基于Crosta方法的珠江口總懸浮物遙感異常信息提取研究

高峰 王云鵬 胡歆怡

摘要：指出了水體總懸浮物濃度是水質評價的重要參數之一，通過遙感影像和實測總懸浮物濃度建立的總懸浮物濃度定量遙感反演模式在區域應用上往往具有局限性。基于Crosta方法，利用波段組合TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7提取了水體總懸浮物遙感異常信息。結果表明：兩組波段組合的主分量PC1可以作為水體總懸浮物濃度遙感異常信息的指示分量，并且利用MERIS總懸浮物濃度產品數據對該指示分量做了驗證。該研究結果可以為缺乏實測數據的河口和內陸水體提供一種新的研究水體總懸浮物濃度的思路。利用長時間序列的Landsat TM影像數據，從宏觀角度研究內陸水體總懸浮物濃度的時空分布和動態變化等。

關鍵詞：總懸浮物;Crosta方法;Landsat TM; MERIS遙感異常信息

中圖分類號：X522

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0001-05

1引言

水體總懸浮物作為水質評價的重要參數之一，受到國內外學者的廣泛關注。它能夠直接影響水體的渾濁度、透明度和水色等光學性質，進而影響水生生物的初級生產力。另外，水體懸浮泥沙是多種營養鹽養分和有機污染物的重要載體，能夠直接影響河口海岸營養鹽的動態和污染物的遷移，同時也是全球碳循環的重要組成部分。因此，精確高效的獲取和監測水體懸浮物含量，分析其時空變化特征，探究其潛在運動規律，對河口及內陸水體水生生態環境的評估、監測、防治和持續開發與利用具有重要的理論價值和現實意義。同時也能為相關領域和政府決策部門提供科學的參考和重要的決策依據，對社會經濟發展也具有一定的推動作用。

傳統意義上，總懸浮物濃度數據的獲取主要通過水面定點采樣、實驗室測定。該方法不但耗時費力，成本高，而且難以實時的監測和研究水體懸浮物的動態變化。隨著遙感技術的快速發展，遙感作為一種新的技術手段引入到了水體懸浮物的研究中來。遙感影像具有宏觀監測、實時動態及快速成像等特點，已經成為定量反演和監測水體懸浮物的有效手段。

國內外學者利用多源遙感影像數據，對水體懸浮物的定量遙感反演做了大量研究工作。劉大召等利用2006年12月4日實測珠江口高光譜遙感反射率數據和懸浮泥沙濃度數據，對珠江口海域的表層水體懸浮泥沙遙感定量反演進行了研究，并建立了相應的懸浮泥沙濃度定量遙感反演模式。劉汾汾等利用實測遙感反射率和懸浮泥沙數據，基于MERIS數據建立了反演珠江口懸浮泥沙的分段算法，取得了很好的效果 。朱樊等利用MODIS數據和經驗反演方法，建立了珠江口懸浮泥沙濃度與MODIS第一波段反射率的指數反演模型，該模型能較好的反演濃度介于0.014～0.3kg/m?珠江口的懸浮泥沙濃度 。

Miller和McKee基于MODIS 250m分辨率第一波段（620--670nm）和實測總懸浮物濃度數據建立了墨西哥北部海灣定量遙感反演總懸浮物濃度的線性模型。然而根據實測水體懸浮物遙感反射率和懸浮物濃度濃度建立的定量遙感反演模式具有區域和時間上的局限，難以在其他地區或時間上精確反演懸浮物濃度和反映懸浮物的實時變化。一般情況下，水體懸浮物實測樣本都較為缺乏，要想獲取研究區各個時間段的懸浮物實測數據也是不現實的。

本文針對這種情況，基于Crosta方法和 LandsatTM數據，從宏觀角度出發對珠江口水體總懸浮物的遙感異常信息進行提取，以期能為珠江口水體懸浮物的空間分布和時空變化特征的研究提供數據上的支撐。

2研究區概況

珠江口位于東經102°～115°和北緯21°～26°之間，屬于典型的亞熱帶季風氣候區。因受亞熱帶季風氣候的影響，珠江口的人海水沙表現出明顯的季節變化，豐水期（4～9月）來水來沙量占全年的78%～82% 。

珠江口的來水來沙主要由珠江的三大支流匯集而成，分別為西江、北江和東江。人?？谟砂舜罂陂T組成，分別為虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門。因此，珠江口有“三江匯流、八口人海”的特征。

3數據源與預處理

3.1數據源

Landsat自從發射以來，就在全球范圍內積累了大量的中分辨率遙感影像數據，因此本文選擇 LandsatTM為數據源進行水體懸浮物遙感異常信息的提取。本次研究選取的Landsat TM的行列號為123/044，時相為2003年10月17日。Landsat TM1、2、3、4、5和7波段的空間分辨率為30m，6波段為60m。為了對提取的水體總懸浮物遙感異常信息進行驗證，本文選擇了與 Landsat TM對應日期的MERIS二級產品的總懸浮物濃度數據作為驗證數據。

3.2遙感數據預處理

水體反射光譜信息屬于弱信息，因此必須經過大氣校正去除大氣散射和吸收的影響。大氣校正采用基于輻射傳輸模型的FLAASH大氣校正。為了更好的提取水體懸浮物信息，對 Landsat TM影像進行水陸分離，該操作采用Fmask算法。下載得到的MERIS二級產品經過投影轉換，提取得到珠江口MERIS總懸浮物濃度數據。

4基于Crosta方法的水體總懸浮物遙感異常信息提取

4.1Crosta方法簡介

Crosta方法主要應用于遙感蝕變異常信息的提取中。1989年，Crosta提出了以主成分分析法進行鐵染泥化異常信息提取的Crosta方法，并在巴西MinaisGerais地區利用 Landsat TM數據成功提取了該地區的鐵染異常和泥化異常信息。該方法主要通過TM1、TM3、TM4、TM5和TM1、TM4、TM5、TM7兩組波段組合的主成分分析提取鐵染和羥基異常信息。

利用TM1、TM3、TM4、TM5波段組合進行PCA提取鐵染異常信息的判斷準則是：構成該主成分的特征向量TM3的載荷系數與TM1和TM4的系數符號相反，TM3 -般與TM5系數符號相同。依據有關地物的光譜特征，鐵染信息包含于符合這一判斷準則的主分量內，將該主分量稱之為鐵染異常主分量。

利用TM1、TM4、TM5、TM7波段組合進行PCA提取羥基異常信息的判斷準則是：構成該主成分的特征向量TM5載荷系數應與TM7和TM4系數符合相反，TMl -般與TM5系數符號相同。依據有關地物的光譜特征，羥基信息包含于符合這一準則的朱分量內，將該主分量稱之為羥基異常主分量。本研究即是基于以上Crosta方法的思想提取珠江口水體總懸浮物遙感異常信息。

4.2水體總懸浮物遙感異常提取的理論依據

根據前人研究結果可知，不同含量和類別的水質參數的水體光譜特征迥異.可以通過遙感影像的光譜反射率定性和定量研究不同類型和含量的水質參數。在可見光和近紅外波段（ 0.4--1.1μm），水體的反射率總體較小，清潔水體的反射率隨波長增加而減小，至0.76μm處水體的反射率基本為0。而水中含有顆粒狀懸浮泥沙時會直接影響水體透明度、渾濁度、水色等光學性質。水中的懸浮泥沙由于其散射能力較強，吸收能力較弱，使得可見光至近紅外波段的反射率明顯增加，并分別于580nm（TM2）和810nm（TM4）附近形成反射峰。韓震等對懸浮泥沙與光譜反射率之間的相關關系的研究表明，在可見光一近紅外波段，懸浮泥沙水體與光譜反射率之間均有良好的相關關系，反射率在400--570nm較低，570～650nm以后的紅波段及近紅外波段，反射率逐步增大。水體懸浮物的這種特有光譜特性，使得利用遙感影像數據提取水體懸浮物遙感異常信息成為可能。

4.3珠江口水體總懸浮物遙感異常信息提取

本研究根據水體中不同類別和含量的污染物質對光譜反射率的差異，基于Crosta法，即主成分分析法.將其分離成幾個互不相關的變量（不同類別的污染物質）。分解得到的特定主成分代表一組光譜的某個特征，這種特征體現在該主成分的載荷系數上。研究將通過分析不同主成分的載荷系數和不同類型水質參數的光譜反射率特征，解釋不同主成分涵蓋的水質參數意義。將確定反映水體總懸浮物遙感異常信息的主成分選擇出來，并對反映珠江口水體總懸浮物遙感異常的信息進行閾值分級處理，賦以不同顏色，獲得分級異常圖。

通過以上分析可知，水體懸浮物在可見光一近紅外波段范圍水體反射光譜特征最為顯著，并且具有明顯的雙峰特性。因此，我們選擇兩組波段組合進行水體總懸浮物遙感異常信息的提取，并且對提取結果進行對比分析。兩組波段組合分別為TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4僅包含可見光一近紅外波段。而波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7加入反映黏土礦物吸收和反射特性的TM5和TM7波段，用以提取水體懸浮物中所包含的黏土礦物等信息。兩波段組合主成分分析特征向量表分別見表1和2。

由表1可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，載荷系數分別為0.59797和0.674209，且符號為正.與水體懸浮物在該波段范圍具有反射特征相一致。但是TM4波段對PC1的貢獻相對較小，這與水體懸浮物在TM4波段反射峰特征不吻合。已有研究表明，TM4波段對高濃度懸浮泥沙較為敏感，本研究選擇的LandsatTM影像日期珠江口懸浮物濃度可能并不是很高。另外，劉汾汾等對珠江口懸浮泥沙的定量研究表明，綠光和紅光波段能夠較好的反演低濃度的懸浮泥沙濃度。這與PCl主要反映TM2和TM3波段的信息是相吻合的。因此，可以判定PC1可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。其他3個主成分的載荷系數與水體懸浮物的反射光譜特性不吻合。

由表2可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，載荷系數分別為0.59377和0.672413，且符號為正，與水體懸浮物在該波段范圍具有反射特征相一致。TM4波段的貢獻與波段組合TM1、TM2、TM3、TM4主成分分析PC1的貢獻基本一樣，分別為0.278804和0.285005。TM5和TM7波段對PC1都具有微弱的貢獻，載荷系數分別為0.059941和0.044451，這說明該PC1主分量能夠涵蓋一些水體懸浮物中的黏土礦物等組分。需要指出的是，PC1主分量所有波段的載荷系數均為正，這與水體懸浮物在水體中的反射光譜特性相吻合。因此可以判定PC1主分量可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。

水體懸浮物遙感異常信息閾值分級借鑒張玉君等利用ETM+（TM）影像提取礦物蝕變信息的分級標準。本研究采用K倍標準差的方法對水體懸浮物遙感異常信息進行分級，以K取2.0、2.5、3作為閾值，限定異常水平，對異常進行分割處理，賦以不同顏色，獲得水體懸浮物遙感異常分級圖，如圖1和圖2所示。一級總懸浮物異常表示總懸浮物濃度最低，四級總懸浮異常表示總懸浮物濃度最高。與 Landsat TM日期相一致的MERIS二級產品總懸浮物濃度空間分布如圖3所示。

從上述兩組波段組合提取到的水體總懸浮物遙感異常信息分布圖和MERIS總懸浮物濃度對比來看，通過Crosta方法提取的水體總懸浮物遙感異常信息與珠江口總懸浮物的空間分布特征吻合較好。水體總懸浮物遙感異常信息圖和MERIS總懸浮物濃度分布圖均呈現出西岸高、中間海槽低、東岸近海區域偏高的格局，這與珠江口海域水體懸浮物主要以陸源為主的特征相符。另外，珠江口海域的水體總懸浮物濃度呈現出由東北向西南的條帶狀分布，珠江口西岸形成總懸浮物濃度的相對高值帶。受到季節性降水和潮流的影響，珠江口西岸的高濃度懸浮物逐漸向外海擴散，因此，珠江口海域的水體總懸浮物濃度具有明顯的季節變化特征。

5水體總懸浮物遙感異常信息驗證

為了驗證Crosta方法提取到的水體總懸浮物遙感異常信息，在珠江口隨機選擇了一些樣本數據，分別提取與PC1和MERIS相對應的像素值，并且計算了兩者之間的相關關系和建立了PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的擬合回歸方程（圖4、圖5）。為了方便計算和分析，PC1全部轉換到0～255。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的相關關系為0.93。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7的主成分PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的相關關系系數為0.91。從相關關系系數和擬合回歸方程的決定系數來看，波段組合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1與珠江口總懸浮物濃度的空間分布特征最吻合，能夠解釋86%的MERIS總懸浮物濃度的方差信息。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7與珠江口總懸浮物濃度的相關性稍差一點，但這并不影響PC1可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。

6結論

將Landsat TM影像經過大氣校正和水陸分離后，利用Crosta方法，結合水體懸浮物典型光譜特征，利用波段組合TM1、TM2、TM3、TM4和Ml、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7的主成分分析提取的PC1能夠很好的反映水體總懸浮物的遙感異常信息。與MERIS總懸浮物濃度產品的驗證結果表示，PC1主分量與MERIS總懸浮物濃度的擬合效果很好。該研究結果可以為缺乏實測數據的內陸水體區域提供一種新的研究水體總懸浮物濃度的思路。利用長時間序列的LandsatTM影像數據，可從宏觀角度研究內陸水體總懸浮物濃度的時空分布和變化規律等。