一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水色遥感技术领域，具体涉及一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的方法
【背景技术】
[0002] 泥沙输运是河流中重要的水文现象，它对于河流的变迀有重大的影响，对于了解 水动力环境及海水物质输运具有重要意义。此外，悬浮泥沙会对浮游生物、海洋渔业资源、 养殖生产和资源保护区等产生不利影响，是海洋水质环境监测一项重要指标，也是研究海 洋生态系统和海洋生物地球化学过程的重要参数。因此，水体悬浮泥沙的监测具有非常重 要的现实意义和科研价值。
[0003] 常规的监测往往通过逐点采样后实验分析或激光粒度分析仪(LISST)两种方法， 前者通过采集样品，带回实验室，进行分析;后者通过与海水直接接触获得粒度信息，两种 方法均为当前水文环境业务监测中最常用的方法。然而，以上两种方法均受到人力、设备、 水文、气候等因素的限制，无法大面积、快速地提取水体悬浮泥沙粒径分布信息，而基于卫 星遥感监测技术，能够快速获取更高空间分辨率的悬浮泥沙粒径数据，因此遥感监测技术 成为水体悬浮泥沙粒径数据测量的重要手段。
[0004] 现有的遥感监测技术一般只能做到测量悬浮物的浓度，对于水体悬浮泥沙的组分 参数分析和粒径分布情况少有涉猎，而获得水体悬浮泥沙的组分参数分析和粒径分布情况 可以使人们更详细的了解河流中泥沙输运现象，有利于海洋水质环境研究和保护工作的进 一步发展。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种监测水体悬浮泥沙粒径分布的 方法，采用该方法可以获得水体悬浮泥沙的组分参数和粒径分布情况。
[0006] 技术方案:为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为:一种监测水体悬浮泥 沙粒径分布的方法，包括：
[0007] 步骤1:获取考察区域的离水遥感反射率，并根据离水遥感反射率反演考察区域的 ⑶0M吸收系数；
[0008] 步骤2:根据离水遥感反射率反演考察区域中藻类的叶绿素浓度；
[0009] 步骤3:根据叶绿素浓度计算出考察区域中藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后向 散射系数；
[0010] 步骤4:分析悬浮泥沙中的矿物成分，并获取每种矿物成分的颗粒直径和复折射 率，利用Mie理论公式中离水遥感反射率与矿物颗粒后向散射系数和吸收系数的关系计算 矿物颗粒的后向散射因子和吸收因子；
[0011] 步骤5:根据矿物颗粒后向散射因子和吸收因子以及离水遥感反射率构建病态方 程组并获取矿物粒径分布信息。
[0012] 进一步的，所述步骤1包括:根据离水遥感反射率Rrs(A)反演得出考察区域的CD0M 吸收系数，CDOM吸收系数反演方程为：
[0013] ay(A) =ay(440)exp[-S(A~440) ] (1)
[0014] ay(440)=CiXexp[C2(Rrs(630 ~690)/Rrs(430 ~490))] (2)
[0015]其中，ay(A)为波长为λ的CD0M吸收系数，λ的单位为nm，ay(440)为波长为440nm的 CD0M吸收系数，CdPC2为常数，S为指数函数斜率，Rrs(630~690)表示在波长区间630nm~ 690nm内的离水遥感平均反射率，Rrs(430~490)表示在波长区间430nm~490nm内的离水遥 感平均反射率；
[0016]进一步的，，所述步骤2包括:根据离水遥感反射率Rrs(A)反演考察区域中藻类的叶 绿素浓度，叶绿素浓度的反演方程为：
[0018] 其中，Chl-a表示叶绿素浓度，单位为ug/L，\2)为波长λ处的离水遥感反射率 二阶倒数光谱，C3和C4为常数；
[0019] 进一步的，所述步骤3包括:根据公式(3)反演藻类的叶绿素吸收系数和叶绿素后 向散射系数，叶绿素吸收系数的反演方程为：
[0022] 其中，F和〇的表达式为：
[0023] F = 2.89exp{-0.505tanh[0.561n(aph(570)/0.043)]} (6)
[0024] σ = 14.17+0.91n(aph(570)) (7)
[0025] C5~C9为常数；
[0026] 叶绿素后向散射系数的反演方程为：
[0027] bph(A)=8X10-4XChl_a (8)
[0028] 进一步的，所述步骤4包括:获取考察区域水体悬浮泥沙中的矿物成分，将矿物成 分按照粒径大小分为黏土、粉砂和沙三个等级;其中，黏土级矿物的直径表示为D(i, j) = 0.4+ 0 · 18 j，j = [0，1，2，· · ·，20];粉砂级矿物的直径表示为D(2, j) = 4 · 1+2 · 18 j，j = [0，1，2，· · ·， 27];砂级矿物的直径表示为0(3』=63+97]_，]_ = [0，1，2，.。，20];0(1』、0(2,」)、0(3』的单位 均为μπι;按照矿物直径收集每种矿物成分的复折射率；
[0029]根据待测矿物颗粒直径Ddd和待测矿物复折射率，采用Mie理论公式推导离水遥 感反射率Rrs(A)与矿物颗粒的后向散射因子Qb(A，i，j)和吸收因子Qa(A，i，j)的关系为：
[0031]其中i = [l，2,3]，aw〇)为纯水的吸收系数，as〇)为悬浮泥沙的吸收系数，ay〇)为 考察区域的CD0M吸收系数，aPh〇)为考察区域内藻类的叶绿素吸收系数，bbs〇)为考察区域 内悬浮泥沙的后向散射系数，b ph(A)为考察区域内藻类的叶绿素后向散射系数，N(D(1』）为 每种待测矿物的颗粒个数；
[0032]根据公式(9)计算待测矿物颗粒后向散射因子Qb(A，i，j)和吸收因子Qa(A，i，j);
[0033] 进一步的，所述步骤5包括:根据待测矿物颗粒后向散射因子Qb(A，i，j)和吸收因 子^(入，i，j)以及离水遥感反射率R rs(A)构建病态方程组为：
[0034] Ax = B (10)
[0036] B =Rrs(A) [aw(A)+ay(A)+aph(X)+bbw(^)+bph(X) ]_〇 · 33[bbw(^)+bph(X)]
[0037] 其中，bbw(A)表示纯水的后向散射系数，根据病态方程组Ax = B，求出，
[0039] 从X中可以得出每种待测矿物的颗粒个数。
[0040] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0041] 1、本发明利用高光谱离水遥感反射率数据，通过Mie散射和离水反射率与吸收系 数及后向散射系数的关系，提供了一种无需接触水体即可获取悬浮泥沙粒径信息的方法；
[0042] 2、采用本发明提供的技术方案可以获得水体悬浮泥沙的组分参数和粒径分布情 况；
[0043] 3、本发明填补了机载甚至是星载高光谱传感器无法测量水表悬浮泥沙粒径分布 的空白，提高了遥感数据的利用率；
[0044] 4、本发明弥补了现场采样分析在时效和空间分布上的缺陷，具有快速和简单易实 现等优势，更适合于实际应用。
【附图说明】
[0045]图1为本发明的算法原理图；
[0046] 图2为本发明实施例:珠江口实测离水反射率及计算离水反射率对比结果图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0048]如图1所为本发明的算法原理图，本发明利用高分辨率光谱仪获取离水遥感反射 率Rrs(A)，并根据离水遥感反射率Rrs(A)分别反演CD0M(有色溶解有机物)吸收系数和藻类 的吸收和后向散射系数;选取适合监测区域的水体主要矿物，利用Mie理论进行矿物吸收系 数和后向散射系数计算，通过R rs(A)与矿物吸收系数和后向散射系数的关系，构建病态方程 组，求出悬浮泥沙的粒径分布。
[0049]实施例:选取珠江口为研究区域，利用本发明提出的技术方案获取珠江口水域悬 浮泥沙粒径信息，具体步骤如下：
[0050] 1、通过船测观测，利用SD2000光谱仪获取离水反射率Rrs(A);
[0051] 2、根据研究区域，收集该区域悬浮泥沙的主要矿物成分按黏土、粉砂和砂的粒径 范围划分，珠江口水域的悬浮泥沙成分主要为高岭土、赤铁矿和石英，故收集这三种矿物的 复折射率，进行吸收系数(^〇4，」)和后向散射系数Qb(A，i，j)的计算；
[0052] 3、利用离水遥感反射率Rrs (λ