近海水體懸浮物HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD定量反演研究

肖艷芳, 趙文吉, 朱 琳

(首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048)

近海水體懸浮物HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD定量反演研究

肖艷芳, 趙文吉, 朱 琳

(首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048)

基于 HJ-1號(hào)小衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù), 開展近海水體懸浮物含量監(jiān)測(cè)研究。采用鄰近清潔水體和同日MODIS氣溶膠產(chǎn)品的方法對(duì) CCD輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行較精準(zhǔn)的大氣校正; 利用得到的水體遙感反射率,結(jié)合地面準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)懸浮物含量數(shù)據(jù)建立懸浮物反演模型, 獲得研究區(qū)懸浮物的空間分布。模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.849, 平均誤差為33.0%, 反演結(jié)果較為理想。結(jié)果表明, HJ-1號(hào)小衛(wèi)星作為中國(guó)首個(gè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座, 能夠?qū)崿F(xiàn)定量反演近海水體的懸浮物含量, 對(duì)中國(guó)近海水體水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和治理具有重要意義。

HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD; 近海水體; 大氣校正; 懸浮物

懸浮物濃度是衡量近海水體水質(zhì)的重要參數(shù)之一, 受漲落潮流、波浪、沿岸流、地形等的共同作用,近海水體懸浮物含量的時(shí)空分布變化十分復(fù)雜[1]。目前遙感技術(shù)是進(jìn)行系統(tǒng)的、大面積的水文泥沙監(jiān)測(cè),以及研究懸浮物時(shí)空分布和變化特征的最重要手段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同傳感器開展了大量的研究工作[2-12]。中國(guó)于2008年9月成功發(fā)射HJ-1號(hào)A, B兩顆光學(xué)小衛(wèi)星, 兩星上都裝有寬覆蓋多光譜 CCD可見光相機(jī), 單臺(tái)相機(jī)幅寬 360 km, 兩臺(tái)相機(jī)拼幅后幅寬大于 700 km, 可以形成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的大范圍覆蓋,設(shè)置有4個(gè)譜段(0.43～0.52, 0.52～0.60,0.63～0.69, 0.76～0.90 μm), 地面像元分辨率優(yōu)于30 m; 兩顆星組網(wǎng)可在48 h內(nèi)對(duì)同一地區(qū)重訪; 超大幅寬和較高的時(shí)間分辨率滿足了環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、快速和大范圍的需求。

本研究以渤海灣曹妃甸附近海域?yàn)檠芯繀^(qū), 結(jié)合野外懸浮物采樣數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)水體光譜數(shù)據(jù), 探討HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)近海水體懸浮物濃度的方法, 為推進(jìn)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星在近海水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供一定的理論技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

曹妃甸位于河北省東北部, 處于渤海灣西北側(cè)海域, 該海域主要受渤海潮波系統(tǒng)控制, 屬不規(guī)則半日潮。海域沉積物類型主要由砂、中砂、細(xì)砂、粉砂和粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂組成, 其中以黏土質(zhì)粉砂與細(xì)粉砂為主[13]。分別于2009年6月13日、22日、23日和 25日在渤海灣的曹妃甸附近海域進(jìn)行了4個(gè)斷面的觀測(cè), 得到4個(gè)斷面共44個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的懸浮物濃度和實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)布置Fig. 1 Study area and sampling locations

1.1 懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)

取表層水樣, 在實(shí)驗(yàn)室中按照《海洋調(diào)查規(guī)范》采用濾膜法測(cè)量懸浮物質(zhì)量濃度。所用濾膜為孔徑0.45 μm的醋酸纖維膜, 在真空過濾器中過濾懸浮物水樣, 將濾膜高溫烘干后稱質(zhì)量得到懸浮物質(zhì)量濃度。懸浮物質(zhì)量濃度范圍在2.2 ～208.7 mg/L之間, 梯度變化較大, 其中 58%樣點(diǎn)的懸浮物質(zhì)量濃度低于20 mg/L, 僅有 12%樣點(diǎn)的懸浮物質(zhì)量濃度高于100 mg/L, 圖2為懸浮物質(zhì)量濃度的直方圖分布。

圖2 懸浮物質(zhì)量濃度直方圖Fig. 2 Histogram of concentrations of suspended sediment

1.2 現(xiàn)場(chǎng)光譜數(shù)據(jù)

利用美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的光譜儀, 采用水面以上測(cè)量法[14]在每個(gè)采樣點(diǎn)依次采集標(biāo)準(zhǔn)板、水體、天空光的光譜曲線, 其中每個(gè)樣點(diǎn)水體的光譜曲線采集20條。

為了盡量減少天空光直射反射和白帽的影響,在數(shù)據(jù)的后期處理中, 舍棄數(shù)值較高的曲線, 利用較低的幾條曲線進(jìn)行計(jì)算。遙感反射率的計(jì)算公式為：

其中,Ssw,Ssky,Sp分別為光譜儀朝向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板所獲得的輻亮度測(cè)量值;r為海表反射率, 根據(jù)測(cè)量當(dāng)天的風(fēng)速情況, 取r=0.026[14];pρ為標(biāo)準(zhǔn)板反射率。

雖然測(cè)量過程中盡量避免無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生, 但是由于天氣原因, 仍有一些樣點(diǎn)無法獲得有效的水體反射率。最終得到33個(gè)樣點(diǎn)的水體反射率如圖3所示。

圖3 樣點(diǎn)水體實(shí)測(cè)遙感反射光譜曲線Fig. 3 Remote sensing reflectance spectra of samples

圖3表現(xiàn)了近海水體光譜的典型特征： 總體上看, 水體在每個(gè)波段的反射率都較低, 除在高濃度泥沙水體, 反射率的最大值一般不會(huì)超過 0.05; 隨著懸浮物質(zhì)量濃度的升高, 光譜反射率不斷增加。550～700 nm 有一較寬的反射峰, 峰值位置出現(xiàn)在580 nm 左右, 在這一波段內(nèi), 水體反射率相對(duì)較高且減小相對(duì)平緩; 700 nm 后反射率急劇下降, 波谷位置出現(xiàn)在750 nm附近; 810 nm處出現(xiàn)第二個(gè)反射峰。

1.3 HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)及其大氣校正處理

由于水色信息只占衛(wèi)星接收到信號(hào)的很小一部分, 因此, 水色信息遙感定量反演的基礎(chǔ)是要進(jìn)行精確的大氣校正。本文首先得到HJ-1號(hào)A星CCD影像的輻亮度數(shù)據(jù), 基于MODIS的同日氣溶膠產(chǎn)品和選取鄰近清潔水體離水輻射為0的方法得到HJ-1號(hào)A星CCD影像的水體反射率數(shù)據(jù)[2,15-16]。

不考慮太陽直射反射和海面白帽信號(hào), 衛(wèi)星接收到的總輻亮度為：

其中,Lr為大氣分子Rayleigh散射;La為大氣氣溶膠散射;Lw為離水輻亮度;t為大氣漫射透過率;λ為波長(zhǎng)。

Lr可通過下式計(jì)算[17]：

La可通過下式計(jì)算： 在鄰近海域選取清潔水體,可近似認(rèn)為L(zhǎng)w(λ4)為 0, 該波段的分子散射Lr可通過上文計(jì)算得到, 忽略太陽直射反射, 白帽已修正或忽略, 則有：

根據(jù)前人的研究結(jié)果[18], 包含多次散射的La之間具有以下關(guān)系：

選取MODIS的兩個(gè)近紅外波段(第5和第 6波段)計(jì)算得到常數(shù)c, 進(jìn)一步可求得其他波段的氣溶膠散射。

t的計(jì)算：

其中,τoz為臭氧層光學(xué)厚度;ta為氣溶膠散射與吸收的透過率, 由于其弱吸收和強(qiáng)烈的前向散射特性, 本文取ta=1.0。

歸一化離水輻亮度Lwn：

遙感反射率Rrs：

其中, 〈F0〉為平均日地距離大氣層外太陽輻照度。

2 近海水體成分反演算法的建立

影像獲取時(shí)間為 2009年 6月23日, 選取 6月22日、23日和25日三條剖面的33個(gè)采樣點(diǎn)用于建立模型, 懸浮物質(zhì)量濃度較低時(shí), 水體的反射率受到其他組分的影響也較大, 因此, 選用懸浮物質(zhì)量濃度大于5 mg/L的26個(gè)采樣點(diǎn)。隨機(jī)從中抽取6組數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證, 剩余 20組數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建。經(jīng)對(duì)比分析, 選取HJ-1號(hào)小衛(wèi)星CCD影像的第二波段(0.52～0.60 μm)和第三波段(0.63～0.69 μm)作為懸浮物質(zhì)量濃度反演的主要波段。建立反演模型：S為懸浮物質(zhì)量濃度, 單位： mg/L, 相關(guān)系數(shù)R2=0.849。圖4顯示了懸浮物質(zhì)量濃度與水體反射率的關(guān)系, 表 1為模型的驗(yàn)證結(jié)果。平均相對(duì)誤差33.0%, 最小相對(duì)誤差0.65%, 最大相對(duì)誤差77.5%。

圖4 懸浮物質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值lnS與水體反射率的關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship spectra between lnS and reflectance

表1 懸浮物質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值及誤差Tab. 1 Actual values, predictive values and errors

3 懸浮物質(zhì)量濃度反演及空間分布分析

利用上述模型計(jì)算每個(gè)像元的懸浮物含量, 將懸浮物含量按照高低分級(jí), 得到曹妃甸附近海域的懸浮物質(zhì)量濃度的分級(jí)圖(圖5)。

由圖5可以看出, (1)總體上看, 懸浮物含量呈現(xiàn)距離海岸越遠(yuǎn)含量越低的趨勢(shì), 高懸浮物含量水域主要位于近岸邊灘。絕大部分海域的懸浮物質(zhì)量濃度不超過20 mg/L。(2)曹妃甸附近海域懸浮物含量普遍不高, 這是因?yàn)椴苠楦蹍^(qū)的大面積圍墾阻擋了波浪向淺灘傳播, 減少了對(duì)底質(zhì)泥沙的擾動(dòng), 使得近岸水體的懸浮物濃度大幅降低。

圖5 2009年6月25日懸浮物質(zhì)量濃度分級(jí)圖Fig. 5 Grading map of suspended sediment concentration on June 25, 2009

4 結(jié)論

本文通過較為精確的大氣校正, 初步嘗試?yán)肏J-1號(hào)小衛(wèi)星CCD相機(jī)數(shù)據(jù)定量反演近海水體懸浮物含量, 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所建立的懸浮物反演模型能夠較準(zhǔn)確地反映研究區(qū)懸浮物含量的分布情況, 模型具有一定的精度, 反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。HJ-號(hào)小衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù)相對(duì)于海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率, 有利于監(jiān)測(cè)較小范圍內(nèi)的懸浮物的分布。同時(shí)其較高的時(shí)間分辨率在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)近海懸浮物空間分布格局變化、天氣原因造成的短期擾動(dòng)及季節(jié)性差異等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在今后的研究中, 需要進(jìn)一步改進(jìn)反演算法, 提高模型的適用性; 同時(shí), 加強(qiáng)利用 HJ-號(hào)小衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)近海水體其他重要水質(zhì)參數(shù), 如葉綠素a、黃色物質(zhì)等的研究。

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Quantitative retrieval model of suspended sediment concentration in estuary based on HJ-1 CCD image

XIAO Yan-fang, ZHAO Wen-ji, ZHU Lin
(Key Laboratory of Three Dimension Information Acquisition and Application of Minidtry of Education, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Oct.,20,2010

HJ-1 CCD image; estuary; atmospheric correction; suspended sediment

On the basis of HJ-1 CCD image, remote sensing detection of suspended sediment concentration in estuary was carried out. A method using clean water nearby and the aerosol product relevant to the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) data was adopted to carry out the accurate atmospheric correction. The calculated water reflectance and the measured suspended sediment concentration was used to establish the quantitative retrieval model and get the spatial distribution for suspended sediment concentration in study area. TheR2of this model was 0.849, the mean error was 33.0%, and the result was satisfactory. The study showed that HJ-1 CCD image could be applied to detect the suspended sediment concentration in estuary.

TP79

A

1000-3096(2012)08-0059-05

2010-10-20;

2012-02-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007BAH15B02)

肖艷芳(1985-), 女, 山東濰坊人, 博士研究生, 主要從事生態(tài)遙感研究, E-mail： xiaoyanfang2006@126.com

致謝：在野外數(shù)據(jù)獲取工作中, 天津地質(zhì)調(diào)查中心柳福田等人在光譜測(cè)量、水質(zhì)參數(shù)獲取方面做了大量指導(dǎo)工作,同時(shí)為本研究提供了懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù), 在此表示衷心的感謝！

劉珊珊)