基于神經(jīng)網(wǎng)絡的長江口深水航道海域懸浮泥沙濃度研究

張宏，韓震,2,3

( 1. 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306； 2. 上海海洋大學防災減災中心，上海 201306；3. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室，上海 201306 )

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的長江口深水航道海域懸浮泥沙濃度研究

張宏1，韓震1,2,3

( 1. 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306； 2. 上海海洋大學防災減災中心，上海 201306；3. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室，上海 201306 )

航道治理和維護的核心問題為泥沙問題。在充分分析遙感和遙測數(shù)據(jù)的基礎上，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對長江口深水航道海域懸浮泥沙濃度進行了研究。當隱含層神經(jīng)元個數(shù)為8時，預測效果最好，網(wǎng)絡的RMSE僅為0.102，網(wǎng)絡的擬合度達到0.899。預測的最大相對誤差為28%，最小相對誤差為6%，總的相對誤差為21.5%。

遙感；遙測；懸浮泥沙；BP神經(jīng)網(wǎng)絡；長江口深水航道

研究河口區(qū)高濃度懸浮泥沙水體，傳統(tǒng)的方法多是采取定點測量，這不僅不能全面地反映整個水域的情況，而且耗費大量的人力、物力和財力。而衛(wèi)星遙感技術(shù)在大面積水域懸浮泥沙定量監(jiān)測研究中具有一定的優(yōu)勢。關(guān)于利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行懸浮泥沙濃度的研究，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的工作。李四海等[1]利用海洋水色衛(wèi)星SeaWiFS數(shù)據(jù)和準同步實測表層含沙量資料，建立了長江口區(qū)懸浮泥沙遙感定量模式；王芳等[2]建立了基于MODIS遙感數(shù)據(jù)和泥沙粒徑二元特征參數(shù)的主成分和神經(jīng)網(wǎng)絡兩種泥沙濃度的反演模型,并對比分析了這兩類模型的反演精度以及泥沙粒徑因子對模型的影響；Keiner等[3]利用TM影像前3個波段作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，估算了特拉華灣海域表層懸浮泥沙的濃度，模型的RMS小于10%，比多元回歸模型的效果好；Zhang Yuanzhi等[4]結(jié)合TM數(shù)據(jù)和SAR數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法估算了芬蘭河灣的懸浮泥沙濃度，模型的R2和RMSE分別為0.89和0.72；Kishino等[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型，使用ASTER數(shù)據(jù)反演了東京海灣懸浮物質(zhì)的濃度，取得了較好的效果。盡管國內(nèi)外學者在懸浮泥沙遙感領域做了許多工作，但是利用遙感和遙測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，進行懸浮泥沙濃度反演研究的較少。本文在充分分析遙感和遙測數(shù)據(jù)的基礎上，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對長江口深水航道海域懸浮泥沙濃度進行了研究，取得了比較理想的結(jié)果。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)源為2007年7月28日、2008年3月24日和2008年4月25日的TM數(shù)據(jù)。懸浮泥沙實測濃度為長江口深水航道科學試驗中心“長江口深水航道水文、泥沙、波浪自動遙測系統(tǒng)”的同步遙測數(shù)據(jù)，本次研究數(shù)據(jù)總共有22組，從低濃度到高濃度隨機選取16組數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練樣本，剩余的6組數(shù)據(jù)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的驗證。圖1為“長江口深水航道水文、泥沙、波浪自動遙測系統(tǒng)”站位示意圖。

圖1 “長江口深水航道水文、泥沙、波浪自動遙測系統(tǒng)”站位分布圖Fig. 1 Station distribution map of “Hydrology, sand, wave automatic telemetry system of the Yangtze estuary deepwater channel”

1.2 遙感數(shù)據(jù)預處理[6,7]

TM數(shù)據(jù)的反射率采用式（1）和式（2）進行計算。

輻射亮度計算：

式中：DN為圖像的像元灰度值，取值范圍為0—255；Lλ為輻射亮度；Gain為增益；Bias為偏差； 為行星反射率；d為日地距離參數(shù)；ESUN為太陽光譜輻射量；θ為太陽天頂角。表1 為反射率計算所使用的各參數(shù)值。

表1 反射率計算使用的各參數(shù)值Tab. 1 Parameter values for computing reflectance

此外，利用ENVI 4.5軟件對TM反射率圖像進行了幾何校正，配準圖像采用研究區(qū)1∶5萬地形圖，校正后的像元誤差小于0.5個像元。

1.3 遙測數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)的泥沙觀測方法為利用測量儀器（例如OBS）進行現(xiàn)場單點或走航測量。由于監(jiān)測費用昂貴，往往現(xiàn)場僅布置少數(shù)幾個單點(垂線)或斷面，且易受氣候環(huán)境影響，如無法獲取臺風、暴雨等惡劣氣候條件下的泥沙數(shù)據(jù)。“長江口深水航道水文、泥沙、波浪自動遙測系統(tǒng)” 是在YJD-500NT基礎上開發(fā)出來的水文氣象多要素實時監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件平臺，可全天候、實時地接收長江口深水航道水域的水文、泥沙、波浪數(shù)據(jù)，主要由7個浮標和3個平臺構(gòu)成（見圖1）。各個站點的懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)見圖2，其中0值代表該站點數(shù)據(jù)缺失。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，南槽東平臺站位的懸浮泥沙濃度最高，其次就是南槽東站位，2007年7月28日南槽上、牛皮礁、W3、北槽中、橫沙各站位泥沙濃度緩慢增大，但都低于0.3 g/L ；2008年3月24日南槽上、牛皮礁及W3站位泥沙濃度大約為0.6 g/L，而口外、北槽中、橫沙及北槽中平臺各站位泥沙濃度則低于 0.6 g/L；2008年 4月25日南槽上、牛皮礁、W3站位泥沙濃度呈逐步上升趨勢，但都低于0.6 g/L，而北槽中站位懸浮泥沙濃度與2008年3月24日基本持平。(經(jīng)和遙測系統(tǒng)人員溝通，南槽東平臺和浮標站位數(shù)據(jù)偏高屬于異常點，故未采用)。

圖2 各站位實測懸沙濃度Fig. 2 Suspended sediment concentration in different stations

2 神經(jīng)網(wǎng)絡

2.1 BP網(wǎng)絡的設計

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一門非線性科學，它能夠解決那些由數(shù)學模型或描述規(guī)則難以處理的問題，且具有較好容錯性能。本研究所使用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種非線性映射人工神經(jīng)網(wǎng)絡，即誤差反向傳播網(wǎng)絡，具有很強的學習和記憶能力，以及結(jié)構(gòu)簡單、可調(diào)參數(shù)多、訓練算法多、可操控性好的優(yōu)點。

本文主要是從網(wǎng)絡的層數(shù)、每層的神經(jīng)元個數(shù)和傳輸函數(shù)、初始權(quán)值、以及學習速率、期望誤差的選取等幾個方面來考慮[8]，利用MATLAB 7.0軟件進行了BP網(wǎng)絡的設計。本研究采用的神經(jīng)網(wǎng)絡模型為三層的反向傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡，第一層為輸入層，中間層為隱含層，第三層為輸出層。各層的神經(jīng)元之間形成連接，各層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒有連接。圖3為一個簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。

對于輸人層神經(jīng)元，其輸出和輸入相同。隱含層的神經(jīng)元的輸出為：

圖3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig. 3 Artificial neural network structure

當對該網(wǎng)絡進行訓練時，首先有若干組訓練樣本，其中的每個樣本由輸入和理想輸出組成；當網(wǎng)絡的所有實際輸出與理想輸出一致時，訓練結(jié)束。否則，通過修改權(quán)重，使網(wǎng)絡的實際輸出與理想輸出一致。

本文在進行神經(jīng)網(wǎng)絡設計時，隱含層和輸出層的傳輸函數(shù)分別為S型正切函數(shù) (tansig) 和S型對數(shù)函數(shù) (logsig)，因為 S型函數(shù)的極限值落在 [0,1] 之間，使得網(wǎng)絡訓練時能夠快速地收斂，同時采用自適應的Levenberg-Marquardt快速學習算法訓練網(wǎng)絡[9]。在設計網(wǎng)絡的訓練過程中，期望誤差值也應當通過對比訓練確定一個合適的值，合適的程度相對于隱含層神經(jīng)元的數(shù)目而言，本網(wǎng)絡的訓練誤差設置為0.01?？紤]到長江口懸浮泥沙光譜反射率具有雙峰特征（第一反射峰位置在600 ～ 700 nm，第二反射峰位置在760 ～820 nm[10]），為了更好地反映懸浮泥沙濃度與遙感影像反射率之間的關(guān)系，輸入層含有三個神經(jīng)元，分別對應TM影像的2波段、3波段和4波段的反射率。

3 結(jié)果與分析

3.1 隱含層神經(jīng)元數(shù)目的確定

為了找到最佳的隱含層神經(jīng)元個數(shù)，通過計算樣本模擬值與實測值之間的Pearson相關(guān)系數(shù) (R) 的平方值和均方根誤差 (RMSE) 來完成，二者的計算公式為：

表2列出了不同神經(jīng)元數(shù)目下模型的預測結(jié)果。從表2可以發(fā)現(xiàn)，隱含層神經(jīng)元為8的BP網(wǎng)絡對函數(shù)的逼近效果最好，因為它的誤差最小。另外，網(wǎng)絡的性能并非隱含層神經(jīng)元的個數(shù)越多越好，當神經(jīng)元個數(shù)增加到10時，誤差反而增大了。圖4是當隱含層神經(jīng)元為8時的網(wǎng)絡訓練停止圖。從圖4可以看出，模型經(jīng)過26次訓練就達到了目標誤差。

表2 不同隱含層神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡模型的R2 和RMSETab. 2 R2 and RMSE of different hidden layer neurons neural network model

3.2 模型的驗證

為了檢驗所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型的預測精度，本文選取剩余的6組數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡進行了驗證（表1）。從表1可以看出，當選擇隱層神經(jīng)元為8時，網(wǎng)絡的RMSE僅為0.102，網(wǎng)絡的擬合度達到 0.899。劉志國等[11]在最小二乘法的基礎上建立了單波段反射率與泥沙濃度關(guān)系的回歸方程，模型的最小RMSE為0.108，模型的最大RMSE為0.316，相對應的R2分別為0.916 3和0.869 6。由此可見，本文的擬合度小于文獻[11]的研究結(jié)果，原因在于文獻[11]模型建立的是單一波段，而本文是整個波段的，但是本文的RMSE比其要好。圖5是神經(jīng)網(wǎng)絡所模擬的值與實測值的一個對比。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，4號浮標（南槽東平臺）位置處的誤差較大。這可能與該水域附近的水動力條件有關(guān)，因為南槽東平臺剛好處于南槽航道（圖1），這里由于淺灘地形和潮流掀沙過程引起的泥沙再懸浮，使懸浮泥沙濃度較高[12]。但是整體來看，預測的最大相對誤差為28%，最小相對誤差為6%，總的相對誤差為21.5%。對比李四海等[13]利用像元灰度法建立的長江河口表層懸浮泥沙線性反演模式（其誤差為24.35%），這個結(jié)果還是比較理想的。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練停止示意圖Fig. 4 Stop training of neural network model

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模擬值和實測值對比Fig. 5 Measurement values and prediction values of BP neural network

4 結(jié) 論

本文以TM影像2、3、4波段的反射率作為輸入，懸浮泥沙濃度作為輸出，結(jié)合遙測的懸浮泥沙濃度，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對長江口深水航道水域懸浮泥沙濃度進行了研究。當隱含層神經(jīng)元數(shù)目為8個時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練效果最好，RMSE僅為0.102，擬合度達到0.899；BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測的最大相對誤差為28%，最小為6%，總的相對誤差為21.5%。本文研究結(jié)果說明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡能比較準確地反演長江口深水航道懸浮泥沙的濃度，可揭示長江口深水航道海域懸浮泥沙的時空分布規(guī)律，為其治理和維護提供技術(shù)支撐。

致謝：對上海河口海岸研究中心劉杰高工在本次研究工作中給予的幫助在此深表謝意。

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Research on suspended sediment concentration of the Yangtze River estuary deepwater channel sea area using neural network

ZHANG Hong1, HAN Zhen1,2,3

( 1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2. Ocean Disaster Prevention and Reduction Center, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;3. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai 201306 , China)

Suspended sediment is one of the most important factors concerning the maintenance of the Yangtze River estuary deepwater channel. By analyzing the remote sensing data and the telemetry data, the paper estimated the suspended sediment concentration in the Yangtze River estuary deepwater channel with BP neural network method.While the neurons number of hidden layer is 8, the prediction is the best, the RMSE is only 0.102 and the fitting degree reaches 0.899. The maximal relative error is 28%; the minimum relative error is 6%; and the total relative error is 21.5%.

Remote sensing; Telemetry; Suspended sediment; BP neural network; The Yangtze River Estuary deepwater channel

TV148.1

A

1001-6932(2010)02-0213-06

2008-05-11；

2009-08-13

上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點項目（08ZZ81）、上海市科委重點項目（08230510700）、教育部科學技術(shù)研究重點項目（209047）、水利公益性行業(yè)科研專項（200701026）資助

張宏 (1984－)，男，安徽涇縣人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境遙感，電子郵箱：lkdd10000@163.com

韓震，教授，博士，電子郵箱：zhhan@shou.edu.cn