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  • ISSN 1007-6336
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水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

姜玲玲 段家辉 王林 陈艳拢 李炳南 郭翔宇

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水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

    作者简介: 姜玲玲(1980-), 女, 吉林白山人, 副教授, 主要从事海洋生态遥感研究, E-mail:jiangll@dlmu.edu.cn;
  • 基金项目: 国家自然基金项目(41506197);辽宁省博士基金项目(201501190);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132017110)
  • 中图分类号: X87

Light scattering and backscattering of particles in relation to the proportions of the organic and inorganic particles

  • 摘要: 研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展具有重要的意义。本文结合2017年6月和9月秦皇岛附近海域的实测数据,获取了各站位有机颗粒(POM)、无机颗粒(PIM)的浓度以及散射、后向散射等光谱参数,并进行了相关性分析。结果表明,受水体颗粒物浓度的影响,各波段比后向散射系数的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;通过建立散射、后向散射系数与总悬浮颗粒物浓度(SPM)以及与PIM和POM之间的关系模型发现,水体的后向散射受水体颗粒物构成影响较大,与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较高,均方根误差(RMSE)的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处最好;同时,分析了无机颗粒物的比例构成(PIM/SPM)对散射效率和后向散射效率的影响,得出相对于散射效率Qbe,后向散射效率Qbbe受无机颗粒物比例构成影响最大,但是Qbbe与PIM/SPM的相关性并不是很高,决定系数R2为0.4。
  • 图 1  测量站位分布

    Figure 1.  Locations of the sampling station

    图 2  各站位悬浮颗粒物比例构成

    Figure 2.  The particle composition at each station

    图 3  各站位后向散射光谱

    Figure 3.  The backscattering spectral of each station

    图 4  粒径分布

    Figure 4.  The backscattering spectral of each station

    图 5  550 nm处bpbbpQbbebp*频率分布

    Figure 5.  The relative frequency distribution of bpbbpQbbebp* at 550 nm

    图 6  总悬浮颗粒物浓度与散射系数和后向散射系数相关关系

    Figure 6.  The SPM versus the scattering coefficients and backscattering coefficients

    图 7  散射效率和后向散射效率与无机颗粒物的比例构成关系模型

    Figure 7.  Scattering and backscattering efficiency at 550 nm plotted against the ratio of mineral to total suspended particles

    表 1  光学参量统计结果

    Table 1.  Statistics of optical parameters

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    表 2  散射系数、后向散射系数与PIM、POM相关模型参数表

    Table 2.  Coefficients for the approximation formulas for bp and bbp as functions of two variables (POM and PIM)

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-10
  • 录用日期:  2019-01-22
  • 刊出日期:  2020-02-20

水体有机和无机颗粒组分变化对散射和后向散射特性影响研究

    作者简介:姜玲玲(1980-), 女, 吉林白山人, 副教授, 主要从事海洋生态遥感研究, E-mail:jiangll@dlmu.edu.cn
  • 1. 大连海事大学 环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116026
  • 2. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
基金项目: 国家自然基金项目(41506197);辽宁省博士基金项目(201501190);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132017110)

摘要: 研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展具有重要的意义。本文结合2017年6月和9月秦皇岛附近海域的实测数据,获取了各站位有机颗粒(POM)、无机颗粒(PIM)的浓度以及散射、后向散射等光谱参数,并进行了相关性分析。结果表明,受水体颗粒物浓度的影响,各波段比后向散射系数的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;通过建立散射、后向散射系数与总悬浮颗粒物浓度(SPM)以及与PIM和POM之间的关系模型发现,水体的后向散射受水体颗粒物构成影响较大,与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较高,均方根误差(RMSE)的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处最好;同时,分析了无机颗粒物的比例构成(PIM/SPM)对散射效率和后向散射效率的影响,得出相对于散射效率Qbe,后向散射效率Qbbe受无机颗粒物比例构成影响最大,但是Qbbe与PIM/SPM的相关性并不是很高,决定系数R2为0.4。

English Abstract

  • 散射系数和后向散射系数是水体重要的固有光学量,也是建立水色半分析模型的前提和基础。悬浮颗粒物作为水体的散射主体主要是由以悬浮泥沙为代表的无机颗粒物和以海洋浮游植物为代表的有机颗粒物构成[1],因此悬浮颗粒物组分构成的变化会影响水体的散射变化,进而使得遥感反射率在整个可见光波段受到很大影响。因此了解水体悬浮颗粒物构成变化对水体散射及后向散射变化的影响对提升近岸悬浮颗粒物浓度反演精度具有重要应用价值和实际意义。国内外学者很早就开始关注水体颗粒物散射特性研究,Pak、Stramski和Losiel等最早关注开阔水域的颗粒物的散射特性[2-4], 而早期的相关光学参数大多是通过理论模拟获得。随着测量仪器和测量技术的发展,Boss、Vaillancourt、WestBerry等进行了大洋水体中有机颗粒物的后向散射特性的探讨[5-7]。由于近岸二类水体的构成复杂,近些年,许多学者开始关注近岸水体散射变化特性的探讨,Barbin等对近岸水体悬浮颗粒物与光散射特性之间的关系进行了研究[8];Flory等发现悬浮颗粒物的类型影响水体的后向散射效率[9];Neukermans通过对欧洲附近海域测量研究发现无机颗粒物的增多会导致后向散射效率增大[10];同时我国学者也已经开展了悬浮颗粒物浓度对散射特性的影响研究,李敏敏等针对黄东海区探讨了悬浮颗粒物后向系数和后向散射比的空间分布规律[11];孙德勇等针对内陆二类水体进行了悬浮颗粒物对水体散射特性的影响研究[12];王胜强等进行了颗粒密度、粒径等对后向散射效率的影响研究[13]。可见,已有研究更多的关注总悬浮颗粒物对后向散射特性的变化影响。我国近岸水体光学特性复杂,无机、有机颗粒物共同对水体后向散射产生影响,而目前有关两者之间后向散射相互作用机制的研究相对较少,因此本研究基于现场实测数据,针对近岸二类水体的散射特性进行探讨,研究颗粒物的比例构成对散射及后向散射特性的影响,对推动水色遥感的发展也具有重要的意义。

    • 本研究区域为秦皇岛附近海域,研究数据采集于2017年6月和2017年9月,共两个航次47个站位的采样数据,航次站位分布图如图 1所示。

      图  1  测量站位分布

      Figure 1.  Locations of the sampling station

    • 散射系数bp是由AC-S水体光吸收-衰减系数测量仪得到。通过对AC-S测得的衰减系数c和吸收系数a进行温盐校正、散射校正和纯水校正,进而获得水体颗粒物的散射bp[14]

      式中:cp是水体衰减系数;ap是水体吸收系数。水体后向散射系数bb由六通道后向散射测量仪(HS-6)获得。HS-6是通过测量140°的体散射函数计算得到水体的后向散射系数,其测量的波长分别为420 nm、442 nm、488 nm、550 nm、620 nm和700 nm六个波段。校正后的测量值减去纯水的后向散射系数即为悬浮颗粒物的后向散射系数bbp

      式中:bb是总后向散射系数;bbw是纯水的后向散射系数。悬浮颗粒物的粒子的体积浓度VCi是由激光粒度仪LISST-100X(type B)测得,测量范围为1.25~250 μm, 则各粒径范围粒子截面积浓度ACi由式(3)得出:

      式中:D是颗粒粒径;VCi是各粒径范围悬浮颗粒物的粒子的体积浓度。则总粒子截面积浓度AC为:

      平均散射效率Qbe和后向散射效率Qbbe分别由式(5)和(6)计算得出:

      总悬浮颗粒物浓度的测量采用称重法,将玻璃纤维滤膜过滤水样后,首先在60℃条件下烘干24 h除去水分,称量后减去空白膜重量得到总悬浮颗粒物的重量,除以过滤体积后即得总悬浮颗粒物的浓度(SPM);之后,将滤膜在450℃条件下高温灼烧4 h去除有机组分,称量后减去空白膜重量得到无机悬浮颗粒物的重量,除以过滤体积后即得无机悬浮颗粒物的浓度(PIM)。总悬浮颗粒物浓度减去无机悬浮颗粒物浓度可得到有机悬浮物浓度(POM)(如式7)。所测站位的颗粒物浓度分布如图 2所示,可见,本研究水体是以无机颗粒物为主的二类水体。

      图  2  各站位悬浮颗粒物比例构成

      Figure 2.  The particle composition at each station

      比散射系数bp*和比后向散射系数bbp*分别由式(8)和式(9)得出:

    • 表 1所示,以420 nm、550 nm和620 nm三个波段为例,三个波段的后向散射系数bbp(420)、bbp(550)和bbp(620)的变化范围分别为0.016~0.049、0.014~0.040和0.012~0.037。从各站位后向散射光谱图(图 3)中可以看出,后向散射光谱曲线整体呈衰减趋势,bbp(420)的平均值最大,为0.027,其变化幅度最小,CV值为26.14%;最大CV值出现在620 nm处,为27.28%。相比于后向散射系数,颗粒物的后向散射效率的变化幅度明显减小,三个波段后向散射效率值Qb be(420)、Qb be(550)和Qb be(620)分别为0.011~0.030、0.010~0.025、0.008~0.024。同时,后向散射效率在三个波段的变异系数差距不大,位于20.21%~21.41%之间。由于各站位水体的总悬浮颗粒物的变化范围为3.667~15.4 mg/L,CV值为35.75%,使得水体的比后向散射系数的CV值比后向散射系数和后向散射效率的值高,bbp*(550)的CV值最大,为37.32%;最小值出现在420 nm处,为36.17%。

      表 1  光学参量统计结果

      Table 1.  Statistics of optical parameters

      图  3  各站位后向散射光谱

      Figure 3.  The backscattering spectral of each station

      颗粒物的散射系数bp(420)、bp(550)和bp(620)变化范围为0.968~2.819、0.772~3.754和0.776~3.493;散射系数的最大值同样出现在短波波段420 nm处,该波段处的CV值同样最小,仅为25.83%,另两个波段的CV值分别为41.15%和42.81%。同时散射效率的变化幅度也明显减小,三个波段散射效率值Qb e(420)、Qbe(550)和Qbe(620)分别为0.623~2.041、0.652~1.872、0.609~1.679。相似与水体的后向散射系数,颗粒物的比散射系数的变化幅度较散射系数也增大了,但是最大CV值出现在420 nm处,最小值出现在550 nm处。

      通过粒径分布图(见图 4),我们可以看出,本研究区域小粒径的颗粒占的体积浓度较大,是水体散射的主体。在此基础上,分析了550 nm处bpbbpQbbebp*数值分布情况,如图 5所示。受水体颗粒大小以及悬浮颗粒物浓度的影响,散射系数bp值主要分布在1.25左右低值区,缺值区域较少;bbp呈现正态分布,多分布在0.01~0.03之间;而后向散射效率Qbbe在高值区域0.015附近样本数较多,缺值区域相对较多,并以低值区为主;比后向散射bbp*近似正态分布,无缺值区。

      图  4  粒径分布

      Figure 4.  The backscattering spectral of each station

      图  5  550 nm处bpbbpQbbebp*频率分布

      Figure 5.  The relative frequency distribution of bpbbpQbbebp* at 550 nm

    • 表 1中,可以看出550 nm处,颗粒物后向散射系数bbp* (550)的平均值为0.0031, 小于Neukermans[10]、Slawomir B等[15]对近岸海域的测量结果,尽管和王胜强等[13]对黄渤海域表层的测量结果很相似,但是本研究获得的bbp*(550)的变化幅度不大,CV值为37.32%。可见,水体颗粒物的浓度和构成不同导致水体的后向散射的变化。本研究建立了颗粒物浓度与散射系数、后向散射系数的相关关系,该线性关系对应bp(550)=0.1777×SPM(R2=0.78)和bbp(550)=0.003×SPM(R2=0.81)(如图 6所示), 可见水体的散射系数和后向散射系数受水体悬浮颗粒物浓度的影响,两者之间存在较好的线性关系,该结论与孙德勇[16]、陈树果[17]等研究结论类似。而沈晓晶在黄渤海悬浮颗粒物散射特性研究中得出散射系数、后向散射系数和SPM呈现良好的指数函数关系[18],我们也尝试建立了两者之间的指数模型,bp(550)=0.8×SPM0.34(R2=0.05)和bbp(550)=5.8×10-3×SPM0.7(R2=0.2),但是并没有得到很好的相关性,R2仅为0.05和0.2。一方面是由于bpbbp受测量和海水气泡的影响使得两者的测量结果存在一定的误差;另外本研究所测的水体是以无机颗粒物为主的近岸水体,有机颗粒组分相对较小。

      图  6  总悬浮颗粒物浓度与散射系数和后向散射系数相关关系

      Figure 6.  The SPM versus the scattering coefficients and backscattering coefficients

      由此可见,颗粒物的构成直接影响水体的散射特性,基于此,本研究针对各波段建立了bpbbp与PIM和POM之间的多元线性关系模型,如式bp(bbp)=C1×PIM+ C2×POM,为了检验模型的效果,通过比较实测值与模拟值之间的平均相对误差绝对值(MAPE)和均方根误差(RMSE),见下式:

      式中:PiOi分别代表模拟值与实测值;i表示样本数。如表 2所示,各波段散射系数bp(λ)与无机颗粒物、有机颗粒物呈良好的多元线性关系,决定系数R2为0.85和0.86,MAPE值不大,变化范围在35.3%~40.33%,但RMSE的值相对较高,其变化范围在1.24~1.61之间,MAPE值和RMSE值的最小值均出现在短波波段。相比于散射系数,后向散射bp(λ)的模型的精度较高,MAPE的变化范围在36.85%~38.5%,模拟值和实测值的离散程度很低,RMSE的变化范围为0.0094~0.0143,MAPE值和RMSE值的最小值出现在红光波段700 nm处。该结论为以无机颗粒物为主的近岸二类水体后向散射的反演奠定了良好的理论基础。同时,不同类型的水体,无机颗粒物、有机颗粒物与散射、后向散射的关系,还需要更多的现场测量数据进行系统分析和比较。

      表 2  散射系数、后向散射系数与PIM、POM相关模型参数表

      Table 2.  Coefficients for the approximation formulas for bp and bbp as functions of two variables (POM and PIM)

    • 通过对近岸二类水体的研究,Bowers等得出当水体无机矿物颗粒物浓度超过70%时,Qbbe开始增大;当矿物颗粒物浓度占90%时,Qbbe出现最大值为0.051,水体无机颗粒物是主要散射体[19]。Flory等得出当水体主要为无机颗粒物时,Qbbe为0.01[9];Neukermans得出以矿物颗粒物为主体的二类水体,Qbbe(650)的变化范围为0.0083~0.026,平均值为0.049[10];苏校平等对黄渤海11月份水体的测量结果得出,Qbbe的变化范围在0.001~0.052,平均值为0.025[20]。本研究所获得的Qbbe的测量范围明显较小,620 nm处,最大值为0.024,与Neukermans获得一类水体的后向散射效率变化范围基本一致。可见,水体组分、颗粒物的构成是影响散射效率的重要因素之一。基于此,本研究进行了散射效率和后向散射效率与无机颗粒物的比例构成(PIM/SPM)的相关关系研究(如图 7所示)。发现水体的散射效率与无机颗粒物的比例构成相关性较差,R2仅为0.08。而后向散射效率Qbbe受PIM/SPM的影响较大,两者之间呈现幂指数关系,决定系数R2为0.4。但是,王胜强等建立QbbePOM/SPM之间的关系,却得到了与我们相似的线性关系[13]。理论上无机颗粒物由于具有较高的折射系数,产生更多的散射光,后向散射效率应明显增强。本研究中由于颗粒物具有较小的横截面,其所获取的后向散射信号相对较弱,使得后向散射效率并没有同无机颗粒物呈正相关关系。因此,通过仅颗粒物的构成很难表达其对后向散射效率的影响。日后还需要更多的现场测量,并结合颗粒物的粒径、折射系数等信息进一步研究颗粒物组分变化对散射效率的影响。

      图  7  散射效率和后向散射效率与无机颗粒物的比例构成关系模型

      Figure 7.  Scattering and backscattering efficiency at 550 nm plotted against the ratio of mineral to total suspended particles

    • (1) 实测的后向散射光谱曲线从蓝光到红光波段逐渐递减,后向散射系数最大值出现在420 nm处,并且该波段处bbp的变化幅度最小。同时受水体颗粒物浓度的影响,比后向散射的变化幅度明显增大,变异系数CV最大值出现在550 nm处;散射系数的最大值也出现在420 nm处,但是颗粒物比散射系数的CV最大值出现在420 nm处,最小值则出现在550 nm处。

      (2) 本研究建立了散射、后向散射系数与SPM之间线性关系模型;与有机、无机颗粒物之间的多元线性关系模型。结果得出,后向散射bbp(λ)与有机、无机颗粒物浓度之间的模型精度较好,MAPE的变化范围在36.85%~38.5%,模拟值和实测值的离散程度很低,RMSE的变化范围为0.0094~0.0143,模型精度在700 nm处。该结论为以无机颗粒物为主的近岸二类水体后向散射的反演奠定了良好的理论基础。

      (3) 由于本研究水体是以无机颗粒物为主的二类水体,为了进一步探讨颗粒物比例构成对散射效率和后向散射效率的影响,本研究进行了水体散射效率和后向散射效率与无机颗粒物的比例构成(PIM/SPM)的相关关系研究,得出其后向散射效率Qbbe受PIM/SPM的影响较大,两者之间呈幂指数函数关系,决定系数R2为0.4。但是,通过分析发现,如准确把握水体颗粒物构成对效率的影响,还需大量的现场数据,并结合颗粒物的粒径、折射系数等信息进一步研究。

参考文献 (20)

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