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  • ISSN 1007-6336
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珠江口水体表观光谱特性与类型分析

黄宇业 付东洋 刘大召 余果 张小龙 林道荣 董昭顷

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珠江口水体表观光谱特性与类型分析

    作者简介: 黄宇业(1995-), 女, 广东清远人, 本科生, 研究方向为海洋水色遥感, E-mail:13414936825@163.com;
    通讯作者: 付东洋(1969-), 男, 四川阆中人, 教授, 主要从事海洋遥感与近海环境研究, E-mail:fdy163@163.com
  • 基金项目: 国家海洋公益专项(201305019);广东省自然科学基金(2014A030313603);广东省科技计划项目(2013B030200002,2016A020222016);广东海洋大学创新强校项目(GDOU2014050226);广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目(CXXL2017026);"海之帆"起航计划大学生科技创新培育项目(qhjh2017zr15)
  • 中图分类号: X87

Apparent spectral types and characteristics of Pearl River Estuary

  • 摘要: 珠江口海域是典型的二类水体,光谱特性复杂,一直是国内学者研究的热点区域。本文基于2014年春(5月)、夏(8月)、秋(11月)、冬(2月)珠江口海域四个航次实测的表观光谱资料,探讨了珠江口海域遥感反射率的类型及时空分布特性。结果发现珠江口海域四季水体遥感反射率呈5大类型,每一类光谱都具有典型的区域性和季节变化特征,其谱峰在450~575 nm范围内随季节变化而移动,A类型常年分布在珠江口内,B类型冬春季节分布在珠江口外混合过渡类水体中,C类型主要分布在珠江口口门外水深较深的离岸海域,D类型春夏季在万山群岛附近海域出现,E类型与大洋水体的光谱特征类似。分析表明5种光谱类型的谱型变化趋势由不同的水质因子主导。该研究对深入探讨珠江口等我国近海二类复杂水体的光谱特性及其水色要素的遥感反演具有重要的参考价值。
  • 图 1  研究区域与珠江口实测站位

    Figure 1.  Research area and distribution of sampling stations of four cruises in Pearl River Estuary

    图 2  珠江口冬季遥感反射率曲线

    Figure 2.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in winter

    图 3  珠江口春季遥感反射率曲线

    Figure 3.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in spring

    图 4  珠江口夏季遥感反射率曲线

    Figure 4.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in summer

    图 5  珠江口秋季遥感反射率曲线

    Figure 5.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in autumn

    图 7  IOCCG报告3中的6类光谱曲线

    Figure 7.  Six types of remote reflectance from IOCCG report

    图 8  珠江口5种遥感反射率类型

    Figure 8.  Five types of remote reflectance of Pearl River Estuary

    图 6  珠江口采样点Rrs季节分类图

    Figure 6.  Seasonal classification of Rrs of Pearl River Estuary

    图 9  渤海和北黄海4种光谱类型(周良明[5])

    Figure 9.  Four types of remote reflectance of Bohai and Northern Yellow Seas

    图 10  黄东海春秋季5种光谱类型(叶虎平[19-20])

    Figure 10.  Five types of remote reflectance in spring and autumn of Yellow Sea and the East China Sea

    表 1  各季节实测站位数和相关测量参数

    Table 1.  Stations in each season and related parameters

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-12
  • 录用日期:  2018-05-07
  • 刊出日期:  2019-12-20

珠江口水体表观光谱特性与类型分析

    作者简介:黄宇业(1995-), 女, 广东清远人, 本科生, 研究方向为海洋水色遥感, E-mail:13414936825@163.com
    通讯作者: 付东洋(1969-), 男, 四川阆中人, 教授, 主要从事海洋遥感与近海环境研究, E-mail:fdy163@163.com
  • 广东海洋大学 电子与信息工程学院, 广东 湛江 524088
基金项目: 国家海洋公益专项(201305019);广东省自然科学基金(2014A030313603);广东省科技计划项目(2013B030200002,2016A020222016);广东海洋大学创新强校项目(GDOU2014050226);广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目(CXXL2017026);"海之帆"起航计划大学生科技创新培育项目(qhjh2017zr15)

摘要: 珠江口海域是典型的二类水体,光谱特性复杂,一直是国内学者研究的热点区域。本文基于2014年春(5月)、夏(8月)、秋(11月)、冬(2月)珠江口海域四个航次实测的表观光谱资料,探讨了珠江口海域遥感反射率的类型及时空分布特性。结果发现珠江口海域四季水体遥感反射率呈5大类型,每一类光谱都具有典型的区域性和季节变化特征,其谱峰在450~575 nm范围内随季节变化而移动,A类型常年分布在珠江口内,B类型冬春季节分布在珠江口外混合过渡类水体中,C类型主要分布在珠江口口门外水深较深的离岸海域,D类型春夏季在万山群岛附近海域出现,E类型与大洋水体的光谱特征类似。分析表明5种光谱类型的谱型变化趋势由不同的水质因子主导。该研究对深入探讨珠江口等我国近海二类复杂水体的光谱特性及其水色要素的遥感反演具有重要的参考价值。

English Abstract

  • 水体的光谱特征主要是由水体中的光学活性物质对太阳辐射吸收和散射共同作用形成的[1],光谱特性极其复杂且具有区域性差异。Gordon和Morel [2]在More和Prieu[3-4]的基础上对水体的分类方法进行了修正,依据水质成分将海水分为一类水体和二类水体,“一类水体”的光学特性主要受叶绿素a(chlorophyll a, Chl a)及其降解物褐色素a(Phea-a)和碎屑(Detritus)影响;“二类水体”的光学特性不仅要考虑叶绿素的影响,还要考虑悬浮泥沙(suspended sediments, SSC)及黄色物质(colored dissolved organic matter)的影响[5]。相较于一类水体,二类水体光学特征的影响因子更多,光学特性也更为复杂,我国广阔的近岸海域均为二类水体,且各区域差异化显著[6],因此开展不同海域二类水体光谱特征的研究,对于建立二类水体中叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质浓度的有效反演算法及相关水质参数的监测具有非常重要的意义。自“九五”计划实施以来,已先后完成了东海、渤海、黄海、南海等海域近岸二类水体的表观光学试验,获得了大量的现场数据,对我国近海二类水体的光谱特性有了较全面的了解[6];周良明[5]等分析了渤海和北黄海中等混浊水体的水色光谱特征及其分布规律,并将该区域水色光谱分为四类;陈清莲、唐军武[7]等在东海试验区对水体光谱特性进行了现场测量与数据分析;曹文熙、杨跃忠[8]等研究了南海及西太平洋水域的水色光谱特征;蒋城飞、付东洋[9]探究了雷州半岛近海的光谱特征及其形成原因,并构建了悬浮泥沙和叶绿素的反演模型;付东洋、刘大召[10-11]等分析了珠江口悬浮泥沙的光谱特征并对其进行了遥感反演,能够很好地反演出悬浮泥沙的质量浓度。分析不同海域二类水体的光谱特征,是开展水质遥感监测及应用研究的基础,但在上述研究中,有关珠江口海域光谱特征的类型、空间及季节变化分析还较欠缺。

    • 珠江口介于113°00′E-114°00′E和21°00′N-23°00′N之间,气候温和,雨量充沛,属于亚热带季风气候。珠江由西江、北江、东江汇聚而成,并分八大口门注入南海,具有“三江汇流,八口分流”的水系特征,一般4到9月为丰水期,10月至次年3月为枯水期[11-12]。珠江口海域主要受不规则半日潮的影响,动力过程复杂,水体常年较浑浊,是典型的近岸二类水体[13]。受河口冲刷、工业排废和城市生活排污等因素影响,水体中叶绿素、黄色物质、悬浮泥沙浓度随季节的更替而变化,使得水体的光谱特性更为复杂。本文利用春夏秋冬四个航次的表观光谱数据和同步测量的水质参数作为基础数据,分析了珠江口水体光谱反射率的时空变化特征及其类型。

      本文研究区域集中在珠江口海域,从珠江口口顶延伸到口外依次布设了6个纵向的断面采样点(近岸的3个纵向断面站位号以D标注,离岸较远的3个断面以R标注),以图 1中绿色线为分界线,绿色线以上代表珠江口内海域,以下代表珠江口外海域,便于分区研究珠江口内和口外不同季节水色光谱的特性。测量航次分别为2014年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季),共获取了96个站位点的数据,其中数据有效的站位点共80个,研究区域及四航次的具体站位点如图 1所示,总站位和有效站位见表 1

      图  1  研究区域与珠江口实测站位

      Figure 1.  Research area and distribution of sampling stations of four cruises in Pearl River Estuary

      表 1  各季节实测站位数和相关测量参数

      Table 1.  Stations in each season and related parameters

    • 光谱数据的测量采用海洋光学(Ocean Optics)公司生产的微型光纤光谱仪,产品型号为USB2000+,可测量的光谱范围200~1100 nm,波长分辨率为0.3~10 nm,并基于唐军武[14]等提出的表观光学法(水面之上法),分别测量水面上行辐亮度、天空光下行辐亮度及标准板辐亮度,同时还对Chl a和悬浮泥沙等水色水质参数进行了测量,相关测量参数见表 1

      Chl a浓度的测量:每个站点采集1000 mL水样,水样用whatman公司生产的GF/F玻璃纤维膜(孔径为0.47 μm)过滤,用锡箔纸包裹滤膜并冷冻保存,带回实验室进行测定。实验室中使用90%丙酮进行萃取,萃取时间为24 h。利用美国Turner Designs现场在线荧光仪测量酸化前和酸化后的荧光值,最后通过计算得出Chl a浓度值。

      悬浮泥沙含量的测量:每个站位采集2000 mL水样,以GB/T11901-1989悬浮物浓度的检测方法作为参考,水样以孔径为0.45 μm的有机微孔滤膜进行真空过滤,过滤后使用马弗炉灰化过滤样品的滤膜,并用十万分之一的分析天平进行称量,通过计算求出悬浮泥沙的含量。

    • 遥感反射率Rrs是指离水辐亮度和水面总入射辐照度的比值,对实测的光谱数据进行预处理,并算出遥感反射率Rrs(λ),其表达式为:

      式中:Lu(λ)是水面上行辐亮度;Lsky(λ)为天空光下行辐亮度;rsky为水面菲涅尔系数,取经验值0.02;Rp为标准板的反射率;Lp为标准板的上行辐亮度。通过遥感反射率公式计算得出对应的反射率数据,每个站点至少测量3次,取平均值作为该采样点的遥感反射率,并去除异常数据。由于实际水面测量可见光谱在400~900 nm之间比较稳定,数据可信度较高,同时为了便于不同站位点的光谱值之间的比较,故将光谱研究区间设置为400~900 nm。

    • 利用珠江口春夏秋冬四个航次的实测遥感反射率,分析了珠江口水体遥感反射率的时空分布特性如图 2~5所示,发现珠江口海域的水体高光谱遥感反射率呈现出典型的近海二类浑浊水体的光谱特征,但不同季节的遥感反射率曲线形状各异,且同一季节里珠江口内和口外的光谱曲线也有显著的差异。

      图  2  珠江口冬季遥感反射率曲线

      Figure 2.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in winter

      图  3  珠江口春季遥感反射率曲线

      Figure 3.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in spring

      图  4  珠江口夏季遥感反射率曲线

      Figure 4.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in summer

      图  5  珠江口秋季遥感反射率曲线

      Figure 5.  Remote sensing reflectance curves in Pearl River Estuary in autumn

      分析珠江口四个季节的水体遥感反射率可知:受珠江口高浓度有色溶解有机物和叶绿素吸收的影响,珠江口全年水色光谱总体表现为在蓝光波段遥感反射率普遍处于低值;在570 nm左右出现波峰,根据Gitelson[15]等对水体光谱的研究,该波段处谱峰的形成是由珠江口高浓度的悬浮泥沙强烈的后向散射和Chl a、胡萝卜素的弱吸收,再加上细胞的散射作用所致,且随着站位向外海移动,悬浮泥沙浓度的降低,反射峰会逐渐向短波方向移动,即呈现典型的“蓝移”现象,相反的随悬浮泥沙浓度的增加,反射峰会逐渐向长波方向移动,即所谓的“红移”现象(文中仅以春季光谱展示该现象如图 3,站位D14、D23、D26、R27、R29实测悬浮泥沙浓度分别为7 mg/L、10 mg/L、6 mg/L、5 mg/L、5 mg/L);光谱值在波峰处往红光方向迅速减小,在近红外波段,由于悬浮泥沙等物质的影响使得在该波段处的遥感反射率不为0;在800 nm附近受泥沙后向散射的影响形成了悬沙的第二个“后向散射峰”,在春季和夏季该反射峰更为明显,主要是由于珠江口从春季开始进入丰水期,径流量逐渐增大,淡水冲击力大,且在珠江口西南侧存在季节性的上升流,使得泥沙再悬浮,悬浮泥沙浓度增高[12],泥沙的后向散射特性增强。

      在650 nm左右出现了光谱的次高峰,在670 nm附近由于Chl a对红光的强烈的吸收作用,使得该波长在夏秋冬季节出现了较明显的反射波谷,在680 nm附近再次出现反射峰,一般认为是Chl a的荧光峰,且会随着Chl a浓度的增加向长波方向移动[14],在夏冬季节该荧光峰较明显,主要是由于藻类颗粒的叶绿素对红光的吸收作用及荧光效应都会随叶绿素的增加而相应增强[16]。水对光具有选择吸收特性,在不同的波段水对光的吸收作用不同,对红外部分和紫外部分的吸收作用最为强烈,珠江口一般从4月开始进入丰水期,加上水分子在760 nm左右具有强吸收的特性,春季遥感反射率在760 nm附近的吸收特性比其他季节都强,形成了一个十分稳定的反射谷,而其他季节不稳定或不明显,夏冬季只有小部分站位点出现了弱反射谷,而相反的由于珠江口从10月进入枯水期,秋季该波段在部分海域还出现了较明显的反射峰现象,该反射峰为叶绿素荧光信号的填充作用所形成,故760 nm附近的反射谷可作为识别珠江口春季水体的标志。

      珠江口内及口外海域的水面光谱曲线均具有各自较为明显的光谱特征,口内基本呈现出高悬浮泥沙浑浊水体的光谱特性,而口外则呈现出由浑浊水体过渡为较清洁水体的光谱特征。口内水体遥感反射率光谱的“双峰”现象较为明显(见图 2~5的红色方框),即在可见光波段(580 nm左右)和近红外波段(800 nm附近)出现两个明显的反射峰,且反射峰值亦是口内远高于口外,口内的遥感反射率曲线随波长增大的变化率大,波峰较陡,而口外的相对比较平缓,这与珠江口的悬浮泥沙主要集中在河口区域有关[12]

    • IOCCG报告3[17]提供了6种类型的光谱曲线(如图 7所示)。其中a对应特高浓度的悬浮泥沙和黄色物质;b对应高浓度的悬浮泥沙和黄色物质;c对应中等浓度的悬浮泥沙、叶绿素和黄色物质;d对应清水;e对应中等浓度的叶绿素和悬浮泥沙;f对应低浓度的叶绿素。abce为二类水体的光谱数据,df为一类水体的光谱数据。

      图  7  IOCCG报告3中的6类光谱曲线

      Figure 7.  Six types of remote reflectance from IOCCG report

      对照IOCCG报告所给的6大类光谱曲线,将珠江口所有站位实测的遥感反射率分成5大类型,如图 8,可以看出每一类Rrs光谱曲线都具有各自独特的时空特征。四个季节所有站位点的光谱类型的季节空间分布特征如图 6所示,其中绿、红、白、蓝图标分别代表春夏秋冬季节的航次,□、△、*、×、+号分别代表A、B、C、D、E五种光谱类型。

      图  8  珠江口5种遥感反射率类型

      Figure 8.  Five types of remote reflectance of Pearl River Estuary

      图  6  珠江口采样点Rrs季节分类图

      Figure 6.  Seasonal classification of Rrs of Pearl River Estuary

      类型A:在575 nm附近出现光谱波峰,峰区比较窄,反射率在波峰处随波长的增加与减少都迅速的降低。650 nm左右出现光谱次峰值,685 nm左右出现荧光峰,760 nm附近出现了反射率的极小值,810 nm附近受悬浮物的后向散射的影响出现了泥沙的第二反射峰值。该类型常年分布在珠江口内水体透明度差的近岸或浅海区域,主要是由于西江、东江、北江等陆地径流携带大量的泥沙入海,加上近岸海域的季节性上升流使得泥沙再悬浮,泥沙含量高,水体浑浊。该类型40个同步测量点悬浮泥沙的平均浓度约为10.45 mg/L,叶绿素平均浓度约为3.54 μg/L,高悬沙浓度主导了该类光谱曲线的谱型变化。对比IOCCG报告3中的6大类光谱曲线,类型A光谱谱型与IOCCG报告3中a、b类较为相似,均普遍存在于高悬浮泥沙浓度的二类水体中。

      类型B:其波峰值存在于550 nm附近,谱峰区比较宽,随波峰向红光方向存在一个较强的减小趋势,由于叶绿素浓度较低,在680 nm处的叶绿素荧光峰并不明显,在800 nm处存在一个较弱的泥沙第二反射峰。该类型秋冬季主要在万山群岛附近出现及春季在远离珠江口的外海中出现,而在夏季的航次没有发现该类型的存在,主要由于在冬春季节这些海域的悬浮泥沙和叶绿素浓度相对较低,12个采样点同步所测量的悬浮泥沙的平均浓度约为3.65 mg/L,叶绿素浓度约为1.37 μg/L。虽其悬浮泥沙浓度比类型A的较低,但其后向散射对谱型具有显著的影响,属于珠江口过渡水系[18]所特有的混合过渡光谱类型。类似于周良明[5]等对渤海与北黄海水色光谱分类中的类型2(如图 9),且较高浓度的悬浮泥沙和叶绿素的含量使得该类光谱与类型A的光谱特征有些相似。

      图  9  渤海和北黄海4种光谱类型(周良明[5])

      Figure 9.  Four types of remote reflectance of Bohai and Northern Yellow Seas

      类型C:波峰值出现在450~500 nm之间,峰值小,谱峰区窄,在550~600 nm之间反射率迅速降低,680 nm附近的荧光峰较弱和800 nm附近的反射峰不明显。同步测量的悬浮泥沙和叶绿素的平均浓度分别约为1.42 mg/L和5.63 μg/L,悬浮泥沙含量很低,谱型整体变化趋势主要受叶绿素和黄色物质的影响,但随悬浮泥沙浓度的增加逐渐向类型B转换。该类光谱在113.2°E、21.5°N附近(黄茅海以外)的秋冬季节出现,夏季在站位D36附近出现,总体分布在珠江口离岸较远水体较深的海域。在IOCCG报告3中的6大类光谱曲线未找到与之相类似的光谱类型,但其与叶虎平[19]对黄东海水体光谱曲线分类中的class B极其类似(如图 10),两者的水体光谱特征均由浮游植物和黄色物质共同主导,在珠江口外较清洁的水体中比较常见。

      图  10  黄东海春秋季5种光谱类型(叶虎平[19-20])

      Figure 10.  Five types of remote reflectance in spring and autumn of Yellow Sea and the East China Sea

      类型D:光谱曲线在450 nm附近出现了极小值,在550 nm至600 nm之间出现了波峰,680 nm处存在一个较强的荧光峰,遥感反射率整体较低,与IOCCG报告3中的e类光谱较为相似。春夏季节主要在万山群岛附近海域出现,秋冬航次未发现该类光谱的出现,同步测量点叶绿素浓度平均值约为4.35 μg/L,而该类光谱的谱型变化趋势主要由叶绿素的吸收作用和荧光效应主导。

      类型E:其特征是Rrs光谱曲线在可见光波段内峰值处于400 nm(或<400 nm),在可见光波段其遥感反射率曲线接近于线形,且遥感反射率随着波长的逐渐增大呈现逐渐减小的态势,光谱曲线直线化特征较明显。在470 nm左右存在一个小波峰,在近红波段遥感反射率几乎为零。与IOCCG报告3中的d类相似,总体上近似于大洋一类水体的光谱曲线,Morel和Prieur把这类水体称为“蓝色水”,叶虎平[19]称其为贫营养类水体。其主要分布于夏秋冬季珠江口外和远离入海口等受陆源物质影响极少的海域(站位号R开头海域及以外海域),该处采样点的悬浮泥沙含量极低(<1 mg/L),黄色物质含量和叶绿素浓度也较低,但该类光谱形状的变化趋势主要受叶绿素的控制。

      统计分析表明,珠江口海域上述5种光谱曲线类型在四季采样点中的分布比例并不一样,其中A类型占50%,B类型占15%,C类型占8.75%,D类型占5%,E类型占21.25%,可见,总体上珠江口海域的水体光谱呈高悬浮泥沙浓度高浑浊度为主的A类型光谱。

    • (1) 珠江口属于典型的二类水体,水色光谱特性较复杂,表观光谱特性具有明显的区域性和季节性特性。

      (2) 珠江口实测遥感反射率光谱曲线呈5种类型,每一类光谱曲线都有各自独特的谱型与时空分布状况,其中A类型谱峰出现在575 nm附近,常年分布在珠江口内和入海口附近;B类型谱峰出现在550 nm附近,冬春季节分布在珠江口外混合过渡类水体中;C类型在480 nm附近出现峰值,峰区窄,夏秋冬季主要分布在珠江口离岸较远水深较深的海域;D类型在580 nm和680 nm附近出现波峰和较强的荧光峰,春夏季在万山群岛附近海域出现;E类型与大洋水体的水色光谱特征类似,主要分布于夏秋季节珠江口外和远离入海口等受陆源物质影响极少的海域。

      (3) 珠江口高悬浮泥沙浓度、较高叶绿素浓度和黄色物质共同影响着珠江口的水色光谱特征,5种类型的光谱谱型变化趋势由不同的水质因子主导,A、B类型的光谱谱型主要受高悬沙浓度的影响,C类型光谱谱型由浮游植物和黄色物质共同主导,D、E类型的光谱谱型主要受叶绿素的影响,且珠江口水体光谱以A类型光谱占主导地位。

参考文献 (20)

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