基于海面輻射傳輸模型參數(shù)優(yōu)化的黃色物質(zhì)濃度遙感反演

周博天，劉湘南，吳 伶，劉 達

（中國地質(zhì)大學（北京）信息工程學院，北京 100083）

基于海面輻射傳輸模型參數(shù)優(yōu)化的黃色物質(zhì)濃度遙感反演

周博天，劉湘南*，吳 伶，劉 達

（中國地質(zhì)大學（北京）信息工程學院，北京 100083）

根據(jù)水體輻射傳輸原理以及國內(nèi)外學者研究成果，利用經(jīng)驗模式優(yōu)化分析海面輻射傳輸模型的參數(shù)a和bb，提出通過海面輻射傳輸模型的逆運算獲取水體黃色物質(zhì)濃度的半物理半經(jīng)驗反演算法。基于輻射傳輸模型與可靠經(jīng)驗模型的黃色物質(zhì)濃度反演算法所得結果之間的R2=0.832，RMSE=18.67。檢驗結果表明：基于海面輻射傳輸模型的黃色物質(zhì)濃度反演算法是基本可行的。利用該算法與CCD數(shù)據(jù)反演研究區(qū)海域2011年3月、8月、10月、12月的黃色物質(zhì)濃度，并探討黃色物質(zhì)濃度在該區(qū)域的時空分布規(guī)律。

黃色物質(zhì)；海面輻射傳輸模型；參數(shù)優(yōu)化分析；CCD；時空分布

黃色物質(zhì)（CDOM）、懸浮物和浮游植物是海洋水色遙感的三個主要研究對象。黃色物質(zhì)具有獨特的光學特性，能有效地吸收紫外輻射，可以在水生生態(tài)系統(tǒng)中起到保護生物的作用[1]。海水黃色物質(zhì)光學性質(zhì)相對穩(wěn)定，主要由海水成分決定，可以作為水團示蹤因子[2-3]，反映海水的來源和變化情況，在赤潮監(jiān)測和海洋生態(tài)研究方面有廣闊的應用前景。黃色物質(zhì)還是遙感監(jiān)測水質(zhì)分類的主要參數(shù)之一，因此研究其濃度時空變化具有重要的科學意義。

海水中黃色物質(zhì)組成復雜，現(xiàn)有研究主要是對其光學表征的探討：一方面研究黃色物質(zhì)的紫外及可見光波段吸收光譜特性，用于對其進行定量、定性分析[4]；另一方面，黃色物質(zhì)是一類熒光物質(zhì)，具有較高的熒光效率，可用于反演黃色物質(zhì)的理化屬性[5]?，F(xiàn)有對黃色物質(zhì)的研究由于缺乏水體組分光學性質(zhì)定量化和太陽輻射在水中傳輸模擬的探討，主要是關于經(jīng)驗模式的研究，而基于統(tǒng)計方法的經(jīng)驗模式不能解釋海水物質(zhì)成分、大小、形狀和性質(zhì)對光學信號的散射和吸收的影響機理，進而造成經(jīng)驗模式獲取結果的時空局限性和精度局限性。

本文基于海水輻射傳輸理論，利用半物理半經(jīng)驗模式的黃色物質(zhì)濃度反演算法，結合同期研究區(qū)的遙感圖像和實測數(shù)據(jù)，建立了基于海面輻射傳輸模型的黃色物質(zhì)濃度遙感反演算法，達到了大范圍快速精確提取黃色物質(zhì)濃度的目的。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究區(qū)海域為中國香港維多利亞港西側(cè)海域以及大嶼山島的北部與東部海域（中心經(jīng)緯度為114.079°E，22.229°N）。實驗數(shù)據(jù)由中科院南海研究所“南海近海水色要素動態(tài)變化及其機理研究”項目組以及香港環(huán)境保護署(http∶//sc.epd.gov.hk)提供，包括2011年12月25日研究區(qū)海域36個數(shù)據(jù)采樣點的海水可見光深度H、葉綠素a濃度Cchl-a和懸浮物濃度CSPM等實測數(shù)據(jù)，以及同期的國產(chǎn)環(huán)境與資源小衛(wèi)星（HJ-1）CCD數(shù)據(jù)。HJ-1-A/B衛(wèi)星上分別搭載了寬覆蓋（單臺360 km，雙臺700 km）多光譜CCD相機，空間分辨率30 m，軌道高度650 km，重返周期2 d，可以實現(xiàn)對研究區(qū)的大范圍、中尺度、高時間分辨率的覆蓋監(jiān)測。

2 海水輻射傳輸模型

水體下表面遙感反射率rrs是通過上行輻射和下行輻照度來定義的，可表示為：

遙感反射率Rrs定義為離水輻射率和下行輻照度的比值，可以由大氣校正處理后的遙感圖像計算得到。而遙感反射率和水體下表面反射率有著如下的近似關系[6]：

單個海水像元遙感反射率是由該像元內(nèi)海水可見光深度、水中懸浮物質(zhì)（包括黃色物質(zhì)、浮游植物、懸浮顆粒）性質(zhì)和海底光學屬性所決定的函數(shù)。據(jù)此，Lee等[7]提出利用式（1）和式（2）構建海水輻射傳輸模型。本文將對該海水輻射傳輸模型進行逆運算來獲取研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度。

2.1 模型的簡化改進

海水輻射傳輸模型中的海底反射率ρb在水深較淺或者渾濁度較低時會對海水輻射傳輸過程影響顯著，而在相反情況下ρb對海水輻射傳輸過程的影響較小。維多利亞港是香港島和九龍半島之間的海港，由于港闊水深，被喻為世界三大天然良港之一，其附近海域的平均深度達到12 m。根據(jù)香港環(huán)境保護署的數(shù)據(jù)采樣點H實測數(shù)據(jù)，研究區(qū)海域可見光深度最高時可以達到4 m，最低時只有1.6 m，平均值大約為3 m，故本文假設可見光深度為3 m，即CCD數(shù)據(jù)的光學水深為H=3 m，遠小于研究區(qū)海域的實際水深，可見光是無法到達研究區(qū)海底的，因此海水輻射傳輸模型中的海底反射部分可以忽略，即ρb=0。本文將式(1)簡化改進為：

式（2）和式（3）即組成忽略海底反射部分的海面輻射傳輸模型。基于假設ρb=0和H=3 m的海面輻射傳輸模型反演的黃色物質(zhì)濃度是海平面以下3 m內(nèi)的平均濃度。這種依據(jù)實測數(shù)據(jù)的假設既簡化了海水輻射傳輸模型，減少了模型參數(shù)和整體的誤差，又能通過模型反演獲得與人類生活關系最密切的海面部分黃色物質(zhì)濃度，因此海面輻射傳輸模型具有較高的實用性和可靠性。

2.2 參數(shù)優(yōu)化分析

對于黃色物質(zhì)濃度的提取而言，在開闊海域考慮到信噪比和自然水體中黃色物質(zhì)對紫外光的衰減作用，可以考慮用350 nm或更短波長光譜指數(shù)。而在河口或者近岸海域，則通常選用440 nm處的光譜指數(shù)，這是由于黃色物質(zhì)在此波長處吸收重疊的原因，且該波段光譜反射率與黃色物質(zhì)濃度的相關性高，與懸浮物、葉綠素濃度的相關性較低[8]。本文所選研究區(qū)為珠江口東岸香港海域，因此選擇使用440 nm的吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)和光譜反射率反演黃色物質(zhì)濃度。

由于研究區(qū)水體固有光學性質(zhì)數(shù)據(jù)相對缺乏，不能滿足物理模型對參數(shù)的需求，并且現(xiàn)有研究對水體光學性質(zhì)與水體理化參數(shù)之間響應機理的探討不足，故建立基于純粹物理模型的黃色物質(zhì)濃度反演算法條件尚不具備。因此，勢必需要利用經(jīng)驗模型獲得部分海面輻射傳輸模型輸入?yún)?shù)，從而建立基于半物理半經(jīng)驗海面輻射傳輸模型反演黃色物質(zhì)濃度。

二類水體總吸收系數(shù)可表示為：

式中：aw，aNAP，aph，aCDOM分別為純水、懸浮顆粒、浮游植物、黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)。在一定的波段范圍內(nèi)，純水的吸收系數(shù)只與溫度有關，而其它三要素的吸收系數(shù)則與海水環(huán)境和自身形態(tài)有關。

根據(jù)Pope等[9]的研究，純水的吸收系數(shù)為：aw(λ=440 nm)=0.0064。

Babin等[10]指出，在443 nm處懸浮顆粒吸收系數(shù)可以表示為一個與懸浮物濃度（CSPM）相關的線性函數(shù)，即aNAP(λ=443 nm)=η×CSPM，其中 η=0.041 m2/g。又根據(jù)王桂芬等[11]對廣東沿岸海域的研究結果，SNAP的平均值為0.010 3，且aNAP(λ)=aNAP(λ=443 nm)e-SNAP(λ-443)，因此 aNAP(λ=440 nm)=0.0423CSPM。

根據(jù)曹文熙等[12]對珠江口臨近海域的研究，在440 nm處浮游植物吸收系數(shù)可以表示為與葉綠素a濃度（Cchl-a）線性相關的函數(shù)，即 aph(λ=440 nm)=0.0681Cchl-a0.6058。

水體黃色物質(zhì)濃度的表達式為：Y=aCDOM(λ)e0.015λ，由此可以推得，aCDOM(λ=440 nm)=0.0014Y。

因此，研究區(qū)海域水體總吸收系數(shù)為：

二類水體總散射系數(shù)同樣可以表示為水體組分散射系數(shù)的代數(shù)和，但是由于黃色物質(zhì)通常是完全溶解于水中的，它的散射量很小，可以將其忽略。因此，水體總散射系數(shù)可以表示為：

式中：bw，bNAP，bph分別為純水、懸浮顆粒、浮游植物的散射系數(shù)，而bw與bNAP、bph相比可以忽略，即bw=0。Bowers等[13]表明，水體后向散射比率的平均值為0.019，即水體總后向散射系數(shù)可表示為：bb=0.019 b。

根據(jù)楊錦坤等[14]在珠江口臨近海域的研究，懸浮顆粒的吸收系數(shù)為：bNAP(λ)=1.4×CSPM/(λ/550)0.5，即 bNAP(λ=440 nm)=1.5653CSPM。

浮游植物的散射系數(shù)可以表示為：bph(λ)=bph(550)×aph(550)/bph(λ)。又根據(jù)楊頂田等[15]在珠江口海域不同年份相同季節(jié)的研究，bph(λ=550 nm)=0.12 Cchl-a，研究區(qū)海面單位葉綠素a光吸收值aph*(550)的實測平均值為0.1。而浮游植物的吸收系數(shù)可以表示為：aph(λ)=aph*(λ)Cchl-a。并且由上文所述可知 aph(λ=440 nm)=0.0681Cchl-a0.6058。因此，bph(λ=440nm)=0.1762Cchl-a1.3942。

故研究區(qū)海域水體總后向散射系數(shù)為：

3 基于海面輻射傳輸模型的黃色物質(zhì)濃度反演算法

3.1 黃色物質(zhì)濃度反演算法的建立及檢驗

根據(jù)張春桂等[16]在福建沿岸海域的研究可知，反演海面葉綠素a濃度Cchl-a的最佳光譜指數(shù)為M=lg(R448/R551)。根據(jù)楊婷等[17]在太湖的研究可知，反演懸浮物濃度CSPM的最佳波段光譜反射率組合為N=(R556+R670)/(R556/R670)。因為CCD波段1、波段2、波段3范圍分別為 430～520 nm、520～600 nm、630～690 nm，所以M、N可以改寫為M=lg(R1/R2)、N=(R2+R3)/(R2/R3)，其中：R1，R2，R3分別為 CCD 波段 1、波段 2、波段 3 的海面光譜反射率。

本文通過從研究區(qū)鄰近水域較“清潔”水體獲取有關大氣校正參數(shù)，并應用6S輻射傳輸模型對研究區(qū)CCD數(shù)據(jù)進行大氣校正[18]，獲得了CCD數(shù)據(jù)1～4波段的遙感反射率。利用研究區(qū)海域36個數(shù)據(jù)采樣點的葉綠素a濃度Cchl-a、懸浮物濃度CSPM實測數(shù)據(jù)分別與光譜指數(shù)M、N做回歸分析，結果如圖1。

圖1 Cchl-a、CSPM分別與M、N的相關性分析

根據(jù)上述統(tǒng)計回歸模型，運用ENVI的Band Math工具可以獲得葉綠素a濃度Cchl-a、懸浮物濃度CSPM、后向散射系數(shù)bb在研究區(qū)海域分布圖，如圖2～圖4所示。通過CCD數(shù)據(jù)的頭文件可以獲得太陽天頂角θw，因此，式(2)和式(3)所構成的海面輻射傳輸模型中僅剩黃色物質(zhì)濃度Y一個未知數(shù)。

將 Cchl-a、CSPM計算結果代入式(2)和式(3)，利用 MATLAB和ENVI進行波段運算，即可通過海面輻射傳輸模型的逆運算獲得研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度Y，其分布如圖5(a)。

為了檢驗基于海面輻射傳輸模型的黃色物質(zhì)濃度反演算法的可行性和有效性，本文采用陳楚群等[19]設計的利用SeaWiFS數(shù)據(jù)提取珠江口海域黃色物質(zhì)濃度的基于經(jīng)驗模式反演算法，建立黃色物質(zhì)濃度Y與CCD光譜指數(shù)之間的關系模型（式6），并對兩種反演算法提取的黃色物質(zhì)濃度作相關性比較分析來檢驗基于海面輻射傳輸模型反演算法的可靠性。

運用ENVI的Band Math工具可以獲取經(jīng)驗模式反演算法所得Y分布（圖5（b））。如圖5可知，兩種反演算法獲得的黃色物質(zhì)濃度基本在200～300 mg/L范圍內(nèi)。圖6為研究區(qū)海域36個數(shù)據(jù)采樣點的兩種反演算法獲取黃色物質(zhì)濃度的相關性分析結果，R2達到0.832，RMSE為18.67。檢驗結果表明，基于海面輻射傳輸模型反演算法獲取的研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度分布規(guī)律與陳楚群等人在該區(qū)域不同年份相同季節(jié)的研究結果相一致，即認為基于海面輻射傳輸模型的黃色物質(zhì)濃度反演結果基本可靠。

3.2 黃色物質(zhì)濃度時空變化分析

根據(jù)式(2)和式(3)，利用2011年研究區(qū)海域3月、8月、10月、12月的CCD數(shù)據(jù)可以反演得到各時期研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度，其分布如圖7所示。

珠江口臨近海域不同季節(jié)黃色物質(zhì)濃度的分布規(guī)律受多種因素的影響。首先是珠江的匯入。珠江的水質(zhì)屬于重度污染，并且以N、P營養(yǎng)物為主，總氮、總磷和氨氮對水質(zhì)的影響最大，其中許多較高濃度的污染物都是黃色物質(zhì)的重要來源。由于大嶼島北側(cè)海域是珠江的泄水通道，該處水體受到珠江水體的影響比研究區(qū)其它海域大很多。其次是珠江口臨近海域底部沉積物間隙水的影響。在潮汐河口區(qū)，由于徑流和潮流的相互強烈作用，水層結構極不穩(wěn)定，垂向混合顯著。特別是在最大渾濁帶及其附近海域，這種垂向湍流混合作用更加明顯，而垂向混合作用對最大渾濁帶黃色物質(zhì)的輸移過程有重要影響。在此之前已有學者[20-21]發(fā)現(xiàn)在河口最大渾濁帶區(qū)域，水底物質(zhì)的再懸浮作用造成間隙水中的黃色物質(zhì)濃度增加，出現(xiàn)黃色物質(zhì)濃度異常高值。

圖2 研究區(qū)Cchl-a分布

圖3 研究區(qū)CSPM分布

圖4 研究區(qū)bb分布

圖5 兩種模式反演黃色物質(zhì)濃度的分布

圖6 兩種模式反演Y的相關性比較

圖7 研究區(qū)黃色物質(zhì)濃度Y時空分布

在圖7中，近岸尤其是維多利亞港西側(cè)和馬灣海域為黃色物質(zhì)濃度的高值區(qū)域，反映該區(qū)域的黃色物質(zhì)具有明顯的陸源輸入特性。圍繞維多利亞港西側(cè)和馬灣海域向開闊海域擴展，黃色物質(zhì)濃度逐漸減小，愈向外受到海水的混合稀釋作用愈顯著。8月、10月份黃色物質(zhì)濃度高值區(qū)向南延伸明顯遠于3月、12月份，這與研究區(qū)海域沖淡水轉(zhuǎn)向以及大嶼島、香港島沿岸流的季節(jié)變化有關，也與南海表層水團和珠江口洋流流幅夏季寬冬季窄的性質(zhì)相吻合。通過對2011年3月、8月、10月、12月研究區(qū)海域黃色物質(zhì)的研究，確認黃色物質(zhì)濃度的時空變化規(guī)律與各時期研究區(qū)海域的徑流量所導致入海陸源物質(zhì)、間隙水、沖淡水轉(zhuǎn)向和沿岸流等因素有關。

4 結論

本文首先對水體黃色物質(zhì)輻射傳輸過程進行分析，然后根據(jù)實測數(shù)據(jù)對海水輻射傳輸模型作關于可見光深度的簡化改進，再利用經(jīng)驗模式優(yōu)化分析模型的參數(shù)a和bb，通過對模型進行逆運算提取研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度，建立半物理半經(jīng)驗的反演算法，最后利用該算法和CCD數(shù)據(jù)獲取2011年3月、8月、10月、12月份研究區(qū)海域黃色物質(zhì)濃度分布圖（圖7）。因受陸源輸入影響程度的不同，且水體渾濁，光學性質(zhì)復雜，研究區(qū)海域的黃色物質(zhì)濃度分布有明顯的區(qū)域性差異：近岸特別是維多利亞港西側(cè)和馬灣附近海域為黃色物質(zhì)濃度高值區(qū)域，反映出以珠江沖淡水為主的陸源輸入特性；向外海擴展受到海水的混合稀釋作用愈顯著，黃色物質(zhì)濃度逐漸減小，這也說明了黃色物質(zhì)濃度可以作為近岸海域水質(zhì)監(jiān)測的重要參數(shù)。上述結論對于更深入了解珠江口海域水體黃色物質(zhì)的輻射傳輸特性具有重要意義，也為進一步在南海海域建立精確水色三要素的遙感反演算法提供了參考。

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Remote Sensing Retrieval of the Yellow Substance Concentration Based on Parameter-optimizing of the Sea Surface Radiation Transmission Model

ZHOU Bo-tian,LIU Xiang-nan,WU Ling,LIU Da
(School of Information Engineering,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

On the basis of the water radiation transmission principle and the achievement of overseas and domestic scholars,the parameters a and bbof sea surface radiation transmission model were optimally analyzed through empirical mode.The semi-empirical and semi-theoretical retrieval algorithm of the water yellow substance concentration was then proposed by means of the inverse of the sea surface radiation transmission model.The correlation of retrieval results,which were obtained respectively from the yellow substance concentration retrieval algorithm based on the radiation transmission model and that based on the practical empirical model,was R2=0.832,RMSE=18.67.The results demonstrated that the yellow substance concentration retrieval algorithm based on the sea surface radiation transmission model was basically feasible.Therefore,the yellow substance concentration data of March,August,October and December in 2011 could be retrieved by way of the above algorithm and CCD data in the target area.The temporal and spatial distribution of the yellow substance concentration in the target area was also discussed.

yellow substance;sea surface radiation transmission model;optimum analysis of parameter;CCD;temporal and spatial distribution

TP79

A

1003-2029（2012）04-0045-05

2012-07-18

國家自然科學基金資助項目（U0933005）

周博天（1984-），男，博士研究生，從事遙感地學建模與環(huán)境監(jiān)測研究。Email:zhoubotian_gis@sina.com

劉湘南，男，教授，博士生導師。Email:liuxncugb@163.com