水体及悬浮物的光谱测定与试验分析

水体及悬浮物的光谱测定与试验分析吴兵;汪金花;曹兰杰淳B云飞【摘要】水体类型及悬浮物遥感监测是水环境监测重要指标之一.该项研究通过便携式光谱仪采集了纯净水、河水和海水3种水体的光谱曲线，对观测数据进行平滑、取均值、包络线去除等预处理后,对比分析水体悬浮物、光谱测量方式、水体含沙量对水体光谱曲线反射率的影响.数据分析采用了光谱角和曲线拟合方法的图形匹配和定量分析，对比了不同水体在光谱区间的变化规律.实验结果表明:有悬浮物的水体反射率低于无悬浮物水体的反射率;垂直测量的光谱曲线与倾斜测量的光谱曲线走向大致相同;随着泥沙含量的增加水体的光谱反射率逐渐降低.3种水体在可见光区间光谱差异明显在近红外光谱区间反射曲线趋势一致.％Watertypeandtheremotesensingmonitoringofsuspendedmatterareimportantindicatorsofwaterenvironmentmonitoring.Thecurveofspectraofpurifiedwater,riverwaterandseawaterwerecollectedwithportablespectrometer,andtheimpactofsuspendedmatterconcentrationinwaterwasanalyzed.Theeffectofdifferenttypesofsuspendedsolids,spectralmeasurementandthesedimentconcentrationinwaterbodyonthecurveofspectralreflectanceofwaterafterthepretreatmentofdatawerecompared,includingtakethemeannumberandcontinuum-removaletc.Themethodofgraphicmatchingandquantitativeanalysiswereused,andthechangingrulesofdifferenttypeofwaterinspectralrangewerecompared.Theexperimentalresultsshowthatthereflectivityofwaterwithsuspendsolidsislowerthanthatofwaterwithoutsuspendsolids.Thecurvesofspectraofverticalandtiltmeasurementaresimilar,thetrendofareproperlythesame.Thespectralreflectivityofwaterdecreaseswiththeincreaseofcontentofsedimentinwater.Thethreetypesofwaterhavedefinitelydifferentspectrainvisiblelightsection,buttheyhavethenearlysamereflectivitycurvesinnearinfraredspectra.【期刊名称】《河北联合大学学报（自然科学版）》【年(卷)，期】2018(040)002【总页数】9页(P66-74)【关键词】水体;光谱曲线;光谱特征;光谱匹配【作者】吴兵;汪金花漕兰杰;郭云飞【作者单位】华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210;华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210;华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210;华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210【正文语种】中文【中图分类】X832在水体的水质参数中，悬浮物的含量是最重要的元素之一，其中泥沙的含量会对水体的透明程度、浑浊程度、水体所呈现出来的颜色等光学性质起着至关重要的作用［1］。水体及悬浮物的研究会对湖池、河流、海洋的水体质量、生态、地形地貌、环境监测数据的分析有一定借鉴意义。国内外的许多学者对于水体的光谱特征做了研究和探讨：G.Ferrier研究了不同浓度含沙量与水面反射的相关关系［2］。孙章丽等指出水体光谱特性是水体物质组成的夕卜在特征，利用野外实测的水体遥感反射率可以对水体物质的种类及含量进行分析［3］。王繁等指出水体反射率光谱曲线随含沙量浓度变化而呈现相同趋势变化［4］。陈建辉等指出二次多项式模型的模拟效果和精度是处于最优水平的,而且采用单波段的回归模型要比采用一阶微分值的回归模型更加稳定［5］。方圣辉等对在各种观测视角下水体光谱反射率与泥沙含量之间的关联开展了调研，在提出了差分泥沙光谱指数的同时创造了泥沙反演模型，最终得出了在不同视角下对水体泥沙含量的定量分析模型［6］。水体及悬浮物的调研方法一般是采用船逐点采样，分析和调查周期长，分析实时性相对较慢，数据监测数量较少且离散程度较大［7］。在利用传统实地取样方法基础上，结合遥感光谱测量分析，可以大大提高地面各种水体的环境范围和精度。对复杂多变的河流、湖水和海岸线的水体，或者悬浮物的含量的变化率很大的水体，2种方法结合是一种优势互补方法。该项目从水体光谱曲线的影响的基础实验入手，分析悬浮物、测量方式、含沙量对水体光谱曲线波动影响，为大范围水体遥感监测应用提供基础实验数据。1光谱测定原理在光线贯穿水体时，由于存在悬浮物，因此悬浮物可能会对光线造成一定的遮挡。悬浮物也是一些农药、化学物质以及重金属离子的载体。悬浮物的成分主要包括泥沙、黏土、有机物的碎屑以及各种微生物、浮游生物和絮凝物质等。在大多数情况下均是采用分光光度计或浊度计对悬浮物浓度进行测定。由水色遥感机理可知，由太阳辐射而接触水体的辐射能量中，一些深入至水体之中，余下的直接被水面反射［8］。深入至水中的辐射在水体中传播过程中，水分子的吸收和散射以及水中的悬浮物均会耗用一部分辐射。水色遥感主要是通过在水中辐射的能量经过水体散射后离开水体表面而被传感器接受。传感器接收到的辐射分为三部份，即(1)式中，LA为传感接收的辐射能量，LWTA经大气衰减的辐射能量，Lg为水面耀光，Lp为大气辐射。在可见光范围内，水体反射率总体上比较低，不超过10%，一般为4%~5%,并且随着波长的增大逐渐降低，水体的反射率主要集中在蓝绿光波段（0.45~0.52顷、0.52-0.60顷），其他波段反射率均较低，特别是近红外波段，水体对该波段几乎完全吸收。研究结果表明，含有悬浮物的水体可以对太阳光进行挑选吸收或者散射、反射，水体中悬浮物的散射可以归于米氏散射，散射强度等级与水中悬浮物的性质具有密切关系，是悬浮物浓度的函数。当光从空气进入水中时，水中的悬浮物粒子对透射进入水中的光发生散射作用，只有后向散射光才能被传感器接收到。由此可得，水体的后向散射能量随着悬浮物浓度的变化而发生变化，通过悬浮物光谱测量这种方式对光谱反射率值进行分析。2光谱测量实验悬浮物的定义是悬浮在水里面的固体物质，它们包括很多种物质，例如：不能溶于水的无机物质和有机物质以及粘土、微生物等。悬浮物是致使水体变得不清澈的一个极为关键的原因，而且水体中有机物沉积会导致水质变差，进而影响生活。水中悬浮物的含量往往是来度量该区域水污染严重程度的一个极为关键的指标［9］。该项目选取的实验种类为纯净水、河水以及海水，水体悬浮物以泥沙为主。纯净水、河水以及海水的光谱特征更加容易区分，泥沙作为水体中的主要悬浮物，选择泥沙取材方便且更具有代表性。水体光谱测量实验设计如表1所示，共选取9个样本，体积约为200ml,分别进行含沙量、测量方式和水体类型等影响因子变化的光谱测量实验。表1水体光谱测量试验设计实验类别序号样品类别测量方式体积/ml含沙量影响1纯净水垂直测量2002加10ml泥沙纯净水3加20ml泥沙纯净水4含泥沙纯净水测量方式影响5纯净水垂直测量2006倾斜45°测量水体类型影响7纯净水垂直测量2008河水9海水3光谱采集实验光谱数据采集的设备为SR2500便携式地物光谱仪。SR2500便携式地物光谱仪可测定测量辐射度、光谱反射率和光谱透过率，适用于遥感测量、农作物监测、森林研究、矿物分析、工业照明测量等众多领域应用。在实际测量过程中，需要完成以下步骤：（1）连接波谱仪、探头、电脑、电源以及其它光谱仪附件；（2）打开光谱仪、模拟太阳光源、手持PDA，进行开机预热；（3）据测试方式要求，将光谱仪探头对准测试面。（4）要求非接触式测试仪器探头与测试面距离宜大于10cm，实际距离应根据测试面大小、波谱仪探头视场角大小确定，确保波谱仪探头视场完全落于测试面内；（5）将模拟太阳光源对准测试面，在同样的测试环境下，先测试反射参考板辐射亮度值，并保存数据。（6）将标准板收好后，将需要测量的样品放在黑色绒布上，按样品的编号依次进行测量，并记录好每个样品的光谱序号。在室内测量时需要注意对测量对象及周边环境安全检查；避免在周边污染物或粉尘较多环境操作；环境的温度、湿度符合仪器操作条件；避免周围的强电磁干扰；避免仪器的振动；操作人员避免浅色和强反射类着装；测试对象能覆盖视场区域；白板定标时，确保白板能够完全覆盖视场。图1所示为加入不同含量泥沙纯净水的实测光谱曲线对比图，由图1可以看出每一条光谱曲线的大致走向是相同的，但是随着泥沙含量的增加纯净水的光谱曲线反射率有明显的变化。图2为泥沙含量不同的纯净水的光谱曲线对比图，其中红色曲线为不含泥沙纯净水的光谱曲线，绿色曲线为含10ml泥沙纯净水的光谱曲线，蓝色曲线为含20ml泥沙纯净水的光谱曲线。根据上图可以看出三条曲线的大致走向是相同的，波峰以及波谷的位置也是相同的，但是不含泥沙纯净水的反射率要明显高于含泥沙的纯净水；随着泥沙含量的增加样品的反射率逐渐降低。由此可见泥沙含量的多少对水体光谱曲线的测定有很大影响。图1含沙量不同的纯净水实测光谱曲线对比图图2泥沙含量不同的纯净水光谱曲线对比图图3所示为垂直测量纯净水以及倾斜45°测量纯净水光谱曲线的对比图，由图3可以看出光谱曲线的大致走向是一致的，波峰均大致在650nm、800nm以及1050nm处，波谷均在730nm处。其中绿色曲线为垂直测量的纯净水，红色曲线为倾斜45°测量的纯净水，2条波谱曲线基本吻合。由此可见，测量方法对水体光谱曲线的测定影响不大。图3测量方式不同的光谱曲线对比图图4所示为纯净水、河水、海水的光谱曲线对比图，由图4可以看出3种不同水体的光谱曲线的总体趋势大致相同，在蓝光区域反射率均逐渐增加，其中纯净水与河水更为相似，在可见光波段只有一个波峰为550nm处，因为河水中存在悬浮物，所以在可见光波段河水的反射率要高于纯净水的反射率，但海水在可见光波段的反射率与河水和纯净水的反射率有明显的区别，海水的反射率在450nm与700nm处为2个峰值，在575nm处为谷值。图4不同水体的光谱曲线对比图4光谱处理与分析4.1光谱曲线预处理在对水体及悬浮物进行光谱曲线测量时经常会受到光的发射、散射等因素影响，使得测量数据存在一定误差。因此，在对水体及悬浮物进行光谱曲线分析前首先进行数据预处理，以便减少噪音、环境等对光谱数据分析的影响。常见的数据预处理方法包括数据平滑、求导、均值中心化、多元散射校正等。光谱平滑可以减弱随机噪音，提高信噪比。图5所示为平滑处理前后光谱曲线对比，可以看出平滑处理后去除了噪声以及异常数据图中曲线变得很光滑，并提高了数据的精度。图5平滑处理前后图像对比在光谱测定实验中为确保实验的准确性，每组样品均进行了4次光谱测量实验。图a可以看出，经过DARWinSP软件中平滑处理后同一样品中的4组数据仍然存在一定误差，对其进行平均值处理。包络线去除是将光谱曲线归一化的一种方法，可以明显地显示出曲线的波峰和波谷，在同一基准上就可以明显地区分光谱曲线的波谱特征。通过包络线去除后的光谱曲线，明显地减少了噪音，突出了水体和悬浮物的波谱特征，对于水体及悬浮物的辨别提供了有效的帮助。图6是包络线去除前后图像对比图，可以看出去除包络线的过程也是光谱数据归一化的过程，光谱的吸收和反射特征很明显，包络线去除后包络线和初始波谱匹配处波谱等于1.0，出现吸收特征的区域波谱小于1.0。图6包络线去除前后图像对比4.2水体波谱匹配波谱分析(SpectralAnalyst)工具根据波谱特征可以帮助鉴别波谱曲线(如提取的端元波谱)。使用二进制编码(BinaryEncoding).波谱角填图(SpectralAngleMapper)以及波谱特征拟合分类方法(SpectralFeatureFitting)(也可以使用自定义的分类方法)，对未知波谱与波谱库中物质波谱进行匹配。输出一个总体的匹配度〃得分”，即可根据得分情况鉴别未知波谱。波谱角填图(SAM)方法，与波谱库的匹配程度由弧度来衡量，键入的最小值和最大值都用弧度表示。若匹配结果小于或等于最小值，表示匹配程度较好，得分为1；若四配结果大于或等于最大值，得分为0。波谱特征拟合(SFF)方法，与波谱库的匹配程度由RMS拟合误差来衡量，输人的最小值和最大值都用RMS拟合误差表示。若匹配结果小于或等于最小值，表示匹配程度较好，得分为1；若匹配结果大于或等于最大值，得分为0。二进制编码方法，输人的最小值和最大值都用正确匹配的波段百分比(0~1)表示。若二进制编码的匹配结果小于或等于最小值，得分为0,若二进制编码的结果大于或等于最大值，得分为1。将3种匹配方法的权重都设为1，都参与打分，分析结果量化指标见下表。4.2.1近红外区间匹配分析图7是海水、河水和纯净水在近红外光谱区间光谱对比分析图。从图7可知：在近红外(760~1000nm)区间3种水体的光谱曲线总体趋势一致，都存在810nm处的明显波峰，符合水体近红外的光谱曲线特点。但是从图中明显看出，海水、河水、纯净水在同一波段的反射率依次递增。图7不同水体在近红外波段光谱曲线图表2所示为包络线去除后近红外波段海水、河水与纯净水的光谱曲线图，经波谱角填图法、波谱特征拟合法以及二进制编码法匹配后的结果，其中海水与纯净水波谱角填图法得分为0.976，波谱特征拟合法得分为0.651，二进制编码法得分为0.995；河水与纯净水波谱角填图法得分为0.939，波普特征拟合法得分为0.520,二进制编码法得分为0.986。由表2可以看出，在近红外波段纯净水与河水和海水3种匹配方法得分较高，说明河水与海水在近红外波段与纯净水匹配程度较好。表2近红外波段不同水体与纯净水的匹配分析基准光谱实测光谱波谱角匹配波谱特征拟合二进制编码匹配纯净水光谱海水0.9760.6510.995河水0.9390.5200.9864.2.2可见光区间匹配分析图8是海水、河水和纯净水在可见光光谱区间光谱对比分析图。从图8可知：在可见光(400~760nm)区间3种水体的光谱曲线有非常明显区别，纯净水在可见光波段只有一个明显的波峰和一个吸收谷；河水有2个较为明显的波峰和3个明显的吸收谷；海水有2个明显的波峰和2个明显的吸收谷。由于海水呈现蓝色在蓝光波段(400~480nm)处反射率较高，在480-700nm间反射率明显低于河水和纯净水。实验样本水体海水、河水与纯净水匹配结果在近红外波段效果较好，在可见光区间匹配效果不理想，说明可见光波段作为悬浮物监测海水、河水情况在较为理想。图8不同水体在可见光波段光谱曲线图表3所示为包络线去除后可见光波段海水、河水与纯净水的光谱曲线图经波谱角填图法、波谱特征拟合法以及二进制编码法匹配后的结果，其中海水与纯净水波谱角填图法得分为0.742，波谱特征拟合法得分为0，二进制编码法得分为0.399；河水与纯净水波谱角填图法得分为0.949，波普特征拟合法得分为0.577，二进制编码法得分为0.693。通过与表2在近红外波段匹配结果进行比较可知，在可见光波段海水、河水与纯净水的匹配程度较差，甚至海水与纯净水用波普特征拟合的方法完全不匹配。表3可见光波段不同水体与纯净水的匹配分析基准光谱实测光谱波谱角匹配波谱特征拟合二进制编码匹配纯净水海水0.7420.00.399光谱河水0.9460.5770.6935结论通过对比分析发现