輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法

潘 進(jìn)，丁賢榮，康彥彥，葛小平，李 森

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法

潘 進(jìn)1，丁賢榮2，康彥彥3，葛小平2，李 森1

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

利用2006年江蘇908調(diào)查水文泥沙測驗(yàn)數(shù)據(jù)和同期MODIS影像建立遙感定量反演模式，獲取了半個(gè)潮周期的懸沙場以及全潮平均懸沙場，進(jìn)行了輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法的研究，并結(jié)合懸沙數(shù)學(xué)模型對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，在輻射沙脊群海域，敏感參數(shù)(B1-B4)/(B1+B4)的對數(shù)模式反演懸沙場精度較高；遙感反演結(jié)果在總體上與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果相似，懸沙高值區(qū)主要分布在弶港、廢黃河口和長江口附近；在細(xì)節(jié)上比數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)得更精細(xì)，能清晰地反映河口、沙洲、水道等地貌對懸沙分布的影響。

輻射沙脊群；遙感反演；懸沙場；MODIS影像

懸沙場反映懸浮泥沙在海洋環(huán)境動力作用下的時(shí)空分布，對研究沙脊發(fā)育、地貌演變和灘涂圍墾、海岸工程等具有重要意義。輻射沙脊群位于江蘇岸外南黃海海域，呈輻射狀分布，水動力條件復(fù)雜，水下地形多變，潮汐通道眾多，泥沙資料匱乏[1]。采用傳統(tǒng)的海上隨船定點(diǎn)測量方式調(diào)查速度慢、周期長，且僅能獲得在時(shí)間和空間分布上離散的少量數(shù)據(jù)，很難對該海域懸沙場進(jìn)行動態(tài)、連續(xù)、同步的觀測。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快速、重復(fù)、覆蓋面積大、數(shù)據(jù)同步性好等特點(diǎn)，在空間尺度、數(shù)據(jù)獲取方面可以與傳統(tǒng)測量方法互補(bǔ)，被廣泛應(yīng)用于懸浮泥沙研究，如宋召軍等[2]利用NOAA/AVHRR 2003年的遙感數(shù)據(jù)對南黃海春秋2季懸沙的空間分布進(jìn)行了反演；邢飛等[3]利用TM數(shù)據(jù)反演懸沙并分析江蘇近岸海域懸沙濃度的時(shí)空分布特征。本文以江蘇908水文泥沙測驗(yàn)數(shù)據(jù)和同期MODIS影像為基礎(chǔ)，通過建立遙感定量模式反演輻射沙脊群海域懸沙場，并結(jié)合基于海洋環(huán)境動力的懸沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了懸沙場遙感反演方法的可行性，為研究該區(qū)域懸沙場運(yùn)動規(guī)律提供技術(shù)途徑。

1 研究基礎(chǔ)與方法

1.1 研究基礎(chǔ)

本文收集的數(shù)據(jù)主要包括江蘇908調(diào)查水文泥沙測驗(yàn)資料、MODIS 500 m分辨率影像和大豐港歷史潮位資料。江蘇908調(diào)查分別在夏季大潮（2006-08-24）、夏季小潮（2006-08-31）、冬季大潮（2007-01-03）、冬季小潮（2007-01-11）對輻射沙脊群海域設(shè)立了16條垂線進(jìn)行水文泥沙測驗(yàn)，各測站同步連續(xù)測量，1 h觀測1次。本文選用MODIS 500 m分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行懸沙場遙感反演研究。從收集的96景MODIS 500 m分辨率影像中篩選出8景，并結(jié)合大豐港潮位資料整理MODIS數(shù)據(jù)成像時(shí)刻潮流狀況（見表1）。MODIS影像選取的條件是：要求影像質(zhì)量好、云層少；保證存在影像與實(shí)測懸沙數(shù)據(jù)同步或準(zhǔn)同步，便于模型的建立和驗(yàn)證；選取潮差相似、不同潮時(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，便于將影像同步到同一潮周期。

表1 MODIS影像成像時(shí)潮情統(tǒng)計(jì)表

數(shù)據(jù)的處理主要包括實(shí)測懸沙數(shù)據(jù)整編和遙感影像預(yù)處理2個(gè)部分。實(shí)測懸沙數(shù)據(jù)是按整點(diǎn)進(jìn)行取樣記錄的，不與衛(wèi)星成像時(shí)刻完全匹配，且存在部分異常點(diǎn)，需要進(jìn)行整編，使其與衛(wèi)星影像準(zhǔn)同步，方便懸沙反演模式的建立和驗(yàn)證。遙感影像預(yù)處理主要包括幾何校正、大氣校正、裁剪、掩膜去云和水陸分離等，最終得到不同波段的遙感反射率，為研究懸沙場遙感反演方法提供基礎(chǔ)。

1.2 研究方法

本文利用2006年江蘇908水文泥沙測驗(yàn)數(shù)據(jù)和同期MODIS影像進(jìn)行輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法研究。一方面提取測點(diǎn)反射率與對應(yīng)懸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，選擇與懸浮泥沙相關(guān)性較高的敏感參數(shù)，建立多個(gè)遙感定量反演模式并進(jìn)行精度評價(jià)，選擇最佳遙感定量模式；另一方面結(jié)合懸沙數(shù)學(xué)模型對遙感定量模式反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析兩者之間的差異，形成一套基于MODIS數(shù)據(jù)的輻射沙脊群海域懸沙場遙感反演方法。

2 懸沙場遙感反演

2.1 敏感參數(shù)的選擇

敏感參數(shù)的選擇是懸沙場遙感定量反演的基礎(chǔ)和前提。不同遙感數(shù)據(jù)的不同波段及波段組合對懸浮泥沙的敏感程度明顯不同。懸浮泥沙光譜反射率具有雙峰特征：第一反射峰位于550~670 nm，第二反射峰位于780~830 nm。當(dāng)水體中懸沙濃度增大時(shí)，反射光譜上的反射峰由短波向長波方向位移，即具有“紅移現(xiàn)象”[4,5]。

MODIS數(shù)據(jù)單波段B1、B2、B4與懸沙濃度相關(guān)性較高。本文選用2006-08-24下午的MODIS 500 m分辨率影像，剔除受云干擾部分后提取各測點(diǎn)的反射率，與懸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。通過表2可以看出，B1、B2、B4波段反射率與懸沙濃度相關(guān)性較好，這與MODIS數(shù)據(jù)的波譜特性相關(guān)：B1波段(620~670 nm)、B4波段(545~565 nm)位于第一反射峰，B2波段(841~876 nm)位于第二反射峰附近。

MODIS數(shù)據(jù)波段組合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)與懸沙濃度相關(guān)性較高。選擇B1、B2、B4這3個(gè)懸沙敏感波段進(jìn)行組合，并與懸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。通過表3可以看出，波段組合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)與懸浮泥沙的相關(guān)性較高，綜合分析表2與表3，選取單波段B1和波段組合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)作為敏感參數(shù)建立遙感定量反演模式。

表2 懸沙濃度與MODIS影像單波段相關(guān)性

表3 懸沙濃度與MODIS影像波段組合相關(guān)性

2.2 遙感定量反演模式建立

水體的反射輻射與水中的懸沙含量密切相關(guān)，進(jìn)行懸沙遙感定量反演的關(guān)鍵是確定反射率R與懸沙濃度SSC之間的函數(shù)關(guān)系。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了研究，提出了一系列模式[6-8]，主要分為理論模式、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶桶敕治瞿Ｊ?種。本文選用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，分別對敏感參數(shù)B1、B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)與懸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立線性、對數(shù)以及多項(xiàng)式3種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并用最小二乘法?jì)算其相關(guān)系數(shù)。通過表4可以看出，敏感參數(shù)對數(shù)模式的相關(guān)系數(shù)普遍比線性模式和多項(xiàng)式模式大，其中B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)的對數(shù)模式與懸浮泥沙的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96以上，因此選用對數(shù)模式作為最優(yōu)遙感定量反演模式。

表4 懸沙濃度反演模式及其相關(guān)系數(shù)

2.3 反演精度的評價(jià)

(B1-B4)/(B1+B4)對數(shù)模式的反演精度最高。選取2006-08-24上午的MODIS影像，剔除受云干擾部分后提取各測點(diǎn)反射率，分別運(yùn)用敏感參數(shù)B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)的對數(shù)模式定量反演懸沙場，計(jì)算各測點(diǎn)懸沙反演值與實(shí)測值之間的相對誤差，進(jìn)行精度評價(jià)，檢驗(yàn)其反演能力，選擇最優(yōu)定量模式。

從表 5可以看出，B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)對數(shù)模式的反演精度都很高，平均相對誤差均小于30%。其中，(B1-B4)/(B1+B4)對數(shù)模式的精度最高，達(dá)到79.04%，反演能力明顯優(yōu)于其他模式，故選擇其作為輻射沙脊群海域懸沙場的遙感反演模式，對夏季大潮不同潮時(shí)的6景MODIS影像進(jìn)行定量反演，生成半個(gè)潮周期的懸沙場分布圖（如圖1所示），其中綠色部分為陸地，白色部分為被云覆蓋區(qū)域。

表5 懸沙濃度反演模式精度評價(jià)

3 懸沙場數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

波浪和潮流是引起海岸泥沙運(yùn)動的主要動力因素，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，通過模擬波流運(yùn)動建立泥沙數(shù)學(xué)模型[9-11]。楊耀中等[12]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將潮流數(shù)值模型、天氣圖和江蘇908水文泥沙測驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，構(gòu)建平面二維懸浮泥沙模型，計(jì)算了輻射沙脊群海域大潮、小潮的全潮平均含沙量。由于均采用江蘇908水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文直接引用楊耀中等的夏季大潮的全潮平均懸沙分布圖[12]（見圖2a），對夏季大潮懸沙場遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

懸沙遙感定量反演的優(yōu)勢在于能獲取大面積、同步的懸沙場，懸沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果常用全潮平均含沙量來描述。為了實(shí)現(xiàn)懸沙場數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證，需要對遙感反演結(jié)果進(jìn)行分析處理，采用全潮平均含沙量來描述懸沙場。懸沙濃度隨流速呈現(xiàn)周期性變化[1]。本文根據(jù)這一特征計(jì)算半個(gè)潮周期的平均含沙量代替全潮平均含沙量，生成輻射沙脊群海域夏季大潮的全潮平均懸沙場（見圖2b）。

圖2 全潮平均懸沙場示意圖

通過圖2可以看出，遙感反演結(jié)果在總體上與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果相似，細(xì)節(jié)上比數(shù)學(xué)模型更精細(xì)。從整體上看，懸沙高值區(qū)主要分布在弶港、廢黃河口和長江口附近。其中弶港北部的近岸水域懸沙含量最大，在0.7kg/m3以上；輻射沙洲、廢黃河口、長江口懸沙分布范圍廣，含沙量由近岸向海逐漸減少，一般在0.3~0.6 kg/m3之間。從細(xì)節(jié)上看，遙感反演能清晰地展現(xiàn)沙脊、潮流通道、河口等地貌附近的懸沙分布。輻射沙洲地區(qū)的懸沙含量由里向外逐漸減小，分布形態(tài)與水下地形相似。

4 結(jié) 語

本文利用江蘇908實(shí)測懸沙數(shù)據(jù)和同期MODIS影像，建立懸沙遙感反演模型，對夏季大潮不同潮時(shí)的6景MODIS影像進(jìn)行了定量反演，計(jì)算了全潮平均懸沙場，并與懸沙二維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，(B1-B4)/(B1+B4)對數(shù)模式的輻射沙脊群海域懸沙場反演精度最好，相對誤差在20%左右；遙感反演結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果總體一致，但細(xì)節(jié)上表現(xiàn)更加詳盡，能清晰地反映河口、沙洲、水道等地貌對懸沙分布的影響。因此在輻射沙脊群海域運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)反演懸沙場是可行的，且可將結(jié)果引用到懸沙輸運(yùn)研究中。

[1] 王穎. 黃海陸架輻射沙脊群[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002

[2] 宋召軍, 黃海軍, 劉芳.南黃海輻射沙洲附近海域懸浮泥沙的遙感反演研究[J]. 高技術(shù)通訊, 2006, 16(11): 1 185-1 189

[3] 邢飛, 汪亞平, 高建華, 等. 江蘇近岸海域懸沙濃度的時(shí)空分布特征[J].海洋與湖沼, 2010, 41(3): 459-468

[4] 韓震, 惲才興, 蔣雪中. 懸浮泥沙反射光譜特性實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào), 2003(12):118-122

[5] 李云駒, 常慶瑞, 楊曉梅, 等. 長江口懸浮泥沙的MODIS影像遙感監(jiān)測研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005, 33(4): 117-121

[6] 李四海, 惲才興. 河口表層懸浮泥沙氣象衛(wèi)星遙感定量模式研究[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2001, 5(2): 154-160

[7] 劉志國, 周云軒, 蔣雪中, 等. 近岸Ⅱ類水體表層懸浮泥沙濃度遙感模式研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(1):321-326

[8] 劉大召, 付東洋, 沈春燕, 等.河口及近岸二類水體懸浮泥沙遙感研究進(jìn)展[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2010, 29(4): 611-616

[9] 陸永軍, 左利欽, 王紅川, 等. 波浪與潮流共同作用下二維泥沙數(shù)學(xué)模型[J]. 泥沙研究, 2005,(6): 1-12

[10] 李孟國, 時(shí)鐘. 江蘇如東西太陽沙及爛沙洋海域潮流泥沙數(shù)值模擬[J]. 海洋通報(bào),2005, 24(6): 9-16

[11] 李文丹. 葫蘆島海域潮流泥沙數(shù)值模擬[J]. 水道港口, 2008,29(2): 94-99

[12] 楊耀中, 馮衛(wèi)兵. 南黃海輻射沙脊群懸沙特征研究[J]. 水道港口, 2010, 31(3): 157-163

Remote Sensing Retrieval of Suspended Sediment Concentration Field in Radial Sand Ridges Area

byPAN Jin

Suspended sediment field has great significance in the study of sand ridge development and geomorphic evolution, also in the matter of tidal flat reclamation and coastal engineering. In this paper, on the basis of hydrology-sediment data obtained in JS908 investigation in 2006 and contemporaneous MODIS images, remote sensing quantitative retrieval model was established. Suspended sediment concentration distribution maps in different tide levels and mean sediment concentration distribution map of a half tidal cycle were obtained. The retrieval map was compared with the numerical simulation map using suspended sediment dynamic mathematical model. The result showed that: the precision of (B1-B4) / (B1+B4)logarithm mode was high. The remote sensing retrieval map was similar to the numerical simulation map. High-concentration region of suspended sediment were mainly located in near Jianggang,Feihuanghe estuary and Yangtze estuary. Retrieval map had more details than the simulation map. It can reflect clearly the influence of the estuaries, sandbars, waterways on the distribution of suspended sediment, and can provide technical support for the exploration of suspended sediment transport.

radial sand ridges, remote sensing retrieval, suspended sediment field, MODIS images

P208

B

1672-4623（2013）02-0082-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.026

2012-10-22。

項(xiàng)目來源：國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB429001)；國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201005006-3); 國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAB03B01); 江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)資助項(xiàng)目(JS-908-01-02)。

潘進(jìn)，碩士，主要從事海洋遙感和地理信息系統(tǒng)研究。