基于Hydrolight 模型的太湖SDGSAT-1衛(wèi)星懸浮物濃度反演研究

王雅萍 胡雪可 , 李家國 姜晟 陳興峰 趙利民 陳洪真

（1 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454000）

（2 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）

（3 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210019）

0 引言

水體中的懸浮物是指不溶于水的無機(jī)物、有機(jī)物、泥沙、微生物和黏土等懸浮在水中的固體物質(zhì)，陸地養(yǎng)分會(huì)附著在懸浮顆粒表面導(dǎo)致水體污染現(xiàn)象發(fā)生[1]，因此監(jiān)測水中懸浮物濃度是反映水質(zhì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的重要手段。遙感技術(shù)能夠大尺度、周期性、快速同步獲取水體信息[2]，可以有效監(jiān)測水中的懸浮物，在當(dāng)前內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用日益廣泛[3-4]。可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1 號(hào)（SDGSAT-1），是全球首顆專門服務(wù)《聯(lián)合國2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》的科學(xué)衛(wèi)星[5-6]，由中國科學(xué)院“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”先導(dǎo)專項(xiàng)研制。該衛(wèi)星配備的多光譜成像儀（Multispectral Imager for Inshore，MII）在探測譜段、空間分辨率和幅寬上的設(shè)置使其在水環(huán)境探測方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。SDGSAT-1 MII 傳感器共設(shè)置7 個(gè)光譜通道[7]，空間分辨率為10 m，幅寬為300 km，除了藍(lán)、綠、紅、近紅外通道外還設(shè)置了深藍(lán)通道和紅邊通道，可以更好地辨識(shí)水體渾濁程度，更有針對(duì)性地探測內(nèi)陸水體中的懸浮物濃度。

現(xiàn)有的反演懸浮物濃度的方法主要包括分析法、經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)法。其中分析法主要基于生物光學(xué)原理來反演懸浮物濃度，例如：文獻(xiàn)[8]利用分析模型反演了巢湖的總懸浮物濃度，文獻(xiàn)[9]利用兩個(gè)近紅外波段反射率反演了懸浮物濃度。經(jīng)驗(yàn)法則是采用一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行懸浮物濃度的反演，例如：文獻(xiàn)[10]結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和Landsat 影像建立了基于紅色波段的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)青海湖開展了近35 年的懸浮物濃度時(shí)空變化分析，文獻(xiàn)[11]開發(fā)了基于MODIS 的波段比值算法用于長江中下游湖泊水庫的懸浮物長期變化研究。半經(jīng)驗(yàn)法主要基于水體表觀特征與懸浮物的關(guān)系來構(gòu)建懸浮物濃度反演模型，例如：文獻(xiàn)[12]利用光譜吸收特征參數(shù)開發(fā)了適用于GOCI 的懸浮物反演算法，文獻(xiàn)[13]提出了一種基于多波長的半分析推導(dǎo)算法用于估計(jì)清澈至極渾濁水體中的懸浮物濃度。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突虬虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14-15]，然而水體反射率信號(hào)受水體中不同組分吸收特性和散射特性[16]的影響，懸浮物、葉綠素a和有色可溶性有機(jī)物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）是通常所稱的“水色三要素”，現(xiàn)有的懸浮物濃度反演研究很少考慮到葉綠素a、CDOM 的影響，水中葉綠素a、CDOM 對(duì)水體的光學(xué)貢獻(xiàn)不能忽略[17-18]，在懸浮物濃度反演過程中，需要避免葉綠素a 濃度和CDOM 濃度信息的干擾。

Hydrolight 輻射傳輸模型模擬的水體反射率可以作為水體輻射傳輸方程的直接解[19]，基于模擬光譜與水體不同組分濃度之間的相關(guān)關(guān)系，可以探索不同波段葉綠素a、CDOM 的影響貢獻(xiàn)，有助于推導(dǎo)反演過程[20]。太湖作為典型的內(nèi)陸富營養(yǎng)化淺水湖泊[21]，湖水常年渾濁，懸浮物特征顯著。綜上考慮，本文以太湖為研究區(qū)，基于Hydrolight 輻射傳輸模型和SDGSAT-1 MII 譜段的遙感數(shù)據(jù)來模擬反射率與懸浮物、葉綠素a、CDOM 的相關(guān)性特征，以探明對(duì)懸浮物敏感而對(duì)葉綠素a 和CDOM 相關(guān)性較弱的反演因子，從而構(gòu)建太湖地區(qū)適用于SDGSAT-1 衛(wèi)星的具有理論基礎(chǔ)的懸浮物濃度反演模型，發(fā)揮SDGSAT-1衛(wèi)星在水質(zhì)參數(shù)反演方面的應(yīng)用價(jià)值，為改善太湖水質(zhì)、治理水環(huán)境提供有價(jià)值的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

太 湖 位 于 長 江 三 角 洲 地 區(qū)（30°55′40"N~31°32′58"N，119°52′32"E~120°36′10"E），水 域 面 積 為2 338.1 km2，是中國第三大淡水湖。太湖最大水深不超過3 m[22]，屬于淺水型湖泊，在風(fēng)浪作用下容易導(dǎo)致泥沙再懸浮，增加水體的懸浮物濃度，引起湖中其他物質(zhì)的流動(dòng)和釋放，促使湖中藻類大量繁殖，加劇湖泊富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化和環(huán)境問題比較嚴(yán)重。懸浮物與太湖地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，監(jiān)測太湖水體中的懸浮物濃度具有重要意義。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

SDGSAT-1 衛(wèi)星MII 傳感器光譜響應(yīng)函數(shù)如圖1 所示，該傳感器共包含7 個(gè)通道，在藍(lán)、綠、紅、近紅外這4 個(gè)通道的基礎(chǔ)上增加了深藍(lán)1、深藍(lán)2 和紅邊等3 個(gè)通道，這樣的設(shè)置有助于探測渾濁水體水質(zhì)的變化。研究所用遙感數(shù)據(jù)為2022 年5月4 日SDGSAT-1 MII L4 級(jí)別的太湖影像數(shù)據(jù)，在使用數(shù)據(jù)前需要對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、水體提取等預(yù)處理工作。其中輻射定標(biāo)的目的是將DN 值轉(zhuǎn)換為輻亮度；大氣校正首先在ENVI 遙感影像處理平臺(tái)中構(gòu)建出SDGSAT-1 影像的光譜響應(yīng)曲線文件，然后利用ENVI 中的FLAASH 模塊得到校正后的反射率影像；最后利用水體指數(shù)對(duì)太湖水域進(jìn)行掩膜提取。

圖1 SDGSAT-1 MII 多光譜傳感器光譜響應(yīng)函數(shù)Fig.1 Spectral response function of SDGSAT-1 MII multispectral sensor

1.3 實(shí)測數(shù)據(jù)

實(shí)測數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)集1 和數(shù)據(jù)集2，其中數(shù)據(jù)集1 為2013 年8 月和2015 年10 月對(duì)太湖野外采樣獲取的2 期數(shù)據(jù)，包括采集的水體光譜數(shù)據(jù)、水質(zhì)參數(shù)濃度數(shù)據(jù)和固有光學(xué)數(shù)據(jù)，有效樣點(diǎn)數(shù)據(jù)54 個(gè)；數(shù)據(jù)集2 為2022 年5 月4 日采集太湖水樣獲得的懸浮物濃度數(shù)據(jù)，有效樣點(diǎn)18 個(gè)，選取該系列實(shí)測數(shù)據(jù)是為了驗(yàn)證懸浮物濃度反演模型在SDGSAT-1 衛(wèi)星遙感影像上的應(yīng)用效果。兩個(gè)數(shù)據(jù)集采樣點(diǎn)分布如圖2 所示。

圖2 實(shí)測樣點(diǎn)分布Fig.2 Measured sample point distribution

水面光譜測量的目的是獲取水體遙感反射率Rrs(λ)，采用ASD 光譜儀通過水面以上測量法[23]進(jìn)行，測量時(shí)的觀測方位角為135°，觀測天頂角為40°。水體反射率Rrs(λ)計(jì)算公式為

式中Rrs(λ)為水體反射率；λ為水體反射率的波長；Lt(λ)、Ls(λ)、Lp(λ)分別為光譜儀面向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)灰板測得的信號(hào)值；rs為氣水界面對(duì)天空光的反射率，平靜水面為0.022，在5 m/s 風(fēng)速情況下可取0.025，在10 m/s 風(fēng)速條件下取0.026~0.028；ρp(λ)為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)定的灰板反射率。

葉綠素a 濃度參考國家標(biāo)準(zhǔn)（SL 88—2012）采用分光光度計(jì)法測量，測定的數(shù)值范圍在0.27~133 mg/m3；懸浮物濃度參考國家標(biāo)準(zhǔn)（GB11901—89）采用煅燒稱重法測定，測定的數(shù)值范圍在15~145 g/m3。葉綠素a 和懸浮物的光譜吸收利用直徑為25 mm 的GF/F 玻璃纖維過濾器過濾水樣后使用紫外/可見雙光束積分球分光光度計(jì)測量，具體操作參考文獻(xiàn)[24]中的方法進(jìn)行。懸浮物和葉綠素a 的散射特性使用文獻(xiàn)[25]中的方法測量。有色可溶性有機(jī)物（CDOM）的濃度用其在440 nm 處的吸收系數(shù)表示，采用紫外/可見光分光光度計(jì)測量吸光度，然后將吸光度轉(zhuǎn)換為吸收系數(shù)[26]，測定的CDOM 吸收系數(shù)（λ=440 nm）數(shù)值范圍在0.22~1.33 m–1。

2 研究方法

2.1 Hydrolight 模擬

Hydrolight 模型以水體輻射傳輸理論為依據(jù)，模擬太陽光經(jīng)過水、大氣時(shí)被吸收、散射的情況[27]。太湖水體組分構(gòu)成符合純水、葉綠素a、CDOM 和懸浮物四組分模型，因此選用CASE 2 IOPS 模式對(duì)太湖水體反射率Rrs進(jìn)行模擬。在該模式下，利用水體各組分的固有光學(xué)參數(shù)和環(huán)境變量作為輸入模擬遙感反射率。

外界環(huán)境條件中的水面風(fēng)速設(shè)為5 m/s，太陽高度角設(shè)為60°，水體的折射指數(shù)設(shè)為1.34；天空輻射傳輸模型選用RADTRAN 模型，天氣狀況參數(shù)采用模型默認(rèn)值。

水體各組分吸收和散射部分的輸入?yún)?shù)可參照式（2）~（5）和54 組實(shí)測數(shù)據(jù)設(shè)定，水體反射率Rrs和水體總吸收系數(shù)a(λ) 、 水體總后向散射系數(shù)bb(λ)之間的關(guān)系可表示為

式中f和Q為太陽天頂角的函數(shù)，均受太陽高度角、觀測角度的影響；t為氣水界面的透射系數(shù)，通常取0.98；n為水體折射指數(shù)，通常取1.34。

水體總吸收系數(shù)a(λ) 和 水體總后向散射系數(shù)bb(λ)可以認(rèn)為是水體不同組分貢獻(xiàn)的線性疊加，每個(gè)組分的固有光學(xué)量可以表示為單位固有光學(xué)量和相關(guān)成分濃度的乘積[28]。其中a(λ)由純水、葉綠素a、懸浮物、CDOM 等4 部分吸收貢獻(xiàn)組成，水體后向散射bb(λ)由純水、葉綠素a、懸浮物等3 部分貢獻(xiàn)的后向散射組成，計(jì)算公式分別為：

式中aw(λ)和bw(λ) 分別為波長λ處純水的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，其中aw(λ)采用文獻(xiàn)[29]中的數(shù)值，純水的散射系數(shù)采用文獻(xiàn)[30]中模型的數(shù)值，如圖3（a）所示；w為純水的后向散射比例，取值為0.5；(λ)和b?chla(λ)分別為波長λ處葉綠素a 的比吸收系數(shù)和比散射系數(shù)，兩者的輸入值來源于圖3（b）所示的54 組樣點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值；ρchla為葉綠素a 濃度，由測得的54 組樣點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)計(jì)算；chla為葉綠素a 的后向散射比例，參照文獻(xiàn)[31]中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值設(shè)置為0.005；a*tsm(λ)和b*tsm(λ)分別為波長λ處懸浮物的比吸收系數(shù)和比散射系數(shù)，以圖3（c）中計(jì)算的54 組樣點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值作為兩者的輸入；ρtsm為懸浮物濃度，根據(jù)測量的54 組樣點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)求得；tsm為懸浮物的后向散射比例，參照文獻(xiàn)[31]中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值設(shè)置為0.028；acdom(440)為波長440 nm 處CDOM 的吸收系數(shù)，表示CDOM 濃度，由測量的54 組樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)算得；(λ) 為 波長λ處CDOM 的比吸收系數(shù)，其與acdom(440)之間符合指數(shù)衰減模型，具體關(guān)系為

圖3 Hydrolight 模型中設(shè)定的固有光學(xué)參數(shù)Fig.3 Intrinsic optical parameters set in the Hydrolight model

式中Sg為CDOM 吸收光譜的指數(shù)函數(shù)斜率。本文計(jì)算的54 組太湖CDOM 吸收光譜Sg平均值約為0.015。

2.2 反射率與三要素相關(guān)性分析

由于模擬光譜數(shù)據(jù)是連續(xù)的分布，需要利用SDGSAT-1 MII 傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)將模擬光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積，轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星對(duì)應(yīng)通道的反射率，計(jì)算方法如下：

式中R(Bi) 為 SDGSAT-1 第i通道的反射率；Rrs(λ) 為間隔為1 nm 的模擬光譜反射率； λ1、 λ2為衛(wèi)星第i通道兩端的波長；g(λ)為SDGSAT-1 MII 傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)。Hydrolight 模擬的光譜數(shù)據(jù)波長為400~800 nm，其波長范圍覆蓋SDGSAT-1 MII 第2~6 通道的反射率。

文獻(xiàn)[32]的研究表明，對(duì)反射率進(jìn)行比值、差值處理后再應(yīng)用到反演模型中能夠提高反演效果。因此，本文將模擬反射率轉(zhuǎn)換為SDGSAT-1 MII 通道反射率后，再對(duì)反射率繼續(xù)進(jìn)行比值、差值處理，分別得到比值反射率組合R′(Bi/Bj) 和 差值反射率組合R′(Bi-Bj)，即：

式中R(Bj)表示模擬的SDGSAT-1 第j通道的反射率。

然后，對(duì)不同反射率組合與葉綠素a、懸浮物、CDOM 三種要素濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為

式中m為樣本序號(hào)；z為樣本量總個(gè)數(shù)；x為從不同反射率組合中選取的變量的取值；y為從葉綠素a濃度、懸浮物濃度、CDOM 濃度中選取的變量的取值；、分別是變量x、y的均值。

相關(guān)性分析還包括顯著性雙尾檢驗(yàn)，目的是檢驗(yàn)變量之間相關(guān)關(guān)系是否顯著，相關(guān)系數(shù)r和統(tǒng)計(jì)量t的關(guān)系可表示為

根據(jù)雙尾檢驗(yàn)中的顯著性p值范圍，判斷變量間的相關(guān)性是否顯著以及顯著性級(jí)別，p值與t之間存在的關(guān)系為

當(dāng)p>0.05 時(shí)，表示不存在顯著相關(guān)關(guān)系；當(dāng)p<0.01 時(shí)，表示在0.01 級(jí)別（雙尾）的相關(guān)性顯著；當(dāng)p<0.05 時(shí)，表示在0.05 級(jí)別（雙尾）的相關(guān)性顯著。

2.3 反演模型構(gòu)建

為避免葉綠素a、CDOM 等光學(xué)因子對(duì)懸浮物濃度反演的影響，研究選擇與懸浮物呈顯著強(qiáng)相關(guān)，同時(shí)與葉綠素a、CDOM 相關(guān)性較弱的反射率組合為反演因子，建立懸浮物濃度反演模型。以反演因子為自變量（包括比值反射率組合或差值反射率組合），懸浮物濃度作為因變量分別構(gòu)建指數(shù)模型、線性模型、對(duì)數(shù)模型、二次模型與冪模型等5 種模型形式。

2.4 反演模型驗(yàn)證

利用均方根誤差ERMS、平均絕對(duì)百分比誤差EMAP、歸一化均方根誤差ENRMS三個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式分別為：

其中，y′k表示第k個(gè)樣點(diǎn)的懸浮物反演值；h為樣點(diǎn)數(shù)；yk表示第k個(gè)樣點(diǎn)的懸浮物實(shí)測值；S為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的函數(shù)。

3 研究結(jié)果

3.1 Hydrolight 反射率模擬結(jié)果

模擬波段范圍選擇400~800 nm，模擬間隔為1 nm，通過輸入54 個(gè)樣點(diǎn)的葉綠素a、懸浮物、CDOM 吸收系數(shù)（λ=440 nm）的實(shí)測數(shù)據(jù)，以及設(shè)定的各組分吸收和散射部分的固有光學(xué)數(shù)據(jù)，得到54 組模擬光譜，模擬反射率和實(shí)測反射率數(shù)值較為接近，結(jié)果如圖4 所示，54 組模擬光譜與實(shí)測光譜擬合后的決定系數(shù)R2為0.906，兩者存在較為顯著的線性關(guān)系。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測光譜與模擬光譜的相關(guān)系數(shù)，圖5 為54 組實(shí)測樣點(diǎn)的葉綠素a 濃度、懸浮物濃度和CDOM 吸收系數(shù)（λ=440 nm）數(shù)據(jù)及其模擬光譜和實(shí)測光譜的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明所有樣點(diǎn)的模擬光譜與實(shí)測光譜的相關(guān)系數(shù)均在0.93 以上，其中相關(guān)系數(shù)在0.95 以上的樣點(diǎn)占比83.3%，可見模擬反射率能夠作為相關(guān)性理論分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 模擬反射率與實(shí)測反射率擬合Fig.4 Fitting of simulated reflectance and measured reflectance

圖5 每個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測濃度數(shù)據(jù)以及其模擬光譜和實(shí)測光譜的相關(guān)系數(shù)Fig.5 The measured concentration data of each sample point and the correlation coefficient between the simulated and measured spectrum

3.2 相關(guān)性分析結(jié)果

為分析在不同區(qū)間的懸浮物濃度范圍下，不同反射率組合與懸浮物、葉綠素a 及CDOM 的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)聚類方法中的貝葉斯準(zhǔn)則確定區(qū)間個(gè)數(shù)為3，然后對(duì)分界點(diǎn)取整數(shù)，據(jù)此把樣點(diǎn)劃分為15~48 g/m3、48~80 g/m3以及80~145 g/m3三個(gè)范圍等級(jí)。在這3 個(gè)懸浮物濃度范圍以及整個(gè)懸浮物濃度范圍（15~145 g/m3）下，進(jìn)行懸浮物濃度、葉綠素a 濃度、CDOM 濃度（以下簡稱三要素濃度）與20 個(gè)比值反射率組合和20 個(gè)差值反射率組合的相關(guān)性分析（結(jié)果如圖6 和圖7 所示），主要結(jié)論如下：

圖6 不同濃度范圍下比值組合反射率與三要素濃度的相關(guān)性Fig.6 Correlation between ratio combined reflectance and three-element concentration in different concentration ranges

圖7 不同濃度范圍下差值組合反射率與三要素濃度的相關(guān)性Fig.7 Correlation between differential combined reflectance and three-element concentration at different concentration ranges

1） 在區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，與懸浮物濃度顯著相關(guān)性高于0.7 的比值組合分別占比45%、15%和55%，而顯著相關(guān)性高于0.7 的差值組合分別占比10%、20%和40%；在不區(qū)分濃度區(qū)間的情況下，與懸浮物濃度顯著相關(guān)程度高于0.7 的比值組合和差值組合均占比50%。

2） 在區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，葉綠素a 濃度與不同反射率組合的顯著相關(guān)性，在懸浮物濃度為15~48 g/m3時(shí)明顯低于另外兩個(gè)濃度區(qū)間；不區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，與葉綠素a 濃度顯著相關(guān)程度高于0.7 的比值組合和差值組合分別占比15%和40%。

3） 在區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，CDOM 濃度與比值組合的顯著相關(guān)性，在三個(gè)濃度區(qū)間下均高于差值組合；不區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，CDOM 濃度與比值組合的顯著相關(guān)程度高于0.7 的占比10%，而與差值組合的相關(guān)性均在0.5 以下。

4） 進(jìn)一步綜合分析三要素相關(guān)性，存在著與懸浮物濃度表現(xiàn)為顯著相關(guān)性，又與葉綠素a 濃度（或CDOM 濃度）呈顯著相關(guān)的反射率組合，這些組合并不適合用于懸浮物濃度反演。在區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，不只與懸浮物濃度顯著相關(guān)的比值組合分別占比55%、35%和50%，差值組合分別占比40%、55%和70%；不區(qū)分濃度區(qū)間時(shí)，不只與懸浮物濃度顯著相關(guān)的比值組合和差值組合分別占比50%和40%。

因此，為避免葉綠素a、CDOM 對(duì)懸浮物反演的影響，需要從中篩選出只與懸浮物濃度呈顯著相關(guān)的組合，看作是懸浮物濃度敏感特征因子，再比較它們與三要素濃度的相關(guān)特征，尋求只與懸浮物濃度存在較強(qiáng)顯著相關(guān)性的敏感因子。不同濃度區(qū)間和整個(gè)濃度區(qū)間三要素濃度與懸浮物濃度敏感因子的相關(guān)性特征結(jié)果如表1 所示。綜合分析發(fā)現(xiàn)，R′(B5/B3)只與懸浮物濃度表現(xiàn)為較強(qiáng)的顯著相關(guān)性，與葉綠素a 和CDOM 濃度相關(guān)性均不明顯，因此直接選取R′(B5/B3)作為反演因子來構(gòu)建懸浮物濃度反演模型。

表1 不同濃度區(qū)間懸浮物敏感因子的相關(guān)性特征Tab.1 Correlation characteristics of suspended matter sensitivity factors

3.3 反演模型構(gòu)建結(jié)果

在相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，以反演因子R′(B5/B3)為自變量x、懸浮物濃度為因變量來構(gòu)建不同反演模型，具體構(gòu)建結(jié)果如表2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建的模型決定系數(shù)均在0.75 以上，其中冪函數(shù)模型（圖8）的R2值較高（R2=0.817），擬合關(guān)系較為理想，建模誤差較小（ERMS=9.89 g/m3，EMAP=1 3.39%，ENRMS=18.97%）。

表2 以 R ′(B5/B3)為反演因子構(gòu)建的不同反演模型Tab.2 Comparison of different suspended matter concentration retrieval models constructed with R ′(B5/B3) as the retrieval factor

圖8 以 R ′(B5/B3)為反演因子的最佳擬合模型Fig.8 Best fit model with R ′(B5/B3) as the retrieval factor

3.4 反演模型驗(yàn)證結(jié)果

3.4.1 基于實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將構(gòu)建的最佳擬合模型應(yīng)用到太湖實(shí)測數(shù)據(jù)集1 中，對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)，模型應(yīng)用效果較好，整個(gè)懸 浮 物 濃 度 區(qū) 間的ERMS為13.70 g/m3，EMAP為18.47%，ENRMS為20.83%。實(shí)測值與反演值的擬合結(jié)果顯示兩者具有線性關(guān)系（圖9），說明以R′(B5/B3)為反演因子構(gòu)建的模型反演結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果有一致性。然而隨著濃度的增加，模型應(yīng)用效果變差，當(dāng)懸浮物濃度大于80 g/m3時(shí)，偏離1∶1 參考線程度較大，為分析原因進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了不同濃度區(qū)間對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)和誤差情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。由表3 可以發(fā)現(xiàn)，80~145 g/m3濃度區(qū)間的ERMS、EMAP和ENRMS明顯高于15~48 g/m3和48~80 g/m3，造成該現(xiàn)象的原因可能與反演模型構(gòu)建過程中大于80 g/m3的高濃度樣點(diǎn)數(shù)量偏少（比例僅為14.8%）有關(guān)。

表3 不同濃度區(qū)間的誤差統(tǒng)計(jì)Tab.3 Error statistics in different concentration intervals

圖9 基于數(shù)據(jù)集1 的懸浮物濃度反演值與實(shí)測值擬合Fig.9 Fitting the suspended matter concentration retrieval value with the measured value based on the

3.4.2 SDGSAT-1 影像懸浮物濃度反演與驗(yàn)證

將反演模型應(yīng)用到2022 年5 月4 日SDGSAT-1 影像，并利用地面與衛(wèi)星同步實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖10 所示。可以看出懸浮物反演值和實(shí)測值基本分布在1∶1 參考線附近，ERMS為4.78 g/m3，EMAP為15.42%，ENRMS為20.19%，說明反演模型對(duì)于太湖地區(qū)的SDGSAT-1 影像懸浮物濃度具有較高的反演精度，適用性較強(qiáng)。

圖10 基于數(shù)據(jù)集2 的懸浮物濃度反演值與實(shí)測值擬合Fig.10 Fitting the inversion values of suspended matter concentration with the measured values based on the dataset 2

太湖水域懸浮物濃度反演結(jié)果的整體空間分布如圖11 所示。該影像的衛(wèi)星過境時(shí)間正處于5 月初，太湖懸浮物反演結(jié)果為0~60 g/m3，整體處于中低濃度水平，空間上具有差異性，分布特點(diǎn)為湖心和東部水域懸浮物濃度較低，而西部作為開放水域懸浮物濃度較高，太湖作為淺水湖泊，其開放水域在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)泥沙再懸浮特征，且有向湖內(nèi)聚集的趨勢。

圖11 2022 年5 月4 日太湖SDGSAT-1 影像懸浮物濃度反演值空間分布Fig.11 Spatial distribution of suspended matter concentration inversion in SDGSAT-1 image of Lake Taihu on May 4,

4 結(jié)束語

水體中的懸浮物會(huì)引起水污染的發(fā)生，監(jiān)測水體中的懸浮物對(duì)了解、掌握和改善水環(huán)境問題至關(guān)重要。由于水體反射率是水體中不同組分（葉綠素a、懸浮物、CDOM）累計(jì)相互作用的結(jié)果，為限制葉綠素a、CDOM 的作用，本文針對(duì)SDGSAT-1 衛(wèi)星MII 傳感器特點(diǎn)，以太湖為例，利用Hydrolight 模型從機(jī)理上探明了只與懸浮物濃度強(qiáng)相關(guān)而與葉綠素a、CDOM 弱相關(guān)的特征敏感因子，并據(jù)此建立了適用于SDGSAT-1 MII 影像的太湖懸浮物濃度反演模型，進(jìn)一步探討了模型對(duì)SDGSAT-1 數(shù)據(jù)的適用性。得出如下結(jié)論：

1） 基于Hydrolight 模型模擬太湖水體輻射傳輸過程，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)R′(B5/B3)與懸浮物濃度表現(xiàn)顯著強(qiáng)相關(guān)（r=0.766（p<0.01））而與葉綠素a 濃度、CDOM 濃度相關(guān)性較弱（r=0.003、0.069），說明該組合是構(gòu)建懸浮物濃度反演模型的最佳波段組合。

2） 以R′(B5/B3)為反演因子，構(gòu)建的不同形式的懸浮物濃度反演模型的決定系數(shù)均在0.75 以上，其中冪函數(shù)模型為最優(yōu)反演模型

3） 將構(gòu)建的模型分別應(yīng)用于實(shí)測數(shù)據(jù)和SDGSAT-1影像數(shù)據(jù)，ERMS分別為13.70 g/m3和4.78 g/m3，EMAP分別為18.47%和15.42%，ENRMS分別為20.83%和20.19%，兩次驗(yàn)證結(jié)果表明反演結(jié)果和現(xiàn)場測量結(jié)果具有較強(qiáng)一致性。

本研究構(gòu)建的SDGSAT-1 懸浮物濃度反演模型在太湖地區(qū)具有良好的適用性，同時(shí)也表明SDGSAT-1衛(wèi)星在懸浮物濃度遙感反演中有著較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，能夠?yàn)樘约捌渌麅?nèi)陸水體的水環(huán)境監(jiān)測與改善提供重要抓手。

致謝感謝可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國際研究中心（International Research Center of Big Data for Sustainable Development Goals）提供的SDGSAT-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)！