Gabes海湾的光学浊度遥感和总悬浮物浓度外文翻译资料

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Gabes海湾的光学浊度遥感和总悬浮物浓度

Rim Katlane amp; Bouchra Nechad amp; Kevin Ruddick amp;Fouad Zargouni

摘要：在Tunisia东南岸的Gabes海湾，光学遥感用以提供科学信息，以支持其环境管理。该地区是受半日潮影响的浅层大陆架。自1970年代初以来，这一地区的工业活动可能已经造成生态系统生物多样性的退化、富营养化问题以及底栖生物和浮游生物物种的消失。为了评估人为和自然排放对Gabes海湾的长期影响，对沿岸水域的光学环境进行了评估，测量内容包括总悬浮物浓度(TSM)、水体透明度和浊度(TU)，但是这种测量方式花费巨大并且难以获得数据，需要定期（每月）进行海上测量。本研究的目的是将中分辨率成像光谱仪(MODIS)的AQUA数据与研究区实现的两个采样活动中所获得的数据进行比较。为了绘制MODIS图像的浑浊度数据，在667 nm波段采用了半经验算法。其方法已经在比利时Belgian海岸进行了校准和验证。利用MODIS图像的浊度现场测量和遥感浊度对加贝斯湾进行了验证，其相关系数为68.9%。然后利用MODIS图像在加贝斯湾上空计算TSM和TU的季节以及年度平均地图。通过对现场实测数据的分析，得出了与实测数据相一致的TSM和TU结果。因此，遥感技术为整个区域的浑浊度测绘和监测提供了一种更好、更有效的工具。

关键字：遥感、浊度、总悬浮物浓度、Gabes海湾

引言

本研究的目的是利用光学遥感数据和一些现场测量数据来估计工业排放对Gabes海湾的水质的影响。光学遥感可以用来探测水体表层的悬浮物(Althuis 1998)，从而达到监测水质的目的。几位作者(Curran et al. 1987;Novo et al. 1989;里奇等，1990;Tassan 1994;Doxaran et al. 2002)利用卫星遥感对地表水进行了分析，证明了反射率与总悬浮物质浓度(TSM)之间的经验关系。总悬浮物浓度（TSM）是通过悬浮粒子的光学性质来估算的，悬浮粒子质量与粒子散射或吸收之间存在常数关系。众所周知，在现实中，粒子质量与光学性质之间的关系是随粒子大小和组成而变化的(折射率; Babin et al. 2003)。

除了自然和人为废物之外，密集的渔业活动也对海湾生态系统生物多样性的退化产生了很大的影响（Ben Mustapha et al. 1999）。工业活动开始于1970年代的Gannouch地区，其环境恶化非常显著。因为生产磷酸而产生的磷污染，在该地区超过60 kmsup2;(Bjaoui et al . 2004年)。

Morel和Prieur(1977)根据光学特性的可变性对海水分为1和2水域。在1水域中，光的性质是由浮游植物单独决定的。而在 2水域中，光学特性不仅受到浮游植物和相关颗粒的影响，还受到其他物质的影响，如彩色溶解有机物和悬浮沉积物，这些物质可以独立于浮游植物而变化。本研究区域与2水域相对应，因为这些沿海水域的光学特性受到来自河流羽流、工业排放和底部再悬浮沉积物的影响。

Nechad(2010)等人提出了一种基于反演理论模型的TSM检索算法，该模型给出了单一波长反射率随TSM增加的函数。Nechad(2010)等人对中分辨率成像光谱仪(MODIS)的红波段(600-700 nm)、海景宽视场传感器和中光谱分辨率成像光谱仪传感器等进行了算法的使用和校准，并将其用于检索北海的TSM地图。Miller和McKee(1977)使用空间分辨率最大为250m的MODIS中的波段1 (620-670 nm)绘制了墨西哥湾北部沿海地区的TSM地图。Ouillon(2008)等人提出了基于一个或三个波段的热带沿海水域全球算法，其中首先根据遥感反射率使用681nm波段计算浊度(TU)，然后如果浊度小于1浊度单位(NTU)，则使用Rrs 620 nmtimes;Rrs 681 nm/Rrs 412 nm重新计算。进一步的研究仅使用近红外反射率来评估浑浊度或沉积物悬浮沉积物的变化(Wass et al. 1997和Sterckx et al. 2007)。此外，还研究了近红外光谱与红光光谱范围的波段比(Doxaran et al. 2002)来检索高浊度水体中的TSM。这些研究与卫星遥感数据提取的结果进行了比较，取得了满意的结果。

研究组

Gabes海湾是Pelagian海的一部分(Burollet et al. 1979)。它位于突尼斯的东南部，有一个浅大陆架，延伸250公里，缓坡离岸0.7到50米的深度(图1)。加贝斯区域的流体力学受半日潮汐影响的最大振幅的1.8米，最小0.3米(Sammari et al . 2006年)。研究区的气候学受来自东部的温带的湿润和炎热的地中海空气，以及来自西南部的亚热带的干燥、炎热和沙质撒哈拉空气的影响(Sogreah 2002)。

数据集

MODIS数据

本研究采用美国国家航空航天局(NASA)提供的日卫星图像，获取于2009年AQUA卫星上的MODIS传感器，通过海洋生物处理组将其应用在该实验上。然而在夏季，由于它们频繁受到太阳的影响，类似的图像会被删除。

Level 2 (L2)卫星数据产品可以从网址http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/中获得，该数据产品中包括每个像素的地球物理值，这些值由Level 1B (L1B)辐射度经过辐射校准、几何校正、大气校正和生物光学算法之后得到的。在1km分辨率（MYDO21 km）下的L1B标准辐射度是从网站http://ladsweb.nascom.nasa. gov/data/中下载的，这是一个L1数据大气存档和分发系统的网站。

现场数据

2009年7月5日至7月7日，以及2009年10月6日、8日和19日(图1)通过建成卫星立交桥同时进行了现场测量。这些海上测量由浊度TU(NTU),水体透明度(m), 总悬浮物浓度TSM(毫克/升),叶绿素a(mu;g / l)和温度(°C)组成。现场测量结果汇总见表1。

浊度采用便携式hach2100p ISO浊度计测量。本仪器记录0 ~ 1000 NTU的浊度，分辨率为0.01 NTU，自动测距。每个水样在过滤悬浮物和叶绿素a浓度前后，分别记录三次重复浊度测量，以检测可能的操作误差。7月份抽样调查的标准差约为19%，10月份抽样调查的标准差约为29%。

水的透明度是用Secchi圆盘测量的，Secchi圆盘是一个直径30厘米的圆形盘子，被分成黑白相间的象限，与一条长卷尺相连。圆盘安装在一条线上，在船的阴凉一侧的水中慢慢下降。当圆盘上图案不再可见时，此时的深度便是水的透明度。

TSM测量:取水表面附近的采样3000 - 4000毫升，过滤机上预先称量好的GF / F过滤器,采样先被加热在450°C 中1 h去除有机物与milli-Q过滤和冲洗水(包括过滤器rim)。巡航结束后，在Tunisia实验室将过滤器烘干并称重以确定干重。该方法的详细信息可以在Tilstone和Moore(2002)的翻修协议中找到。

图一 采样站位置图:左：2009年7月，右：2009年10月。绿色圆圈表示现场测量值，紫色三角形表示12个匹配位置

表一 测量总结:浊度(NTU),TSM总悬浮物浓度(毫克/升),叶绿素浓度(mu;g / l;位置如图1所示)

方法论

利用算法1 (Nechad et al. 2009)和2 (Nechad et al. 2010)分别对Gabes海湾的TU和TSM进行估计，其方法是应用于MODIS遥感667 nm波段的反射率(用Rrs 667表示)。RRS是由以下定义的遥感反射率：

Rrs_L0w＝Ed0，其中L0w和Ed0分别是离水辐亮度和向下辐照度。生物光学算法(1)和(2)在比利时沿海水域表现良好。可以用这种方法测试Gabes海湾。TSM和TU的算法分别是：

其中，rho;是离水辐射反射率，定义rho;=pi;Rrs677

利用ENVI 4.1 (IDL)软件建立MODIS L1B和L2图像的处理，进行以下步骤(图2)：

·所有波段的地理参考

·标准品的提取，包括869 nm处的气溶胶光学厚度(AOT 869)、气溶胶ε因子、748和869 nm处的气溶胶反射率比值(EPS78)。

·应用L2，去除云、冰污染和大气校正差的数据（使用warning和failure flags）。

·TSM和TU的映射；

·对2009年的所有日图像进行TU和TSM映射，计算并绘制它们的季节和年度平均值

图二 MODIS L2数据处理方法流程图及浊度图生成步骤

结果

案例——2009.07.05

图3中的a-g为2009年7月5日的单幅图像，拍摄于天气条件良好、天空晴朗、风力小的情况下：

·在841 nm处(图3a):灰色区域表示气溶胶沿风向从陆地向海洋扩散。黑色区域是卫星观测到的气溶胶浓度较低的水面

·在915 nm处(图3b):含有类似信息，但也可能受到大气水蒸气的影响

·1230 nm处(图3c):为靠近海岸线处气溶胶浓度最高的区域。

·L1B RGB图像(图3d)显示了两种类型的水域:蓝色和绿色的清澈水域，表示靠近海岸的高浊度，主要围绕Kerkennah岛、Skhira镇和沿海岸的Gannouch港。

·869 nm处的气溶胶光学厚度(图3e) AOT不超过0.142，空间变异性大。AOT的最大值在 Gannouch 港附近。气溶胶的方向与卫星立交桥记录的风向相同

667 nm (Rrs 667)处的遥感反射率图(图3f)显示了与上述大气模式不耦合的模式。这些信号与来自地下水层的信号有关。用于云/冰(cldice)和陆地的MODIS level 2标志分别用于设置云和陆地掩码。由于沙子的高反射率，使用flags将陆地上的一些像素作为覆盖冰的区域。

2009年7月5日的图(图3g)及2009年处理过的其他图像显示，在Kneiss、Kerkennah及Jerba群岛附近，浊度的最大值约为10个NTU。这可能是由于潮汐重新悬浮造成的，但也可能是由于在非常浅和透明的水中的海底反射造成的。Gannouch地区和海湾中心的数值不超过7NTU。

图三 2009年7月5日13:00（UTC）MODIS图像：a-c（L1B）为814,915和1230nm；d是RGB图像，由915,620和469 nm合成；e是ATO气溶胶光学厚度，红色剪头表示风向，Sfax为8 m/s, Gabes为10 m/s, Jerba为10 m/s；f为Rrs667，带有叠加的flags；g为浊度图像，粉红色的圆点表示在气溶胶浓度较低的卫星上观测当天地面实测数据位置。

初步验证数据集

浊度TU散点图和总悬浮物TSM的数据是在Gabes海湾通过海上测量获得的，其表现出良好的线性相关函数:TSM(mg/L)= 1.000TU(NTU) 0.807rsup2; = 0.952(图4)，其中rsup2;为相关系数。

这些参数之间的斜率和相关性非常类似于北海南部(Nechad et al . 2009年)在T

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