鸭绿江口及其附近海域相对悬浮泥沙浓度遥感监测

程思思，张海昂，谢迎春，范 芳，李婧玥

（1. 核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2. 石家庄工程技术学校，河北 石家庄 050070）

鸭绿江口及其附近海域相对悬浮泥沙浓度遥感监测

程思思1，张海昂2，谢迎春1，范 芳1，李婧玥1

（1. 核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2. 石家庄工程技术学校，河北 石家庄 050070）

在分析研究了含沙水体的光谱特征、遥感监测原理及常用的遥感监测方法的基础上，基于Landsat8 OLI数据，对鸭绿江口及其附近海域相对悬浮泥沙浓度进行遥感监测，并分析了鸭绿江口悬浮泥沙的分布趋势和形成机制。

遥感；悬浮泥沙；光谱；Landsat8 OLI；鸭绿江口

0 前 言

水体中悬浮物，尤其是悬浮泥沙的含量大小直接影响水体的透明度、浑浊度和水色等光学性质，也影响水体的生态条件和河道、海岸带冲淤变化过程，因此，悬浮泥沙的监测对河流、海岸带的水质、地貌等研究以及海岸工程、港口建设具有重要意义。采用遥感技术可实现悬浮泥沙大面积动态监测，同步性好，周期短，成果及时有效，目前已成为近海和河口悬浮泥沙检测的重要手段之一。

1 含沙水体光谱特征

泥沙进入水体后，会导致水体反射光谱发生变化。众多研究表明［1-2］：含沙水体在550～670 nm的黄光波段及780～830 nm的近红外波段存在两个明显的反射峰，且前者高于后者。随着含沙量增加，反射峰由短波向长波方向移动，即产生“红移现象”。含沙水体的反射率随水体含沙量增加而增加，但增长率随含沙量增加逐渐减小。当含沙量较大时，水体反射率趋于某一常量。含沙量较低时，黄光波段的反射峰要高于近红外波段反射峰。近红外反射峰随着含沙量增加逐渐升高，且高于黄光反射峰的升高速度，这也是悬浮泥沙的监测原理。

2 悬浮泥沙浓度遥感监测常用方法

目前，最常用的悬沙浓度监测方法为经验模式，即利用遥感图像各波段反射率值与同步泥沙数据进行回归分析，建立反演模型，主要有以下几种方法。

1） 单波段模式，主要利用遥感数据某一波段的灰度值或反射率值与同步实测泥沙浓度数据进行回归分析。

2） 双波段比值模式，主要是采用两波段的灰度值或反射率比值（或对数值）与同步实测泥沙浓度数据进行回归分析。

3） 多波段组合模式，主要是采用多个波段的灰度值或反射率值组合与同步实测泥沙浓度数据进行回归分析。

4） 悬浮泥沙指数模式，该模式是根据不同波段之间的相互关系，建立泥沙指数，再利用泥沙指数与同步实测泥沙浓度数据进行回归分析［3-4］。

3 相对悬浮泥沙浓度遥感监测

3.1 研究区概况

研究区为辽宁省鸭绿江口及其附近海域（124°00′00″～124°30′30″E，39°30′13″～40°0′42″N）。鸭绿江口处于北黄海西朝鲜湾的湾顶，江口附近宽 8～9 km，河口形态呈喇叭型，口门附近心滩、沙岛发育。

对于鸭绿江口入海泥沙的输运扩散，有人做过很多研究。鸭绿江河口属山溪性强潮河口，分为东、西水道。从整体上看，东水道是河口入海的主要通道，沉积泥沙来自鸭绿江中下游各支流，西水道上口淤积严重，其泥沙主要来自鸭绿江中。东水道入海的泥沙在较强风浪作用下，泥沙随涨潮流自南向北运移，一部分沉积在西水道，还有一部分随落潮流被带至外海。20世纪30年代以后，整个鸭绿江流域先后修建水库约40座，大量泥沙被拦蓄在水库内，导致鸭绿江主流线转而指向东水道［5］。多年来，朝鲜在东水道筑坝围垦，减少了西水道的纳潮量，更加速了西侧水道淤积［6］。总体来讲，鸭绿江口泥沙浓度具有西高东低，河口口门地区普遍高于上游河口和下侧海域的分布模式。

3.2 数据源及预处理

选用Landsat8 OLI数据作为数据源，成像时间为2013年10月16日，无云雪覆盖，可满足研究需求见图1。

图1 研究区Landsat8 OLI 432波段合成影像

数据预处理主要包括大气校正和水陆分离。大气校正基于FLASH大气校正模块进行。水陆分离主要利用近红外波段水体的强吸收特征进行水陆阈值划分。同时，由于近海有较多的水塘和养殖场分布，采用人机交互方法提取水体信息。

3.3 研究方法

由于缺乏野外实测数据，本次研究只能监测研究区相对泥沙浓度。对影像进行目视采点得到的不同浓度含沙水体的反射光谱曲线如下图2所示。可以看出，含沙水体在OLI数据B3、B4波段具有很高的反射率，这与前人的研究结果，不同含沙水体的反射峰主要集中在550～700 nm之间相吻合。进一步分析可知，在一定的水深范围内，B4对泥沙的灵敏度高于B3，随着泥沙浓度的增加，B4反射率增加速率明显高于B3。因此综合利用B3和B4的反射特征，通过影像反射率值叠加可以使水体反射率值差异变的更加显著。同时，B3绿光波段是叶绿素的反射峰，参考王心源等［4］提出的TM数据泥沙指数模型，提出来基于Landsat8 OLI数据的研究区相对泥沙浓度指数模型SI=（B3+B4）/（B3/B4）。采用以下区间划分不同浓度含沙水体［5］，得到研究区相对泥沙浓度分布图见图3。

图2 研究区水体OLI数据反射光谱

图3 研究区相对泥沙浓度分布

相对高浓度含沙水体：SI＞M+D；相对中浓度含沙水体：M＜SI≤M+D；

相对低浓度含沙水体：M-D＜SI≤M；相对清洁水体：Min＜SI≤M-D。

其中，M表示平均值，D为标准方差，Min为最小值。

3.4 成果分析

图3可见，鸭绿江口及其附近海域悬浮泥沙分布基本具有以下两个特点：鸭绿江口悬浮泥沙最大浑浊带出现在河口口门区域，向上和向下入海区域泥沙浓度逐渐减小。从横向上看，西侧水域普遍高于东侧水域。

4 结 语

本文在其他学者研究的基础上，分析了含沙水体的光谱特征，总结了常用的几种悬浮泥沙遥感监测方法，并基于Landsat8 OLI数据，对鸭绿江口及其附近海域地区悬浮泥沙相对浓度进行了研究，并分析其分布模式及影响因素。表明受特殊的地形地貌和水动力等条件影响，鸭绿江口悬浮泥沙具有河口口门地区高于上游河口和下侧海域，西侧高于东侧的特征。这与其他学者的研究结果基本相符合，表明基于Landsat8 OLI数据快速获取河口水域的相对悬浮泥沙浓度分布具有一定的可用性，但由于缺乏野外实测数据，本次研究的精度有待于进一步验证。

［1］ 韩震，恽才兴，蒋雪中. 悬浮泥沙反射光谱特性实验研究［J］. 水利学报，2003， （12）： 118-122.

［2］ 李四海，恽才兴. 河口表层悬浮泥沙气象卫星遥感定量模式研究［J］.遥感学报，2001， 5（2）： 154-160.

［3］ 李洪灵，张鹰，姜杰. 基于遥感方法反演悬浮泥沙分布［J］. 水科学进展，2006， 17（2）： 242-245.

［4］ 王心源，李文达. 基于Landsat TM/ETM+数据提取巢湖悬浮泥沙相对浓度的信息与空间分布变化［J］. 湖泊科学，2007， 19（3）： 255-260.

［5］ 程岩，刘月，高建华，等. 近百年来人类活动对鸭绿江口河床演变的影响［J］. 地理学报，2012， 37（5）： 609-620.

［6］ 杜启明，郭维东. 鸭绿江河道演变分析［J］. 中国科技信息，2006， （19）：52-53.

M onitoring of Relative Suspended Sediment Concentration in Yalu River Estuary and Ad jacent Sea Area Using Remote Sensing Technology

CHENG Sisi1，ZHANG Haiang2，XIE Yingchun1，FAN Fang1，LI Jingyue1
（1. Airborne Survey and RemoteSensing Center of Nuclear Industry，Shijiazhuang，Hebei 050002，China；2. Shijiazhuang Engineering School，Shijiazhuang，Hebei 050070，China）

First， the characteristics of ref ected spectra of suspended sediment， remote sensing monitoring principle and commonly used methods were analyzed. On this basis， using ASTER data， we researched the relative suspended sediment concentration in Yalu River estuary and adjacent sea area， analyzed the distribution mechanism as well.

Remote sensing；Suspended sediment；Spectra；Landsat8 OLI；Yalu River estuary

X55

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.043

2016-08-24

程思思（1985-），女，河南孟州人，工程师，研究方向：遥感技术应用，手机：15830671891，E-mail：chengsi1013@163.com.