(zhì)在藍(lán)綠波段的吸收奉獻(xiàn)大于碎屑奉獻(xiàn),但浮游植物的吸收依然較小占20%右因此從遙感反射比反演黃海的浮游植物的吸收系數(shù)會(huì)有較大的誤差,而反演黃色物質(zhì)和碎屑時(shí)誤差圖6實(shí)測(cè)浮游植物吸收系數(shù)與QA反演結(jié)果在4個(gè)波段的比擬ig.6QAeiedaphoparedithaureentsatourlctedwaleths收系數(shù)與分光光度計(jì)實(shí)測(cè)的比擬其中,黃色物質(zhì)與碎屑的吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相誤差分別為:12.4%,13.5%,24.6%,54.1%,平均差26.1%(R2=0.92,N=68)浮游植物吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相對(duì)誤差分別為:較小。在QAA算法中較小。在QAA算法中Le19根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系首先計(jì)算了游植物在440nm的吸收系數(shù)黃色物質(zhì)和碎屑在440nm的吸收系數(shù)然后利用黃色物質(zhì)和碎屑的指衰減光譜模型,分離它們和浮游植物的吸收光譜。但黃色物質(zhì)和碎屑的指數(shù)衰減斜率是無(wú)法從遙感數(shù)據(jù)精確的獲得15,在各種水體中實(shí)測(cè)的吸收斜率在0.01～0.02之間,一般取其平均值為0.014或0.015圖9圖10給出黃色物質(zhì)和碎屑在黃海海域的吸收斜率譜模型:aph)=(a0+a1ln(aph440)aph440(5)其中,a0,a1分別是常數(shù),aph440是浮游植物在440nm波段的吸收系數(shù)。圖1138個(gè)站位測(cè)量的浮游植物吸收光譜(aph)/aph(440))ig.11adptlrts(ph)/ph(44))fphplankonor38tatons圖9所有站位黃色物質(zhì)吸收斜率分布ig.9itibutonfowubtaeaboptonpeorl38tatons圖12根據(jù)浮游植物的光譜模型(5)計(jì)算的和實(shí)測(cè)結(jié)果在4個(gè)波段的比擬ig.12clatedaph)oringoeqaton5oparedithaureentsatourlctedwaleths圖10所有站位碎屑的吸收斜率分布ig.10itibutonfetitusaboptonpeorl38tatons分布其中黃色物質(zhì)的吸收斜率為0.008～0.016之間平均值為0.0128碎屑的吸收斜率為0.008～0.011之平均值為0.097由圖7和圖8可以看出黃色物質(zhì)和碎屑的吸收在黃海海域占主導(dǎo)地位,所以吸收斜率較小的變化就會(huì)給反演浮游植物的吸收時(shí)帶來(lái)較大的誤差圖11給出了所有38個(gè)站位測(cè)量的浮游植物的收光譜,由圖可以看出浮游植物的吸收光譜也不能用1個(gè)光譜模型來(lái)代表但由于浮游植物的吸收對(duì)總吸收的奉獻(xiàn)較小,因此它的吸收光譜模型誤差對(duì)反演結(jié)果影響也較小根據(jù)Le12建立的浮游植物吸收光圖12給出了用公式(5)計(jì)算的浮游植物吸收系數(shù)在410,450,490和530nm波段的吸收系數(shù)和實(shí)測(cè)值比擬,平均誤差為12.4%(R2=0.98,N=152)因可以用浮游植物的光譜模型代替QAA算法中黃色質(zhì)和碎屑的吸收光譜模型圖13和圖14給修正后QAA反演的黃色物質(zhì)和碎屑浮游植物的吸收系數(shù)的結(jié)果其中,反演的黃色物質(zhì)和碎屑的吸收系數(shù)在410,440,490和530nm波段的相對(duì)誤差分別為:12.6%15.9%,19.5%,45.5%,平均誤差23.4%(R2=0.92,N=68)反演的浮游植物吸收系數(shù)在410,460,490和530nm波段的相對(duì)誤差分別為:29.3%,21.7%,24.8%,26.6%平均誤差28.1%(R2=0.83,N=68)由此可見修正后的QAA算法提高了從總吸收系數(shù)中反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。謝:感謝高會(huì)旺教授提供N=68)由此可見修正后的QAA算法提高了從總吸收系數(shù)中反演浮游植物吸收系數(shù)的能力。謝:感謝高會(huì)旺教授提供LAS航次;海洋遙感研究所實(shí)驗(yàn)人員為采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)所付出的辛苦勞動(dòng)。參考文獻(xiàn):1LeZP,arerKL,ockTG,etl.etodtoeieoanaboptonoffientsfomreoteningrflctaeJ.Appiedptcs,1996,35(3):45462.o/r/