高浊度水体的光谱特征应用SPOT数据量化悬浮颗粒物物质的浓度外文翻译资料

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高浊度水体的光谱特征应用SPOT数据量化悬浮颗粒物物质的浓度

David Doxaran, Jean-Marie Froidefond, Samantha Lavender, Patrice Castaing

摘要:实验方法测定水的组成的海洋颜色的卫星数据，在可见光和近红外（NIR）

波长，适用于高度混浊的水域。多光谱辐射测量在Gironde河口进行，为悬浮颗粒物（SPM）浓度为35，超过2000毫克/升之间建立经验关系。遥感反射率之间（RRS）在SPOT-HRV波段和SPM浓度通过这些众多的原位测量。我们观察到的遥感反射率随SPM浓度和SPOT波段浸透在最高浊度。获得的近红外波段XS3是最好的相关性（790–890 nm）和反射比：RRS（XS3）/ RRS（XS1）和RR（XS3）/ RRS（XS2）。XS1、XS2可见光波段只用于确定的下部河口SPM浓度（在SPM浓度较低）。因此，SPM浓度的地表水在河口估计高达2000毫克/升的精度优于35%。最后，该算法应用到SPOT景观卫星数据校正大气效应使用辐射传输代码和原位反射率测量；因此，SPM的水平分布检索。此外，高空间分辨率hrv-spot传感器显示详细的沉积流，尤其是在可见光波段XS1、XS2。

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关键词：反射率；河口湾；Gironde；SPOT；沉积物

1.介绍

在明确海洋案例一类水体水域（Morel amp; Prieur，1977），算法被用来解释卫星数据叶绿素浓度（oreilley et al.，1998），和因此，推断出初级生产（Antoine, Morel, amp;Andreacute;，1988），1995。信号变得更复杂的沿海和河口案件二类水体水域陆地物质，如有色溶解有机物物质（CDOM或黄色物质）和悬浮除了浮游植物，颗粒。在这些混浊水体，悬浮颗粒物入射光散射物质（SPM），因此，内在的光水柱的衰减，是重要的(Gordon amp; McCluney, 1975; Ivanoff, 1975; Morel, 1991)。因此，SPM对沿海水域初级生产力及其检测是了解生物机制必不可少的抑制作用。SPM的量化是必要在航道疏浚策略设计和计算固体排放到河流海洋。

卫星图像在沿海二类水体地区的解释往往涉及在原位光学测量参数之间的经验关系计算。这样，大量的研究关注到浑浊的羽毛状物（如, Anji Reddy, 1993; Forget amp; Ouillon, 1998; Froidefond, Castaing, Mirmand, amp; Ruch, 1991; Ouillon, Forget, Froidefond, amp; Naudin, 1997; Siegel, Gerth, amp; Mutzke, 1999）和确定（到一个适当的精度）河流悬浮物排放到海洋的量。最近的工作都试图获得SPM浓度，以及从此得到的河口通量，结果是令人鼓舞的，但需要大量的努力，以减少检索的不确定性（约50%）。

Gironde河口（法国西南部）是案例二类水体水域中一个极端的例子，在地表水悬浮物浓度可达2 g/L。其目的是确定高分辨率的遥感数据SPM浓度，来量化沉积通量和提高两水动力和运输数值模型最近适应河口的验证(Sottolichio, Le Hir, amp; Castaing, 2001).

自1996年起进行的原位光谱辐射测量，构成了一个重要的光学数据库，并且将有助于对沿海水域的理解。原位光学测量包括遥感反射率 (Rrs, sr )定义(Mobley, 1999) 为如下(Eq. (1)):

Lw是离水辐射度和Ed（）是在水面上的太阳辐照度。这些原位光谱进行建立算法量化在Gironde河口的SPM浓度。特别注意的是采取正确的天光反射，来纠正扰乱水面以上辐射测量。根据SPOT-HRV高空间分辨率的图像是适合于监测小规模的地区，算法可应用于SPOT 景观。三谱带：XS1（500–590 nm）和XS2（610–680 nm）可见光波段，XS3（790 - 890 nm）近红外波段。

2.研究区域

Gironde河口（图1），法国西南部，提供了一个泥沙占主导地位的情况下，二类水体受河流输入的好例子。颗粒的来源是双重的：两条河流(Garonne and Dordogne)的输入和侵蚀最近固定的沉积物的潮流(Castaing, 1981)。悬浮物是有机和矿物复合材料的混合物，其中有机部分仅占总物质的1.8%l (Jouanneau amp; Latouche, 1981)。矿物组成是由云母（63%）和石英（25%），而粘土相含有四矿物质：（30%）、伊利石和蒙脱石间层矿物（40%）、高岭石（15%）、绿泥石、层间矿产（15%）。晶粒尺寸分布：lt; 2毫米：47%；2 -15毫米：40%；16 - 63毫米9%；gt; 63毫米：4%(Jouanneau amp; Latouche, 1981)。最近的测量，在Gironde河口(Weber, Jouanneau, Ruch, amp; Mirmand, 1991)表明，平均粒径7.1毫米和12.7毫米之间变化。絮凝颗粒的尺寸，1米以下的水面，由Eisma等人（1991）用摄像机测量系统测得。SPM浓度的平均粒径实际上是独立的，约120毫米。此外，颗粒的性质和晶粒尺寸随季节变化不大s (Castaing, 1981; Eisma amp; Li, 1993)。叶绿素（叶绿素a）和CDOM浓度很低，叶绿素a浓度范围从1到3(Irigoien amp; Castel, 1997)和溶解有机碳（DOC）范围从1到7(Abril et al., 1999).

图1

Gironde河口，位于法国省西南部。该线代表主要的导航通道，箱位于河口的一部分分析的SPOT图像。黑色圆圈是湖目标和黑色方块表示用于大气校正索拉克海滩。

Gironde河口最大浑浊带发达，与潮汐的不对称性和密度环流参与其形成(Castaing amp; Allen, 1981)。估计总输沙量最大浑浊带的流体泥浆系统约5 吨，这是2年的河流固体输入量(Jouanneau amp; Latouche, 1981)。高浊度区是由约1 g / L(Allen, Salomon, Bassoullet, Du Penhoat, Degranpre織, 1980; Allen, Sauzay, Castaing, amp; Jouanneau, 1977)和最近的数值模拟(Sottolichio et al., 2001) 表明最大浑浊带的潮源平均SPM浓度。盐致密度的影响(Sottolichio et al., 2001)可能不会有助于它的形成，但他们似乎基本保留SPM在河口的下部，保持最大浑浊带的稳定质量。

3.测量

3.1 原位测量

在河口sedigir（6月21日，6月29日，1996年7月22日），pnoctel-97（6月23日至1997年7月1日）中进行了海洋调查。以上的水辐射测量已采取自1996在河口，以验证海洋水色卫星数据，与每一个光学测量的共入射水样。光学传感器是Spectron se-590光谱仪，用高分辨率记录和六个接收角（视场），测量380和1100 nm的256通道之间的辐射。Whitlock 等人(1981)对测量过程（图2）进行了详细的描述和概括如下：

①传感器的顶点（Q = 0）垂直水面（图2a）时，测量上行辐亮度Lu(l)，五个测量值取平均后赋予最后的辐亮度值Lu(l)；

②下行辐射亮度值Ld(l)测量时，传感器的朗伯光谱板的（标准，积分数值：9917），用反射系数Rp(l)0.103和0.107之间（图2B）；

③传感器视图天顶角（Q = 180）时，测量天窗的辐射光谱Ls(l)（图2c）；

④在0和1米之间的深度取水样。SPM浓度由Whatman GF / F玻璃纤维过滤器过滤的水样测定（直径：47毫米；孔径：0.44毫米）。

图2

原位反射率测量程序：（a）测量上行辐亮度Lu（）；（b）测量环境辐射Ld（）；（c）测量天空辐射Ls（）。

传感器被置于3米的表面测量Lu，测量Ld时要光谱板要高出20cm。

板是一个太阳天顶角朗伯目标角度（QS）0和40之间，其反射率只有3%的变化(Dilligeard, 1997)。在这些条件下的太阳辐照度Ed ( ) 是由下列关系确定

是波长 （2）

计算如下时，总的遥感反射率

（3）

水上的辐射校正天窗反射效果（天空光）作为入射光的一部分是由空气–水界面直观的反映(Fougnie, Frouin, Lecomte, amp; Deschamps, 1999; Mobley, 1999)。因此水上行辐射是这样的(Mobley, 1999)

（4）

LW是离水辐射亮度和Lr是由表面直接反射的太阳光辐射亮度。

Lr可以从天空辐射亮度估计（Ls）中测量(Mobley, 1999):

（5）

是一个比例因子涉及的天空辐射（LS）的表面直接反射的辐射亮度（Lr），离水辐亮度（Lw）就是

（6）

值被假定为波长无关，并且的值被认为是0.02(Austin, 1974)。事实上，因子随视图几何，天空条件（晴朗，多云，阴天），海面粗糙度（取决于风），在多云的天空下呈波长依赖性(Fougnie et al., 1999; Mobley, 1999)。Mobley使用辐射传输代码估计云对值的影响，均匀的天空辐射分布和10的风速。他得到了一片晴空的值为0.337，值取决于波长为天空有一团云[ （XS1）= 0.0392，（XS2）= 0.0452，（XS3）= 0.0635 ]。

天光反射的影响估计可以从典型的原位测量，上升流和天空亮度（Lu和Ls）（4 / 64积分时间的），在2000年7月21日的一个晴朗的天空下在12:35（当地时间）在SPM浓度为158时进行了测量。由于水面平坦，连续四个Lu测量值实际上是相同的。在400到1000纳米之间，近红外波长（700 - 1000 nm）的天空辐射很低，在红色波长（600 - 700 nm）适中，在绿色-黄色波长（450 -550nm）达到其最大值。根据式（5）和天空辐射的现场测量（图3），在近红外波段的反射影响极小的波段（XS3），在XS2适中，在XS1最大。作为一个例子，直接由水面反射的辐射(Lr = Ls)计算值为0.02(Austin, 1974)和值确定由Mobley（1999）为不同的天空条件（晴空，天空与单积云，天空与分散的积云）。天窗测量的上升流辐射百分率反射效果，然后除以反射亮度估计（LS）Lu。结果（表1）表明，一直低于3%在XS1，低于2%在XS2，XS3。考虑值0.02而不是由Mobley给出的值（表1）所犯的百分比误差低于晴朗天空下的1%，低于所考虑的多云天空下的1.4%。对于平坦的海面和晴朗的天空条件下，天光反射的影响，因此在可见光和近红外波长和足够的校正，当考虑0.02 值弱时。在这些条件下，一个水上行辐射测量在非常浑浊的水域，是一个很好的估计的离水辐射，即由于天窗反射的光芒（Lr）相比，离水辐射（Lw）几乎是微不足道的。

水上行辐射测量可以由太阳耀斑引起的波或泡沫海面的影响。在大多数沿海水域，光吸收的纯净水占主导地位的近红外（970 - 1000纳米）和离水辐射的长波（970–1000 nm）零（Ouillon et al.，1997）。太阳耀斑的影响然后减去测得的Lu纠正（970–1000 nm）的Lu光谱这个假设在高浊度水域是不真实的，因为近红外光谱反射率远小于零。然后，特别注意的是，太阳耀斑消除Lu光谱受影响。当水表面是平面的，这是在Gironde河口普遍情况，多次连续测量路光谱实际上是叠加（图3），我们认为太阳耀斑的影响可以忽略。在测量时，Lu光谱大于四个其他光谱，它被认为是由太阳耀斑影响和删除。为了建立SPOT数据的经验关系，RRS（L）光谱是用来模拟现场（XS1、XS2，and XS3）的反射率值。然后，分别获得在Rrs（L）500–590 nm，610–680 nm，790-890 nm获得Rrs（XS1），Rrs（XS2），和Rrs（XS3）。

图3

在2000年7月21日12:35（当地时间），晴朗的蓝天下，进行了上行辐射和天空光辐射（Lu（）和Ls（）单位是，）的测量。SPM浓度是158mgl。

3.2卫星数据和大气订正

一个SPOT景观获得于1996年7月14日上午11时23分覆盖整个河口，每一个波段，方程（10）是用来转换数字（DNS）为辐射单元（方程（7））。

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