基于多極化后向散射系數(shù)的海洋懸浮物反演研究

李致博，劉湘南*,李露鋒

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

基于多極化后向散射系數(shù)的海洋懸浮物反演研究

李致博，劉湘南*,李露鋒

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

以珠江口東岸香港海域?yàn)檠芯繉?duì)象，準(zhǔn)同步獲取實(shí)測(cè)懸浮物濃度和Radarsat-2影像數(shù)據(jù)。對(duì)影像進(jìn)行濾波處理和掩模處理后，利用Radarsat-2四種極化下的后向散射系數(shù)建立懸浮物濃度單極化回歸模型；通過(guò)多極化后向散射系數(shù)構(gòu)造多個(gè)遙感參數(shù)，運(yùn)用相關(guān)性分析得到4個(gè)敏感因子，建立懸浮物濃度多極化回歸模型。最終得到研究區(qū)域懸浮物濃度的反演模型為∶SSC=11.08+0.06(HH+VV)-0.002(HH+VV)2，R2=0.84，其中SSC為懸浮物濃度，HH和VV為該極化下的后向散射系數(shù)，R2為決定系數(shù)。研究表明：HH和VV極化的后向散射系數(shù)之和對(duì)研究區(qū)域懸浮物反演最為敏感，得到的反演模型能較好預(yù)測(cè)海洋懸浮物的分布情況。

懸浮物濃度；極化；后向散射系數(shù)；相關(guān)分析；回歸模型

海洋懸浮物是指懸浮在海水中的固體物質(zhì)，包括不溶于水中的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及泥砂、黏土、微生物等。懸浮物濃度（Suspended Solids Concentration，SSC）直接影響海水的透明度、粗糙度和介電常數(shù)等，是海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。這一領(lǐng)域的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得大量成果。Blondean等結(jié)合SeaWIFS和MODIS數(shù)據(jù)反演了英吉利海峽西部的葉綠素與懸浮物質(zhì)濃度[1]。丁曉英等利用近20 a的TM數(shù)據(jù)，建立了反演廣東省韓江口懸浮泥沙濃度的對(duì)數(shù)模型[2]。

實(shí)地測(cè)量法，耗費(fèi)大量的人和物力，數(shù)據(jù)測(cè)量及更新周期長(zhǎng)。光學(xué)遙感克服了實(shí)地測(cè)量法的缺點(diǎn)，卻受到氣候條件的限制，不能及時(shí)連續(xù)地獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)瑞利散射，微波在空氣傳播時(shí)散射強(qiáng)度遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光，具有很強(qiáng)的穿透性，受氣候及天氣條件的影響很小[3]。因此，微波遙感研究懸浮物濃度既繼承了光學(xué)遙感的優(yōu)點(diǎn)又彌補(bǔ)了光學(xué)遙感的不足。

1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

珠江口東岸香港海域的經(jīng)緯度范圍為113°34'E～114°17'E，22°09'N～22°48'N。近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，大量生活污水和工業(yè)廢水排入海洋，使得海洋懸浮物濃度上升，水質(zhì)降低。

1.1 數(shù)據(jù)采集

遙感數(shù)據(jù)為加拿大高分辨率商用雷達(dá)衛(wèi)星Radarsat-2獲得的C波段四極化精細(xì)波束模式影像數(shù)據(jù)，包括HH、HV、VH、VV四種不同極化方式的單層數(shù)據(jù)，入射角25°～28°，地面分辨率12 m*8 m。

實(shí)測(cè)懸浮物濃度是本項(xiàng)目組根據(jù)國(guó)家懸浮物濃度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集的，共得到50個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)異常值剔除后剩余45個(gè)，30個(gè)用于建立模型，15個(gè)用于模型檢驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 濾波處理

本研究選取Enhance Lee濾波對(duì)四種極化下的后向散射系數(shù)影像進(jìn)行去噪處理[4]。圖1是對(duì)HH極化下的后向散射系數(shù)影像進(jìn)行Enhance Lee濾波處理的效果對(duì)比圖。通過(guò)處理我們發(fā)現(xiàn)：處理后的影像灰度對(duì)比度明顯增加，細(xì)節(jié)體現(xiàn)更好，平均亮度要大于處理前的影像，斑點(diǎn)噪聲明顯降低。

圖1 原始HH極化后向散射影像Enhance Lee濾波前后對(duì)比

1.2.2 掩膜處理

掩膜處理是用掩膜除掉陸地信息，消除其對(duì)有用信息的影響，提高了信噪比。最常用的掩膜處理是閾值分割法[5]，通過(guò)對(duì)VH極化下后向散射系數(shù)影像的研究，選取-25 dB作為掩模的閥值，圖2為VH極化下后向散射系數(shù)影像進(jìn)行掩模處理的效果圖：處理后陸地部分的后向散射系數(shù)為零，在圖中高亮顯示。由于掩模處理只是制作了一個(gè)模具將陸地信息掩蓋，而四種極化下的后向散射系數(shù)影像為同一地區(qū)同一時(shí)間的，因此其具有基本一致的海陸界線，故將該掩模應(yīng)用于其余三種影像去除陸地噪聲。

圖2 VH影像掩膜處理效果圖

2 原理與方法

根據(jù)雷達(dá)方程可知，雷達(dá)的回波功率與雷達(dá)的發(fā)射功率、天線增益、發(fā)射波長(zhǎng)和地物目標(biāo)的后向散射系數(shù)成正比，與雷達(dá)到地物目標(biāo)的距離成反比，其中雷達(dá)的發(fā)射功率、天線增益和發(fā)射波長(zhǎng)是雷達(dá)的固有參數(shù)。因此當(dāng)微波遙感所用雷達(dá)確定后，雷達(dá)的回波功率就與地物目標(biāo)的后向散射系數(shù)直接相關(guān)，而地物目標(biāo)的后向散射系數(shù)由其自身的復(fù)介電常數(shù)、坡度和表面粗糙度等理化性質(zhì)決定[6]。根據(jù)學(xué)者的研究，水體的組分和粒徑因素等可以影響水體的后向散射系數(shù)[7]。海洋懸浮物的存在影響了海水組分、海水中的粒徑因素以及海水渾濁度等海水固有的理化性質(zhì)，從而影響了海水的后向散射系數(shù)并最終在雷達(dá)影像上形成響應(yīng)。同時(shí)，為了避免海洋風(fēng)場(chǎng)對(duì)后向散射系數(shù)的影響，本研究采取兩項(xiàng)措施，一是在數(shù)據(jù)采集時(shí)選擇天氣晴朗風(fēng)平浪靜的氣候條件，二是采用直方圖最小值法，即給四種極化下的所有后向散射系數(shù)值減去該極化下最小的后向散射系數(shù)值，該方法假設(shè)后向散射系數(shù)的最小值主要是由海洋風(fēng)場(chǎng)所造成的，可以減少海洋風(fēng)場(chǎng)對(duì)本研究的干擾。微波對(duì)水的穿透能力不強(qiáng)，因此，本研究反演的海洋懸浮物濃度均為海表懸浮物濃度。本研究首先從四種極化的后向散射系數(shù)影像中分別提取與35個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)；其次，分別對(duì)四種極化下的后向散射系數(shù)與實(shí)測(cè)懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)分析并建立回歸模型；再次，利用四種極化的后向散射系數(shù)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算構(gòu)造多個(gè)遙感參數(shù)，與實(shí)測(cè)懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)分析，得到懸浮物濃度的敏感因子，并建立回歸模型；最后，選取其中較好的模型進(jìn)行檢驗(yàn)并將其應(yīng)用于原始影像得到研究區(qū)域內(nèi)懸浮物濃度分布圖，通過(guò)對(duì)比分析最終確定研究區(qū)域內(nèi)的懸浮物濃度反演模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 懸浮物濃度反演模型建立

海洋懸浮物濃度反演模型主要分為兩類：一是理論模型，即以大氣物理和海洋光學(xué)的基本特性為依據(jù)，從理論上導(dǎo)出反射率隨懸浮物濃度變化的基本關(guān)系[8-10]；二是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即通過(guò)遙感數(shù)據(jù)和同步測(cè)量或者準(zhǔn)同步測(cè)量數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系式[11-13]。這一領(lǐng)域的研究，光學(xué)遙感相對(duì)成熟，而微波遙感相對(duì)較少。雷達(dá)發(fā)射微波，通過(guò)接收回波信號(hào)來(lái)探測(cè)地物目標(biāo)，所以，地物目標(biāo)的信息載體為散射回波，而散射回波的表征量即為后向散射系數(shù)，這與光學(xué)遙感的基本原理一致，所不同的是光學(xué)遙感中地物目標(biāo)信息表征量為光譜反射率。因此，光學(xué)遙感的反演懸浮物濃度的思路和方法值得借鑒。

圖3 懸浮物濃度單極化回歸模型對(duì)比圖

3.1.1 懸浮物濃度單極化回歸模型

本研究所用數(shù)據(jù)為單波段全極化SAR影像，不同的極化方式下，后向散射系數(shù)是不一樣的。首先，利用NEST軟件分別從四種極化下的后向散射影像上提取與實(shí)測(cè)懸浮物濃度對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)，然后與懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)分析并建立懸浮物濃度的單極化回歸模型，其結(jié)果如圖3所示。

由建模結(jié)果發(fā)現(xiàn)：整體上，懸浮物濃度與后向散射系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；HH極化下的回歸模型優(yōu)于其他3種極化的回歸模型，但是效果并不特別理想。因此，進(jìn)一步建立懸浮物濃度的多極化回歸模型。

3.1.2 懸浮物濃度多極化回歸模型

光學(xué)遙感中，經(jīng)常用不同波段的光譜反射率代數(shù)組合來(lái)表征某一地物目標(biāo)，NDVI就是其中的代表。基于這一思路，本研究利用4種極化下后向散射系數(shù)的代數(shù)組合構(gòu)造24個(gè)遙感參數(shù)，構(gòu)造遙感參數(shù)時(shí)，為了表述方便，用極化方式表示該極化方式下的后向散射系數(shù)。構(gòu)造的遙感參數(shù)及其與懸浮物濃度相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 遙感參數(shù)及其與懸浮物濃度相關(guān)系數(shù)

圖4 懸浮物濃度多極化回歸模型對(duì)比圖

從比值、和值、差值和復(fù)合參數(shù)中分別選取相關(guān)系數(shù)最高的作為懸浮物濃度的比值、和值、差值和復(fù)合敏感因子，其為：VH/HH、VV+HH、HH-VH 和(VH+HH)/(HH-VH)。以此建立懸浮物濃度的4類多極化回歸模型，其結(jié)果如圖4所示。

由建模結(jié)果可知：VV+HH敏感因子的回歸模型擬合系數(shù)高于其他敏感因子的，總體效果最為理想。

3.2 懸浮物濃度反演模型討論

通過(guò)對(duì)上述懸浮物濃度回歸模型的建模過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）同向極化（HH和VV）即雷達(dá)發(fā)射的和接收的是同一類型極化波的回歸模型優(yōu)于異向極化（HV和VH）的回歸模型。根據(jù)瑞利散射理論，當(dāng)一種極化波遇到多次較強(qiáng)的散射后，會(huì)改變其極化方式[14]。對(duì)于本研究而言，雷達(dá)發(fā)射的極化波，在遇到海面及懸浮物散射后，部分極化波會(huì)改變其極化方式，由于海面相對(duì)較平滑，這種散射并不是很強(qiáng)，所以大部分極化波不會(huì)改變其極化方式，因此，同向極化接收的回波信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，回歸效果相對(duì)較好；

（2）平方回歸模型好于各自的線性回歸模型。當(dāng)懸浮物濃度達(dá)到某一值時(shí)，其對(duì)后向散射系數(shù)的影響趨于飽和，后向散射系數(shù)的變化將不再是懸浮物濃度所導(dǎo)致的，因而，懸浮物濃度不再隨著后向散射系數(shù)的變化而變化。在線性回歸模型中懸浮物濃度隨后向散射系數(shù)的增大而一直增大，平方回歸模型中懸浮物濃度隨后向散射系數(shù)的增大而增大但最終趨于平緩，因此，平方回歸模型更加接近實(shí)際情況，效果優(yōu)于線性回歸模型；

（3）比值參數(shù)和差值參數(shù)與懸浮物濃度的相關(guān)系數(shù)普遍低于其對(duì)應(yīng)的和值參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，比值敏感因子和差值敏感因子的回歸模型劣于和值敏感因子的回歸模型，復(fù)合敏感因子回歸模型效果介于兩者之間。這是由于比值運(yùn)算和差值運(yùn)算將單極化各自的有效信息互相削弱了，而和值運(yùn)算將單極化各自的有效信息擴(kuò)大了。和值敏感因子（VV+HH）的回歸模型擬合系數(shù)最高，效果最好，這一結(jié)果與（2）中的討論結(jié)果一致。

在上述討論中，以回歸模型的決定系數(shù)作為模型好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然而擬合系數(shù)只是評(píng)價(jià)回歸模型的一種標(biāo)準(zhǔn)而并非唯一標(biāo)準(zhǔn)。本研究從單極化和4類多極化回歸模型中分別選取本類模型中決定系數(shù)最高的5個(gè)模型，由于差值敏感因子（HH-VH）的回歸模型決定系數(shù)（0.69）太低，所以除去該模型剩余4個(gè)模型，進(jìn)一步做模型檢驗(yàn)及應(yīng)用，以便結(jié)合決定系數(shù)、檢驗(yàn)效果和應(yīng)用效果三者更好地比較各類回歸模型。選取的4個(gè)模型如表2所示：

表2 選取的4個(gè)懸浮物濃度回歸模型

3.3 懸浮物濃度反演模型檢驗(yàn)及應(yīng)用

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，共有45個(gè)實(shí)測(cè)懸浮物濃度數(shù)據(jù)，其中30個(gè)用于建模，剩余15個(gè)用于模型檢驗(yàn)，將這15個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位置的后向散射系數(shù)分別代入模型1-4中得到4組預(yù)測(cè)懸浮物濃度值，每組15個(gè)，并計(jì)算每個(gè)模型檢驗(yàn)的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差。其檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 4個(gè)模型檢驗(yàn)結(jié)果圖

由圖5可知，4個(gè)模型中3號(hào)和14號(hào)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值都偏差較大，這可能是由于3號(hào)和14號(hào)站點(diǎn)更靠近珠江口，污染較為嚴(yán)重，其余站點(diǎn)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值偏差較小，模型3和模型4的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差低于模型1和模型2，檢驗(yàn)效果較好。將這4個(gè)模型應(yīng)用于原始SAR影像，利用ENVI中的波段運(yùn)算及密度分割功能[15]得到研究區(qū)域內(nèi)的預(yù)測(cè)懸浮物濃度分布圖，如圖6所示。

圖6 4個(gè)模型的懸浮物濃度分布圖

根據(jù)香港環(huán)境保護(hù)署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)平均懸浮物濃度為8.75 mg/L，模型3預(yù)測(cè)懸浮物分布圖中大部分海域懸浮物濃度為1級(jí)和2級(jí)，最接近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)效果最好。由模型3預(yù)測(cè)懸浮物分布圖可知：研究海域懸浮物濃度總體處于中低水平，大部分海域懸浮物濃度在0～5 mg/L和5～10 mg/L范圍內(nèi)；懸浮物濃度分布呈現(xiàn)由近岸海域向中心海域遞減的趨勢(shì)，原因是近岸海域較淺，沉積懸浮物多，海水漲潮退潮時(shí)容易卷起底部沉積物形成懸浮物，加之河流帶來(lái)的陸地懸浮物多在河口處富集，流向中心海域時(shí)，由于各種海洋理化性質(zhì)的變化，懸浮物易發(fā)生沉降，其濃度明顯降低；維多利亞灣海域比其他海域懸浮物濃度高，這是由于維多利亞港經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口集中以及人為活動(dòng)頻繁等因素造成。

綜合考慮決定系數(shù)、檢驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)懸浮物濃度分布的效果，最終確定研究區(qū)域內(nèi)懸浮物濃度的反演模型為模型 3：SSC=11.08+0.06(HH+VV)-0.002(HH+VV)2，R2=0.84。

4 結(jié)論

通過(guò)上述懸浮物濃度反演模型的研究得到以下結(jié)論：（1）珠江口東岸香港海域的懸浮物濃度總體上處于中下水平，污染程度不嚴(yán)重；懸浮物濃度呈現(xiàn)靠近海岸區(qū)域高，遠(yuǎn)離海岸區(qū)域低的特點(diǎn)；維多利亞灣海域比其他海域懸浮物濃度高。（2）多極化后向散射系數(shù)可以用來(lái)反演懸浮物濃度，兩者總體呈正相關(guān)關(guān)系；同向極化反演效果優(yōu)于異向極化；平方回歸效果好于簡(jiǎn)單的線性回歸。（3）多種極化方式下后向散射系數(shù)的比值差值組合并不能很好地提高反演的效果，和值組合較好的提高了反演的精度及效果，最終得到本研究區(qū)域內(nèi)懸浮物濃度的經(jīng)驗(yàn)反演模型為：SSC=11.08+0.06(HH+VV)-0.002(HH+VV)2，該模型的決定系數(shù)R2為0.84，檢驗(yàn)結(jié)果較好，能夠較理想地預(yù)測(cè)研究區(qū)域的懸浮物濃度分布情況。

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Inverse Model of the Ocean Suspended Solids Based on Multi-polar Backscattering Coefficient

LI Zhi-bo,LIU Xiang-nan,LI Lu-feng
(China University of Geosciences （Beijing） Information Technology Institute,Beijing 100083,China)

Taking East coast of the Pearl River Estuary-Hong Kong Sea as research object,the suspended solids concentration(SSC)and Radarsat-2 image data are quasi-synchronized acquired to be filtered and masked.Then,the SSC single-polar regression model is established using Radarsat-2 four polarized backscattering coefficient.Multiple remote sensing parameters are constructed using multi-polarization backscatter coefficient.Four sensitive factors are obtained using the correlation analysis.Finally,the multi-polar regression model of SSC is established.The regression model is:SSC=11.08+0.06(HH+VV)-0.002(HH+VV)2,R2=0.84,which HH and VV is backscatter coefficient of HH and VV polarization,R2is determination coefficient.The results show that:The sum of HH and VV polarized backscattering coefficient is most sensitive to the study area SSC and the inverse model can predict the distribution of SSC better.

suspended solids concentration;polarization;backscattering coefficient;correlation analysis;regression model

P7；TP7

B

1003-2029（2011）04-0068-06

2011-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U0933005）

李致博 (1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用、海洋遙感和地學(xué)遙感。Email：lzb04505221dyl@126.com

劉湘南，教授，博導(dǎo)。Email:liuxncugb@163.com