基于環境一號衛星的大洋河河口海域營養鹽遙感反演

王 林,趙冬至,楊建洪 (國家海洋環境監測中心海洋遙感室,遼寧 大連 116023)

基于環境一號衛星的大洋河河口海域營養鹽遙感反演

王 林,趙冬至*,楊建洪 (國家海洋環境監測中心海洋遙感室,遼寧 大連 116023)

綜合利用大洋河河口海域水體調查的實測數據及環境一號 CCD影像數據,進行了該區域營養鹽反演研究.結果表明,對數函數擬合NO2--N與Rrs(Band2)效果最佳,而線性函數擬合NH4+-N與Rrs(Band2)、NO3--N與Rrs(Band1)、TIN與Rrs(Band1)效果最佳,相關性R2分別可達0.939、0.935、0.945、0.970,未發現較佳的PO43--P反演模型;營養鹽在可見光波段并非光敏感性物質,其與等效遙感反射率存在相關性的主要原因在于河口海域陸源輸入物質典型的擴散特征,使得營養鹽與某些水色參數存在較高的相關性,NO2--N、NH4+-N、NO3--N 以及TIN與有色溶解性有機物吸收系數ag(400)的相關性R2分別可達0.836、0.808、0.786、0.854,這決定了在河口海域進行營養鹽遙感反演的可行性;從衛星產品專題圖可看出,大洋河河口海域NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都存在一個明顯的高值區,該高值區營養鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.

環境一號衛星；大洋河河口；營養鹽；遙感反演

河口海域是陸海相互作用耦合帶和生產力最高的區域,生源元素來源豐富,各種因素(包括水動力、生物地球化學過程及人類活動等)十分復雜,其生態環境系統和生物資源的變化與人類活動和經濟發展關系密切[1].近岸海域濃度偏高的營養鹽所帶來的富營養化問題是我國沿岸水域最突出的環境問題之一[2].傳統的水質監測方法需要耗費較多的人力、物力與財力,而且采樣點布設的數量有限,監測周期較長,難以有效的對整體水域進行大尺度、動態的監測.遙感技術以獨特的優勢為水質監測開辟了新的途徑,它可以實現對水體快速、大范圍、低成本、周期性的動態監測,具有不可替代的優越性[3-4].然而,營養鹽并非光敏感性物質,在自然水體中吸收、散射光能微弱,對其進行遙感反演具有一定難度,國內外相關研究成果較少.目前,營養鹽遙感反演方法主要分為間接法和直接法.間接法主要是基于特定海域營養鹽與某些光敏感性物質(葉綠素、海溫等)的關系,建立營養鹽遙感反演模型[5].直接法則主要利用偏最小二乘法、微分光譜技術等獲得營養鹽與光譜數據的關系,實現營養鹽濃度的遙感反演[6-12].

MODIS、HY-1等海洋水色衛星空間分辨率較低,對于河口海域水體環境要素監測存在一定難度. 我國于2008年9月6日成功發射了第一顆專用于環境監測的環境一號衛星,其攜帶的CCD相機較高的空間分辨率可有效監測面積相對較小的河口海域,而較短的重返周期則有利于實現對水體的大規模實時監測.目前為止利用該衛星數據對河口海域營養鹽遙感監測的相關研究尚未見報道.本研究利用2009年5月6日大洋河河口海域的實測數據,建立該區域營養鹽遙感反演模型,并將其應用于環境一號 CCD影像上,從而為分析大洋河河口海域營養鹽含量時空變化特征、富營養化狀況以及其它污染問題研究提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域與站位布設

圖1 大洋河河口海域水體調查站位Fig.1 Stations of the investigation cruise in the Dayang River Estuary

研究區域選擇在我國北方大洋河河口海域.大洋河河口海域位于大洋河流域南部,具有明顯的由陸地向海洋過渡性特點,自然條件復雜,生態環境脆弱.而大洋河流域處于遼東半島的東北部,遼寧省營口市以西,丹東市以東,流域范圍主要包括岫巖滿族自治縣大部分區域,鳳城市西南部和東港市西部區域,流域面積 6515.25km2.調查于2009年5月6日進行,依據河口海域水體擴散特征,可體現徑流輸入物質的濃度梯度變化,共布設站點13個,如圖1所示.

1.2 數據獲取與分析

1.2.1 光譜數據獲取 現場光譜測量采用水面以上測量法[13],實驗儀器為美國 ASD公司生產的便攜式雙通道可見光-近紅外光譜輻射計.儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角為135°,儀器與海面法線方向的夾角為 40°,以避免絕大部分的太陽直射反射,并減少船舶陰影的影響.在每個站位進行2次獨立的測量.數據處理后得到遙感反射率Rrs,按如下公式計算:

式中, Lsw為測量水體的輻亮度;r為氣-水界面對天空漫散射光的反射率,一般情況可取 0.028,平靜海面時取0.026[14];Lsky為天空漫散射光的輻亮度;ρp為標準灰板的反射率;Lp為測量標準板的輻亮度.

光譜數據采集于09:00～15:00之間完成,到達1、2號站點時,由于時間較早,不滿足光譜測定所需太陽高度角要求,僅進行了水色和化學參數測量,未進行現場光譜測量,共獲取光譜數據11組.

獲取現場水體ASD光譜遙感反射率后,根據環境一號衛星CCD相機的光譜響應函數進行實測Rrs(λ)的波段等效處理,具體公式如下:

式中, Rrs(Bandx)為HJ星CCD傳感器Bandx波段的等效遙感反射率;Rrs(λ)為ASD光譜儀現場獲取遙感反射率;Fs(λ)為日地平均距離處大氣層外太陽輻照度;Sx(λ)為 Bandx波段的光譜響應函數.

1.2.2 水色參數獲取 色素濃度測量采用熒光法[15],測量時使用美國 Turner公司生產的TD-700實驗室熒光儀.數據處理后可得葉綠素a濃度(Chl-a)和脫鎂葉綠素濃度(Pheo),將兩濃度之和作為總葉綠素濃度(TChl).熒光儀定標采用Sigma公司生產的Chl-a標準樣品.

總懸浮物濃度(TSM)測量采用重量法,稱量時使用有效數字至少4位的電子天平稱量.

有色溶解性有機物(CDOM)吸收系數測量采用實驗室分光光度計法[16],測量時使用Hitachi公司生產的 U-3010型紫外-可見分光光度計.CDOM濃度高低用400nm波段處的吸收系數ag(400)表示.

共獲取水色參數數據13組.

1.2.3 營養鹽等參數獲取 硝酸鹽(NO3--N)、亞硝酸鹽(NO2--N)以及銨鹽(NH4+-N)測量采用鹽酸萘乙二胺分光光度法,樣品測量使用7230分光光度計,將NO3--N、NO2--N以及NH4+-N濃度之和作為總溶解性無機氮(TIN).無機磷(PO43--P)測量采用磷鉬蘭法[17],樣品測量使用7230分光光度計.需要說明的是,營養鹽測量后發現13號站點NO3--N數值異常,建模及相關性分析時未采用.共獲取 NO2--N、NH4+-N以及PO43--P數據13組,NO3-N數據12組.

鹽度(Sal)數據采用 Hydrolab多參數水質儀現場測量獲得.到達 13號站點時,測量鹽度所用的多參數水質儀供電蓄電池電量不足,未進行鹽度測量.共獲取鹽度數據12組.

1.2.4 衛星數據獲取 在HJ-1A衛星和HJ-1B衛星上均裝載的2臺CCD相機設計原理完全相同,以星下點對稱放置,平分視場、并行觀測,聯合完成對地刈幅寬度為700km、地面像元分辨率為30m、4個譜段的推掃成像.本研究未能獲取5月6日外業調查當日衛星數據,而于5月24日獲取一景HJ-1A CCD2影像.

CCD影像的預處理主要包括:輻射校正、幾何校正和大氣校正等.

輻射校正:利用絕對定標系數將 CCD圖像DN值轉換為輻亮度圖像的公式為:

式中, A為絕對定標系數增益;L0為絕對定標系數偏移量,轉換后輻亮度單位為 W/(m2?sr?μm).其中A和L0的具體參數由《環境減災星座A/B星各載荷在軌絕對輻射定標系數》[18]提供(中國資源衛星應用中心,2009).

幾何校正:選用經過空間配準的 1:5萬地形圖為參考圖像,在ENVI 4.7支持下對環境一號衛星CCD影像進行幾何校正,圖像重采樣采用最近鄰點法,總誤差控制在0.5個像元內.

大氣校正:采用ENVI 4.7軟件下的FLAASH大氣校正模塊對環境一號衛星CCD數據進行大氣校正,輸入相關參數,計算得到大氣校正后的遙感反射率圖像.

1.3 算法精度評價指標

本研究營養鹽反演算法精度評價指標采用均方根誤差(erms)和相對誤差(er).

2 結果與討論

2.1 營養鹽遙感反演模型建立

將經HJ-1A CCD2光譜響應函數處理后的4個波段的等效遙感反射率分別與營養鹽濃度進行相關性分析,結果如表 1所示.可發現, Band1 (430～520nm)、Band2(520～600nm) 以及 Band3 (630～690nm)的等效遙感反射率均與 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN存在較高的相關性,除Rrs(Band3)與NO2--N相關性相對較低外,其余R2均高于 0.85,且大部分在 0.90以上;而 Band4 (760～900nm)的等效遙感反射率與所有營養鹽參數的相關性均非常低,可見該波段在營養鹽反演中并不適用;值得注意的是,未發現任何波段與PO43--P存在明顯的相關性.總體看來,HJ-1A CCD2 Band1、Band2以及Band3可用于NO2-N、NH4+-N、NO3--N以及TIN的遙感反演,結合表1確定將Band2作為反演NO2--N、NH4+-N的敏感波段,Band1作為反演NO3--N、TIN的敏感波段,而PO43--P不存在任何敏感波段.

表1 河口海域營養鹽參數與4個波段的等效遙感反射率間相關性分析結果Table 1 Correlation analysis results between nutrients and equivalent remote sensing reflectance

分別將Rrs(Band2)與NO2--N和NH4+-N、Rrs(Band1)與NO3--N和TIN進行線性、對數以及e指數模型回歸分析,算法精度見表2.NO2--N反演時,對數模型表現最佳,相關性R2為0.939,平均相對誤差為 26.9%,均方根誤差為0.09148μmol/L,線性模型次之,e指數模型最差; NH4+-N反演時,線性模型與對數模型表現近似,線性模型相對較佳,e指數模型最差;NO3--N 和TIN反演時,線性模型表現最佳,對數模型次之,e指數模型最差.此外,NO3--N反演模型的平均相對誤差普遍偏高,分析原因在于NO3--N 2個極低值點(0.31429,0.25714μmol/L)反演相對誤差較大造成.因此,本研究選擇對數模型反演 NO2--N,而選擇線性模型反演NH4+-N、NO3--N以及TIN.

表2 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN反演精度統計Table 2 The statistics of various nutrients retrieval accuracy

2.2 營養鹽遙感反演機制分析

大量研究表明,NO2--N、NH4+-N以及NO3--N在可見光波段吸收、散射光能微弱,但其與遙感反射率存在的相關性該如何解釋成為本研究亟需解決的關鍵問題.將河口海域理、化以及光學參數等作相關性分析,主要包括:代表徑流擴散狀況的指數Sal;水色參數TChl、TSM以及ag(400);營養鹽參數NO2--N、NH4+-N、NO3--N、TIN以及PO43--P,分析結果如表 3所示.Sal與其他因子(除PO43--P外)均存在一定的相關性,其中,與顆粒態物質的相關性明顯低于溶解態物質(除 PO43--P外),說明河口海域的污染物質主要來自陸源徑流輸入,而且徑流輸入的溶解態物質均勻擴散到海水中,且就本研究而言,線性擴散特征明顯,而顆粒態物質的線性擴散特征相對較弱;此外,NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN與水色參數中溶解態ag(400)的相關性R2分別可達0.836、0.808、0.786、0.854,普遍高于顆粒態水色參數TChl、TSM;值得注意的是,本研究中PO43--P與其他參數均不存在明顯的相關性,可見其來源和擴散特征與其他參數不同,在今后研究中需引起重視.基于以上分析,可知河口海域陸源徑流輸入物質典型的擴散特征,及在此基礎上使得營養鹽參數與某些水色參數存在較高的相關性是進行河口海域營養鹽遙感反演的重要依據.

2.3 衛星遙感產品的實現

由于受天氣、海況以及衛星過境時間等多種因素影響,本研究所能獲取距5月6日外業調查時間最近且圖像質量最好的衛星數據為5月24日HJ-1A CCD2影像.本文營養鹽反演基礎在于河口海域陸源徑流輸入物質典型的擴散特征,而北方地區5月份為枯水季節,河口徑流量較少且相對穩定,因此基于5月6日實測數據所建模型可用于5月24日衛星數據.將NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN反演模型應用于環境一號衛星CCD數據,得到營養鹽濃度衛星產品專題圖(圖 2).NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都表現為在大洋河河口有一個明顯的高值區,該高值區營養鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.因此,大洋河河口海域營養鹽遙感反演具有可行性,從而為河口海域這一特殊區域水體中營養鹽的遙感反演研究提供參考.

表3 河口海域理、化以及光學參數間相關性分析結果Table 3 Correlation analysis results among physical, chemical and optical parameters

圖2 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN衛星產品專題圖Fig.2 NO2--N, NH4+-N, NO3--N and TIN satellite products

3 結論

3.1 HJ-1A CCD2 Band2波段為 NO2--N 和NH4+-N反演的敏感波段,Band1為 NO3--N 和TIN反演的敏感波段,由對數函數擬合NO2--N與Rrs(Band2)效果最佳,相關性R2可達0.939,而由線性函數擬合NH4+-N與Rrs(Band2)、NO3--N與Rrs(Band1)、TIN與 Rrs(Band1)效果最佳,相關性R2分別可達0.935、0.945、0.970,未發現較佳的PO43--P遙感反演模型.

3.2 Sal與 NO2--N、NH4+-N、NO3--N 以及ag(400)存在較高的相關性,NO2--N、NH4+-N、 NO3--N與 ag(400)的相關性分別可達 0.836、 0.808、0.786,因此,河口海域陸源徑流輸入物質典型的擴散特征,及在此基礎上使得營養鹽參數與某些水色參數存在較高的相關性是進行河口海域營養鹽遙感反演的重要依據.

3.3 從衛星產品專題圖可看出,大洋河河口海域NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都存在一個明顯的高值區,該高值區營養鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.

[1] 胡瑩瑩,王菊英,張志鋒,等.遼河口近岸海域水體營養物推薦基準值的制定方法 [J]. 中國環境科學, 2011,31(6):996-1000.

[2] 李小斌,陳楚群,施 平,等.珠江口海域總無機氮的遙感提取研究 [J]. 環境科學學報, 2007,27(2):313-318.

[3] Pekka H, Jenni V, Tuula H, et al. Detection of water quality using simulated satellite data and semi2emp irical algorithms in Finland [J]. The Science of the total Environment, 2001,268:107-121.

[4] Dmitry P, Robert S, Anton K, et al. Operational algorithm for the retrieval of water quality in the GreatLakes [J]. Remote Sensing of Environment, 2005,97:352-370.

[5] Ana Silió-Calzada, Annick Bricaud, Bernard Gentili. Estimates of sea surface nitrate concentrations from sea surface temperature and chlorophyll concentration in upwelling areas a case study for the Benguela system [J]. Remote Sensing of Environment, 2008, 112:3173-3180.

[6] 許 勇.江蘇沿海無機氮磷營養鹽遙感監測研究 [D]. 南京:南京師范大學, 2009.

[7] 劉 征,賀軍亮,彭 林,等.黃壁莊水庫總氮、總磷含量與反射光譜特征的關系 [J]. 石家莊學院學報, 2009,11(3):45-55.

[8] 趙旭陽,劉 征,賀軍亮,等.黃壁莊水庫水質參數遙感反演研究[J]. 地理與地理信息科學, 2007,23(6):46-49.

[9] 鞏彩蘭,尹 球,匡定波.黃浦江水質指標與反射光譜特征的關系分析 [J]. 遙感學報, 2006,10(6):69-75.

[10] 雷 坤,鄭丙輝,王 橋.基于中巴地球資源1號衛星的太湖表層水體水質遙感 [J]. 環境科學學報, 2004,24(3):376-380.

[11] 王學軍,馬 廷.應用遙感技術監測和評價太湖水質狀況 [J].環境科學, 2000,21(6):65-68.

[12] 王建平,程聲通,賈海峰,等.用 TM 影像進行湖泊水色反演研究的人工神經網絡模型 [J]. 環境科學, 2003,24(2):18-24.

[13] NASA/TM-2003-211621/Rev4 Ocean optics protocols for satellite ocean color sensor validation above-water radiance and remote sensing reflectance measurement and analysis protocols [S].

[14] Mobley C D. Estimation of the remote-sensing reflectance from above-surface measurements [J]. Applied Optics, 1999,38(36): 7442-7455.

[15] NASA/TM-2002-210004/Rev3 Ocean optics protocols for satellite ocean color sensor validation fluorometric chlorophyll a: sampling, laboratory methods, and data analysis protocols [S].

[16] NASA/TM-2000-209966/Rev2 Ocean optics protocols for satellite ocean color sensor validation determination of spectral absorption coefficients of particles, dissolved material and phytoplankton for discrete water samples [S].

[17] GB/T 17378.4-2007 海洋監測規范 [S].

[18] 環境減災星座A/B星各載荷在軌絕對輻射定標系數 [R]. 北京:中國資源衛星應用中心, 2009.

Nutrients retrieval in the Dayang River Estuary based on HJ-1 satellite remote-sensed imagery.

WANG Lin, ZHAO Dong-zhi*, YANG Jian-hong (Department of Ocean Remote Sensing,National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China) . China Environmental Science, 2012,32(1)：136～141

On the basis of in situ measurement data in the Dayang River Estuary and HJ-1 satellite CCD imagery, the--N) concentration had the best correlation with the remote sensing reflectance (Rrs) in Band 2 (520～600nm), following a natural logarithmic function (R2=0.939). The ammonia (NH4+-N) concentration was best correlated with Rrsin Band 2 as well, following a linear function (R2=0.935). Besides, the nitrate (NO3--N) and total inorganic nitrogen (TIN) were best correlated with Rrsin Band 1 (430～520nm), likewise following linear functions (R2=0.945 and 0.970 respectively). However, good relationship between the phosphate (PO43--P) and Rrsin any band was not found. Theoretically, nutrients were not optically sensitive substance in the visible light band, thus these empirical relationships between nutrients and equivalent remote sensing reflectance were largely due to the typical diffusion characteristics of river input materials, which indirectly led to high correlativity between nutrients and some optical coefficients, like the absorption of yellow substance (ag(400)). The indirect correlation proposes the potential feasibility of nutrients retrieval in the estuary waters through satellite remote-sensed imagery. Applying the retrieval algorithm to the HJ-1 satellite data, a euphotic zone with extremely high concentration of nutrients was detected in the Dayang River Estuary, and various nutrients gradually declined from the estuary to open seas.

HJ-1 satellite；Dayang River Estuary；nutrients；remote sensing retrieval nutrients retrieval algorithms were studied. The nitrite (NO2

2011-04-16

國家自然科學基金資助項目(40876091);國家海洋公益性行業科研專項(201005030);國家海洋公益性重點項目(200805064);國家“863”項目(2007AA092003);上海市科學技術委員會科研計劃(08DZ1206304)

* 責任作者, 研究員, dzzhao@nmemc.gov.cn

X145

A

1000-6923(2012)01-0136-06

致謝：感謝國家海洋環境監測中心海洋遙感室全體工作人員的協助.

王 林(1981-),男,河北滄州人,研習員,碩士,主要從事海洋光學與水質遙感研究.發表論文5篇.