1、硕士学位论文（20 届）辽东湾、长江口水体生物光学特性及遥感估算研究Research on bio-optical properties and remote sensing estimation of the Liaodong Bay and Yangtze River estuary所在学院 专业班级 电子与通信工程（水色遥感）学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他教育机
2、构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示谢意。学位论文作者签名：_ 签字日期：_关于论文使用授权的说明南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）杂志社、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京信息工程大学研究生院办理。公开 保密（ _年 _月） (保密的学位论文
3、在解密后应遵守此协议)学位论文作者签名：_ 签字日期：_指导教师签名：_ 签字日期：_I目 录符号与缩写含义清单 .III摘 要 .IVAbstract.VI第一章 绪论.11.1 研究背景与意义.11.2 国内外研究现状.21.3 本文主要研究内容.2第二章 区域背景及数据处理.42.1 区域背景介绍.42.1.1 辽东湾概述.42.1.2 长江口概述.42.2 数据采集情况说明.5第三章 水体组分浓度的变化.123.1 表层叶绿素 a 浓度变化情况 .123.1.1 辽东湾表层叶绿素 a 浓度 .133.1.2 长江口表层叶绿素 a 浓度 .143.2 悬浮颗粒物浓度变化情况.153.2.
4、1 辽东湾悬浮颗粒物浓度.173.2.2 长江口悬浮颗粒物浓度.183.3 本章小结.18第四章 水体光学特征.194.1 固有光学特性理论.194.2 表观光学特性理论.224.3 水体光学特性分析.244.3.1 水体反射率光谱特征.244.3.2 水体水色组分吸收光谱特征.27II4.3.水体散射光谱特征.354.4 水体水色组分吸收与水体组分浓度关系.384.5 本章小结.40第五章 区域性遥感算法.415.1 遥感算法概述.415.2 区域性遥感算法原理.425.3 区域性遥感算法结果.455.4 本章小结.52第六章 结语.53参考文献.54致 谢.61III符号与缩写含义清单AO
5、Ps（Apparent Optic Properties） 表观光学特性IOPs（Inherent Optic Properties） 固有光学特性CDOM（ Colored Dissolved Organic Matter） 有色可溶性有机物或黄色物质NOMAD(NASA bio-Optical Marine Algorithm Data set) NASA 海洋生物光学算法数据集HS6 (HydroScat-6 Spectral Backscattering Sensor)光谱后向散射测量仪ASD（analytical spectral devices） 光谱分析仪QAA（quasi-an
6、alytical algorithm） 半分析算法QAA_v5 半分析算法（第五版本）201105 2011 年 5 月长江口航次201107 2011 年 7 月辽东湾航次201204 2012 年 4 月长江口航次201209 2012 年 9 月辽东湾航次Chla 叶绿素 a 浓度 g.l-1TSM 总悬浮颗粒物质浓度 mg.l-1ISM 无机悬浮物物质浓度 mg.l-1OSM 有机悬浮物质浓度 mg.l-1 波长 nm0 参考波长 nma() 总吸收系数 m-1Rrs() 水表上的遥感反射率 sr-1rrs() 水表下的遥感反射率 sr-1Lu() 上行辐亮度 w.sr-1.m-2.N
7、.m-1Ed() 下行辐照度 w.sr-1.m-2.N.m-1aw() 纯水吸收系数 m-1aph() 浮游植物吸收系数 m-1aph*() 比浮游植物吸收系数 m-1ag() 有色溶解有机质吸收系数 m-1ad() 颗粒碎屑物质吸收系数 m-1ap() 总颗粒物质吸收系数 m-1at-w() 去纯水后的吸收系数 m-1bb() 总后向散射系数 m-1bbw() 纯水后向散射系数 m-1IVbbp() 悬浮颗粒物质后向散射系数 m-1g0,g1 与颗粒相函数和散射性质相关的经验参数u 经验参数Y 后向散射波段比例系数1吸收系数比率2后向散射系数比率V摘 要本文以辽东湾、长江口区域水体为研究区域
8、，利用四个航次的实测数据集，对辽东湾、长江口区域的水体组分浓度、水体光学性质以及水体固有光学性质遥感估算算法开展了深入的研究，其中四个航次分别为 2011 年 4 月长江口航次、2011 年 7 月辽东湾航次、2012年 5 月长江口航次及 2012 年 9 月辽东湾航次。辽东湾、长江口区域水体属于典型浑浊水体，其水体成分的复杂性增大了水体的生物光学性质的解译难度，也使近岸水体的水色遥感成为难点；其他国家很难遇到像长江口、辽东湾这样的浑浊水体，深入了解其水体生物光学性质对我国的水色遥感发展起着非常重要的作用。本文的主要工作包括如下：（1）根据实测数据，全面分析了辽东湾、长江口区域水体生物组分浓
9、度叶绿素 a 浓度及悬浮颗粒物浓度的变化。结果表明，辽东湾区域叶绿素 a 浓度高于长江口，但长江口的总悬浮物浓度值则高于辽东湾；辽东湾区域有机物质占主导，长江口区域则是非有机物质占主导；研究两个区域水体的叶绿素 a 与有机物质之间的关系时发现，辽东湾区域水体两者的相关性较长江口区域好，这表明了辽东湾区域这类水体浮游植物对有机物的重要性。（2）同时根据实测数据，描述了辽东湾、长江口区域水体光学性质特别是水体组分的吸收、颗粒物散射性质变化，加强了我们对这两个区域的水体光学性质的认识。分析结果说明，长江口水体的悬浮物质含量高于辽东湾水体，这也与长江口区域水体较辽东湾水体浑浊相吻合；辽东湾区域水体的浮
10、游植物含量高于长江口水体；辽东湾区域颗粒物吸收与叶绿素 a 浓度有很强的相关性，但长江口区域颗粒物吸收系数与总悬浮物浓度有很强的相关性，这正表明了两个区域的水体存在差异。（3）本文建立了一个总吸收系数与颗粒物后向散射系数的反演模型，该模型将固有光学量的计算转化为非线性方程的求解问题，成功反演光学参数水体总吸收系数（412、443、550 nm）及颗粒物散射系数（442、550 nm）。总体而言，结果的平均相对误差范围控制在 20%。与其他学者的研究结果相比较，本文建立的算法模型具有一定的可行性。关键词：辽东湾，长江口，水体组分浓度，水体光学特性，半分析算法分类号：P733.3VIAbstrac
11、tThe water of the Liaodong Bay and Yangtze Delta was taken as the study area in this paper. The in-depth research on variability of water component concentrations , optical properties and the sensing estimation algorithm with four voyages measured data set in April 2011 voyage of Yangtze Delta, July
12、 2011 voyage of Liaodong Bay, May 2012 voyage of Yangtze Delta and September 2012 voyage of Liaodong Bay. The water of the Liaodong Bay and Yangtze Delta is typical of turbid water body, the complexity of water content increases the difficulty of the interpretation of the bio-optical properties of t
13、he water body, but also the color remote sensing in coastal waters become difficulty. In other countries is difficult to meet the muddy water like the Yangtze River and Liaodong Bay water, in-depth understanding of bio-optical properties of water in these study area plays a very important role on th
14、e development of our country water color remote sensing. The paper mainly includes the following points:(1)According to the measured data, a comprehensive analysis of the changes in biological component concentrations of the chlorophyll a concentration and suspended particulate matter concentrations
15、 in the Liaodong Bay and Yangtze Delta. The results showed that the Liaodong Bay area of chlorophyll a concentration higher than the Yangtze River estuary, but the concentration of total suspended matter concentration is lower than the Yangtze Delta water; the Liaodong Bay area dominated by organic
16、substances, Yangtze Delta region is dominated by non-organic substances; the chlorophyll a relationship with the organic matter found that good correlation in Liaodong Bay regional water which indicates the importance of this type of water body in Liaodong Bay area phytoplankton organic matter. (2)A
17、t the same time based on measured data, describing the absorption of the Liaodong Bay, Yangtze Delta region of the optical properties of water bodies in particular water body composition, particle scattering properties, strengthen our optical properties of this water body awareness in both regions.
18、The results demonstrate that the content of suspended matter Yangtze Estuary above the Liaodong Bay water body, which is also coincide with the turbidity of Yangtze VIIRiver estuary area of water than the Liaodong Bay water; the Liaodong Bay area of particulate matter absorption and chlorophyll a co
19、ncentration has a strong correlation, but the Yangtze River region of the absorption coefficient of particulate matter concentration of total suspended solids have a strong correlation, which implies the differences between the two regions water.(3)This paper establish the inversion model of total a
20、bsorption coefficient and particle backscatter coefficient .The model will calculate the amount of inherent optical conversion for solving nonlinear equations. And inversion of the optical parameters of the total water absorption coefficient(412,443,550nm) and particulate scattering coefficient(442,
21、550nm) is success. Compared with the findings of other scholars, the algorithm model established in this paper is feasible.Keywords: the Liaodong Bay; the Yangtze Delta ;Concentration of water body composition; the optical properties of water bodies ;semi-analytical algorithmChinese book catalog: P7
22、33.3第一章 绪论1第一章 绪论1.1 研究背景与意义我国疆土东临太平洋，共有渤海、黄海、东海、南海四大海域，是世界海洋大国之一，沿海分布着 5000 多个岛屿，岛屿海岸线长 14000 千米 1。随着人口的迅猛增长，人类社会活动的日益扩张，以及陆地不可再生资源的大量消耗，海洋以其广阔的空间和丰富的资源，越来越受到广泛关注。由于我国沿海地区地少人多，人类活动势必对海洋资源影响巨大，如何合理利用现代科技知识进行海洋资源探索研究已成为国家海洋事业的重中之重 3。海洋水体按照水体光学性质的不同可划分为类水体和类水体 2。而统称为类水体的海水，其在海洋生态系统中产生的物质（这些物质是自生的）是影响该
23、区域海水光学特性的唯一来源；而被称作为 II 类水体的海水，这类海水在与光的交互作用中起着重要的作用，这主要归因于海水中的异源物质（从外部进入到该海洋生态系统而不是由该生态系统产生的物质）。类水体是与人类关系最密切、受人类活动影响最强烈的海域水体，中国近海水体几乎都属于光学性质复杂的 II 类水体，该水体对在海洋生态环境研究中具有特殊的地位，而且我国近海水体自然资源丰富，具有独特的环境条件，在经济活动中有着明显的区位优势，是人类生活和社会经济活动的重要场所 3。随着科学技术和社会经济的发展，人类活动范围逐渐延伸到海洋，促进了近海区域的发展。人类对沿岸资源的开发利用，也引起了沿岸地区生态环境的变
24、化，如水体环境的改变等 3，而海洋水体环境变化的重要指示之一是海洋水体的生物光学特性变化 3，因而，海洋水体生物光学特性研究的重要性日益凸显。生物光学特性是指由浮游和溶解的生物物质对光的吸收和散射共同作用的水体光学特性。水体光学性质研究是海洋遥感监测的前提和基础，因而对水体光学特性进行研究显得尤为重要。水体光学特性是影响水中浮游植物生物量、碳循环以及上层水体碳输出的重要因素 4，也是影响水体生态系统的重要生态因子 5。水体的光学特性可以分为表观光学特性（Apparent Optic Properties, AOPs）和固有光学特性（Inherent Optic Properties, IOPs）。固有光学特性只依赖于介质自身的特性，独立于介质周围的光场，而表观光学特性既依赖于介质本身又依赖于介质的周围光场 6。表观光学特性是固有光学特性的反映，若解释表
