基于高分1號遙感數據港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙分布的影響

劉大召，李 卓，陳仔豪，程永存

基于高分1號遙感數據港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙分布的影響

劉大召1,2，李 卓2，陳仔豪2，程永存3

（1.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江）南海資源大數據中心//2. 廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；3. 航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100195）

【】研究港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙分布的影響。利用2019年冬季珠江口海域的出海調查數據和高分1號衛星遙感數據，建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模型，分析大橋對懸浮泥沙空間分布的影響。高分1號衛星的4個波段中，第4波段與懸浮泥沙濃度的確定系數最高，線性模型的確定系數達到0.58，而4波段組合模型的效果最好，確定系數可以達到0.74；大橋對懸浮泥沙的輸運有比較明顯阻滯作用，大橋兩側懸浮泥沙濃度的差值最高達7 mg/L。港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙的空間分布有比較明顯的影響。

珠江口；高分1號；懸浮泥沙；遙感

懸浮泥沙輸運是河口海域自然調整中的關鍵問題，入海泥沙通量直接對河口海岸地區灘地圍墾、漁業生產、水資源、河口海岸工程和航道工程等產生影響；同時，細顆粒懸浮泥沙又是污染物的重要載體，泥沙輸運對污染物的遷移和循環也起重要作用。因此，對河口區域懸浮泥沙的分布和輸運規律進行認真而細致的理論研究，充分揭示其內部運動規律，不僅可以為河口區潛在的地貌演變等提供分析依據，而且對保護河口海域的海洋生態環境也有著深刻而重要的意義。

遙感是進行懸浮泥沙監測的一種重要手段，較多學者選擇珠江口作為研究區域，利用遙感手段對懸浮泥沙空間分布進行分析，一部分學者利用遙感數據建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模式[1-6]，也有學者利用長時間序列遙感數據分析珠江口海域懸浮泥沙的時空分布變化[7-10]。

國內已有學者研究了杭州灣跨海大橋對杭州灣海域懸浮泥沙的空間分布的影響，研究結果表明，杭州灣大橋兩側的懸浮泥沙濃度呈現出一定的梯度特征，表現為大橋上游濃度高，下游濃度相對較低[11-12]。港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超大型跨海通道，橫跨珠江口伶仃洋海域，全長55 km，是世界最長的跨海大橋，于2018年10月建成投入使用，目前還沒基于遙感數據的大橋對實際工程海域影響的研究報道。本研究利用2019年冬季港珠澳大橋海域的海上調查數據和高分一號遙感數據研究大橋對珠江口海域懸浮泥沙空間分布的影響，掌握大橋對珠江口海域懸浮泥沙空間分布影響的范圍及程度，為深入研究大橋對海洋環境的影響提供基礎。

1 研究區域及實驗方案

珠江口是一個復合型的三角洲，由西、北江三角洲，東江角洲及獨流入海的潭江等小河組合而成，面積約為2.68萬km2。在長期徑流、潮流與徑流挾沙的作用下，河汊密如蛛網，水鄉四通八達，形成“三江匯集，八口分流”的珠江尾閭的復雜形狀[6]。珠江河口區是一個動力過程極其復雜的系統。在徑流、潮汐、季風、沿岸流和南海暖流等綜合作用下，形成珠江徑流、珠江口沖淡水（由外海水與上游淡水在河口地區相互摻混后形成）和外海水團3種不同性質水團。該地區人口密布、經濟高度發達，隨著經濟快速發展，強烈的人類活動影響通過河口地區向近海傳遞，引起諸如富營養化、赤潮、生物多樣性減少、海岸侵蝕、海水入侵、入海物質變化規律失調等一系列嚴重的環境和生態問題。對珠江口懸浮泥沙輸運規律研究是認識河口地區環境演變規律的基礎，并將為珠江口綜合整治提供科學依據。

本研究區域為港珠澳大橋附近海域，相關站位設置如圖1所示。2020年1月15－16日組織了針對港珠澳大橋附近海域的海上調查航次，監測內容主要包括：CTD測量水溫、鹽度、水深；光譜儀對海水表觀光學量進行現場測量；水質儀測量水深、水溫、鹽度、溶解氧、壓強、PH、黃色物質吸收系數、懸浮物濃度、葉綠素濃度；后向散射儀測量海水的后向散射系數；實驗室分析葉綠素-a濃度、懸浮泥沙濃度。

圖1 研究區域及站位設置

在本研究中，水體遙感反射率的測量采用的是水面以上測量法，儀器是 KOT_CruiseAOP走航式水體表觀光譜觀測系統，實物見圖2。

圖2 走航式水體表觀光譜觀測系統實物

KOT_CruiseAOP有3個通道，分別測量天空光漫反射輻亮度，海面入射的輻亮度和水體的離水輻亮度，3個通道同步進行測量。KOT_CruiseAOP系統中的觀測幾何智能調整平臺，采用了自穩設計、能夠智能調整觀測幾何，利用GPS 的位置和時間信息得到該位置的天頂角，結合姿態傳感器和平臺實現對傳感器進行全方位轉動的控制，實現精確控制傳感器所需的測量角度，從而達到智能調整觀測的作用。結合攝像頭平行記錄所測環境，利用實時拍攝的照片判別耀斑、浪花等干擾，有效辨別異常數據，可以進一步提高實測數據的準確度。

利用三通道的水面之上測量法，可通過公式推導出水體的遙感反射率，

rs= (w-sky)/s，

其中，w為離水輻亮度，sky為天空光輻亮度，為氣-水界面對天空光的反射系數，s為海面入射輻亮度。

本研究懸浮泥濃度采用過濾稱重法進行測量，根據海洋監測規范海水分析部分的懸浮物濃度測量方法，即現場采集水樣并過濾，將濾膜帶回實驗室采用質量法進行測量。

2 數據和方法

2.1 遙感數據

本研究采用高分一號影像數據，其空間分辨率高，遙感視場廣闊，并且通過多個相機的組合，可達到大面積觀測的目的等，具體有效載荷參數如表1所示。采用的是2019年10月2號的PMS1數據（影像號：GF1_PMS1_E113.7_N22.2_20191002_L1A0004280161和GF1_PMS1_E113. 8_ N22.4_20191002_L1A000428），兩景影像云量稀少，成像清晰，易于進行懸浮泥沙濃度的遙感反演。

表1 高分一號有效載荷參數

2.2 遙感專題圖的制作

生成遙感專題圖的技術路線如圖3所示。主要包括以下幾個過程：輻射定標、大氣校正、選擇運算模型、波段運算、分組繪制類別、條帶渲染、添加出圖元素、設置出圖分辨率進行輸出等過程，其中前6步在envi5.3進行處理，最后兩步在arcgis9.3中進行處理。其中輻射定標利用GF-1的ENVI插件自動完成；大氣校正采用ENVI自帶Flaash大氣校正模塊進行，設置相關大氣參數，遙感數據的參數；在ENVI中利用建立的懸浮泥沙的遙感反演模型，采用波段運算方法的懸浮泥沙的遙感分布圖，根據懸浮泥沙濃度的實際情況，選擇合適分組標準，對遙感分布圖進行密度分割，并選擇合適的條帶進行渲染；最后將遙感圖導入到arcgis中，添加經緯度、比例尺、指北針等制圖元素，選擇合適的分辨率輸出遙感專題圖。

圖3 遙感數據處理技術路線

3 結果與分析

3.1 光譜數據

圖4可見，320 nm至580 nm范圍，隨著波長增加，遙感反射率呈線性增長，形成左側反射肩，580 nm左右達到最大值；580 nm至700 nm，隨著波長增加，遙感反射率緩慢下降，形成一個反射臺；700 nm至720 nm，隨著波長增加，遙感反射率快速下降，形成右側反射肩；720 nm以后，隨著波長增加，遙感反射率呈緩慢下降趨勢，除個別站位外，遙感反射率的值整體較低。2肩1平臺的光譜特征與前人對珠江口海域光譜特征的研究結果非常吻合[4]。本研究中810 nm附近懸浮泥沙形成的第二反射峰不明顯，這可能是因為本次出海調查實驗是在冬季進行，所有站點的懸浮泥沙濃度都偏低。

圖4 研究區域海水光譜

3.2 懸浮泥沙遙感反演模型

遙感反演模型的建立是遙感反演懸浮泥沙濃度中非常重要的一個環節。在分析水體光譜特征的基礎上，結合高分一號衛星傳感器的波段設置和各個波段的響應函數，利用實測光譜數據模擬傳感器各個波段的光譜，從中選取對泥沙濃度響應敏感的波段或波段組合，建立波段或波段組合與水體懸浮泥沙濃度之間的統計回歸遙感反演模型。珠江口冬季航次有27個站位的數據，為保證模型的可靠性，其中3/4的數據用來建模，剩余數據用來進行驗證。最后對建立的所有模型進行評價，選取穩定性好、精度高的模型應用于相應的傳感器數據，遙感反演研究區域懸浮泥沙濃度的分布，生成單軌的懸浮泥沙分布遙感圖像產品。表2是高分1號4個波段與懸浮泥沙濃度的確定系數，可以看出隨著波段波長的增加確定系數呈增大的趨勢，以第4波段（中心波長：830 nm）與懸浮泥沙的確定系數最好，線性模型的確定系數達到0.58。通過不同波段的多種組合，可以減少一些環境因素的影響，提高反演精度，使結果更加合理，單個波段的反射率難以全面反映不同懸浮泥沙濃度的光譜信息[11]，因此，以B4為基礎，考察了B4與其他波段組合模型的反演精度。主要波段組合及采用的模型如表3所示，可以看到波段組合從一定程度上可以提高模型的擬合效果，其中以4波段模型的效果最好，確定系數2可以達到0.74。

表2 珠江口單波段遙感反演模型的確定系數

表3 珠江口懸浮泥沙遙感反演模型匯總

鑒于4波段的線性模型和二次模型的相關性相關不明顯，本研究選擇4波段的線性模型作為珠江口海域的懸浮泥沙濃度的遙感反演模型，圖5為本模型懸浮濃度實測數據和遙感反演數據的散點圖。驗證數據的選取按實測數據的分布情況，從小到大按均勻的間隔選取，本實驗共25個實測數據，選擇其中的6個數據作為驗證數據，可以看出驗證數據比較均勻的分布在擬合線的兩側。

圖5 反演模型驗證散點

3.3 懸浮泥沙的空間分布

從圖6可以看到，懸浮泥沙濃度整體分布格局呈東北-西南走向的條帶狀分布，與珠江口海域西岸平行，向東南方向逐級降低[13]。受徑流、潮流、波浪、沿岸流和陸架環流等影響，珠江口海域泥沙運移規律非常復雜，近岸區域泥沙主要向南和西南運移，這主要是珠江沖淡水受科氏力影響[14]，從而導致澳門與珠海口岸附近形成海域高濃度懸浮泥沙分布帶。在珠江內東人工島西側有一條明顯的低懸浮泥沙濃度窄帶，這塊區域分布著珠江的主航道-伶仃西航道，航道平均水深在10 m以上，懸浮泥沙受再懸浮的影響較小，因此，懸浮泥沙平均質量濃度在12 mg/L以下。從分布圖可以看到盡管東西兩個人工島相距6.2 km，其間采用沉管，但還是可以看到，大橋兩側懸浮泥沙的空間分布仍然存在一定差異。珠江河口懸浮泥沙顆粒較細，風致水體表層與次表層的湍流混合可引發懸浮泥沙垂向輸運，從而增大表層懸浮泥沙的濃度[15]。港珠澳大橋一共224個橋墩，橋塔7座，東西人工島各長約625 m，珠江河口懸浮泥沙顆粒較細，容易受到大橋阻滯作用的影響，造成大橋上游（北側）和下游（南側）懸浮泥沙的空間分布有較大差異。

圖6 2019年10月2日大橋附近懸浮泥沙的分布(GF1-PMS)

為分析大橋對懸浮泥沙的作用，沿河流的徑向設置了4個斷面，如圖7所示。其中最左側的第1斷面位于珠江東岸的高濃度懸浮泥沙區域，由于受大橋阻滯作用的影響，上游海域懸浮泥沙的自組織能力增強，懸浮泥沙的質量濃度在23 ~ 26 mg/L區間范圍內波動，而在大橋附近懸浮泥沙的質量濃度從25 mg/L跳變到18 mg/L，差值為7 mg/L；第2斷面位于珠江青州航道海域，青州航道橋是港珠澳大橋項目中跨度最大的通航孔橋，跨度為458 m，而橋墩之間的跨度為110 m，相比較橋墩對懸浮泥沙空間分布的影響，青州通航孔橋的影響要小得多，大橋兩側懸浮泥沙濃度變化不大；第3斷面位于珠江的主航道-伶仃西航道，可以看到懸浮泥沙的分布基本沒有受到大橋影響，懸浮泥沙的質量濃度在11 mg/L左右波動；第4斷面位于港珠澳大橋東人島附近，東人島東西寬度約625 m，對懸浮泥沙的空間分布有較大影響，大橋附近懸浮泥沙的濃度從15 mg/L跳變到12 mg/L，差值為3 mg/L，大橋上游 1 000 m與下游1 000 m的懸浮泥沙濃度的差值約為8 mg/L。

4 結論

本研究結合現場實測光譜數據、懸浮泥沙濃度數據和GF-1號衛星遙感數據，研究了港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙分布的影響，主要結論如下：

港珠澳大橋的存在從一定程度上阻滯了珠江口海域懸浮泥沙徑向的輸運，從而造成大橋兩側懸浮泥沙的空間分布有比較明顯的差異。在珠江東部懸浮泥沙高濃度區和東人工島附近，港珠澳大橋對懸浮泥沙的空間分布影響比較明顯，存在大橋兩側懸浮泥沙濃度跳變的現象，大橋兩側懸浮泥沙濃度最大的差值為7 mg/L,而珠江的主航道和青州航道海域，港珠澳大橋對懸浮泥沙空間分布的影響較小。

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Influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the Distribution of Suspended Sediment in the Pearl River Estuary

LIU Da-zhao1,2, LI Zhuo2, CHEN Zi-hao2,CHEN Yong-cun3

（1.,//2.,,524088,; 3.,,100195,）

To study the influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.Based on the investigation data of the Pearl River Estuary in winter 2019 and the remote sensing data of GF-1 satellite, the remote sensing inversion model of the suspended sediment in the Pearl River estuary is established, and the influence of the bridge on the spatial distribution of the suspended sediment is analyzed.Among the four bands of GF-1 satellite, the determination coefficient of band 4 and suspended sediment concentration is the highest, the determination coefficient of the linear model is 0.58, and the combination model of 4 bands is the best, the determination coefficient can be 0.74; the bridge has an obvious blocking effect on the transport of suspended sediment, and the highest difference of suspended sediment concentration on both sides of the bridge is 7 mg/L.The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge has some influence on the spatial distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.

Pearl River Estuary;GF-1;suspended ediment;remote sensing

TP79

A

1673-9159（2020）06-0089-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.011

劉大召，李卓，陳仔豪，等. 基于高分1號遙感數據港珠澳大橋對珠江口海域懸浮泥沙分布的影響[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（6）：89-95.

2020-06-22

南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江）資助項目（ZJW-2019-08）; 廣東省級促進經濟高質量發展專項（海洋經濟發展，GDNRC[2020]050）

劉大召（1972－），男，博士，副教授，研究方向為海洋水色遙感。Email:llddz@163.com

（責任編輯：劉嶺）