基于GOCI數(shù)據(jù)的杭州灣跨海大橋兩側(cè)水域懸浮泥沙濃度空間分異規(guī)律研究

劉　波，程　乾，曾煥建，楊潤(rùn)華

(浙江工商大學(xué)旅游與城市管理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于GOCI數(shù)據(jù)的杭州灣跨海大橋兩側(cè)水域懸浮泥沙濃度空間分異規(guī)律研究

劉波，程乾，曾煥建，楊潤(rùn)華

(浙江工商大學(xué)旅游與城市管理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，對(duì)高動(dòng)態(tài)的河口水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有極大的科學(xué)價(jià)值.本研究使用GOCI數(shù)據(jù)，杭州灣水域樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立基于GOCI數(shù)據(jù)的反演懸浮泥沙濃度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)2013年8月9日杭州灣跨海大橋兩側(cè)水域進(jìn)行了懸浮泥沙濃度反演.通過對(duì)杭州灣跨海大橋兩側(cè)錢塘江上下游懸浮泥沙濃度進(jìn)行差異性對(duì)比研究，結(jié)果表明，杭州灣大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)一定的梯度特征，表現(xiàn)為大橋上游濃度高，下游濃度相對(duì)較低.不同時(shí)間段研究區(qū)懸浮泥沙濃度為南北兩側(cè)變化不同，跨海大橋上游一側(cè)懸浮泥沙濃度變化強(qiáng)度明顯高于下游.

關(guān)鍵詞：懸浮泥沙；GOCI數(shù)據(jù)；杭州灣跨海大橋

0引言

二類水體，主要分布在水陸交接和沿海地區(qū)，這一地區(qū)受地形地貌，水動(dòng)力環(huán)境等影響，容易產(chǎn)生海洋沉積，而且水體集中于受人類活動(dòng)影響較大的河口及近岸地區(qū)，是水色遙感研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1].杭州灣地形特殊，是一個(gè)海水與河口水交匯劇烈的水域，潮水具有潮大、流急、含沙量高等特點(diǎn)，港口航道、灘涂及水產(chǎn)資源豐富，而高濃度含沙水體對(duì)港口建設(shè)及運(yùn)營(yíng)河口水生態(tài)等影響巨大[2].杭州灣大橋是一座橫跨杭州灣海域的跨海大橋,它北起浙江嘉興海鹽鄭家埭，南至寧波慈溪水路灣，全長(zhǎng)36 km，是世界上最長(zhǎng)的跨海大橋.杭州灣跨海大橋工程量浩大，一共有墩身1428個(gè)[3].然而大橋無論是在工程建設(shè)，還是建成后肯定都會(huì)對(duì)其周邊生態(tài)環(huán)境帶來影響，文章主要研究大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度分布的差異性.針對(duì)杭州灣水域懸浮泥沙分布情況研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)做過大量研究工作，盡管大量研究已經(jīng)提出眾多遙感模型，如沈芳等基于MERIS數(shù)據(jù)結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)輻射傳輸模型理論建立的長(zhǎng)江口水域懸浮泥沙模型[4]，何賢強(qiáng)等在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持下基于GOCI數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)反演模型[5]，但由于河口大氣環(huán)境特殊，懸浮泥沙濃度較高以及變化頻率較高等特點(diǎn)，至今尚無統(tǒng)一針對(duì)河口高懸浮泥沙濃度精度較高的遙感模型[6].

杭州灣水域泥沙主要來自長(zhǎng)江口，但由于其地形特點(diǎn)外加潮汐影響，每日潮水現(xiàn)象劇烈，帶起沉積的泥沙，使懸浮泥沙變化及分布很復(fù)雜[7].GOCI是韓國(guó)2009年發(fā)射的地球靜止氣象衛(wèi)星COMS上的水色傳感器，可獲取從可見光到近紅外共8個(gè)波段的遙感物理量，時(shí)間分辨率可達(dá)1 h，每天10景的拍攝任務(wù)，其中8 景成像時(shí)間在白天，2景在夜晚( 紅外)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以韓國(guó)為中心( 36°N,130°E)包括我國(guó)在內(nèi)的約2500 km×2500 km的區(qū)域[8].通過建立基于GOCI傳感器的杭州灣水域懸浮泥沙濃度等水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反演，能夠快速了解杭州灣水域狀況.本文利用杭州灣水域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，模擬GOCI數(shù)據(jù)特點(diǎn)，建立了多波段組合懸浮泥沙濃度經(jīng)驗(yàn)反演模型[9]；同時(shí)收集了2013年8月9日3景GOCI影像數(shù)據(jù)，利用所建模型進(jìn)行了懸浮泥沙濃度反演，研究了3個(gè)時(shí)刻杭州灣跨海大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度分布情況.

1數(shù)據(jù)和方法

1.1　研究區(qū)概況

本次研究區(qū)位于杭州灣地區(qū)(如圖1)，經(jīng)緯度為：30°14′～30°35′，120°56′～121°17′.受喇叭形海灣以及潮汐影響，非正規(guī)半日潮.潮水的頻繁運(yùn)動(dòng)引起水中泥沙運(yùn)動(dòng)，致使杭州灣水域一直都比較渾濁，含沙量大[7].本次研究主要圍繞杭州灣跨海大橋進(jìn)行，因此實(shí)測(cè)樣點(diǎn)也是圍繞大橋兩側(cè)布置.

圖1　杭州灣研究區(qū)以及采樣點(diǎn)示意圖Fig. 1　Image of study area and the sample points

1.2　遙感數(shù)據(jù)

本文主要遙感數(shù)據(jù)來源為2013年8月9日10:16，11:16, 12:16，3個(gè)時(shí)刻GOCI數(shù)據(jù).

1.3　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

水體光譜的測(cè)量采用的是水面之上測(cè)量法[10].懸浮泥沙質(zhì)量濃度的測(cè)量采用質(zhì)量法[11].在測(cè)量水體光譜的同時(shí)，每個(gè)樣點(diǎn)采取水樣，本次實(shí)驗(yàn)中懸浮泥沙濃度范圍為93.5～1108mg/L.通過對(duì)各樣點(diǎn)懸浮泥沙濃度統(tǒng)計(jì)，可以看出，懸浮泥沙濃度最大值為13號(hào)點(diǎn)1108mg/L，最小值為26號(hào)點(diǎn)93.5mg/L，均值為391.6mg/L.

杭州灣是著名的強(qiáng)潮型河口,在強(qiáng)烈的潮流作用下, 灣內(nèi)沉積物受強(qiáng)勁復(fù)雜的動(dòng)力作用影響重新起動(dòng)懸浮,水中懸浮固體濃度很高[12].水體中懸浮物濃度平均值為705mg/L, 最大可達(dá)1950mg/L[13],根據(jù)1996年10月杭州灣水域?qū)崪y(cè)資料得知，海區(qū)內(nèi)平均含沙量為1340mg/L,其中:大、中、小潮分別為2000mg/L、1720mg/L和470mg/L，大、中潮遠(yuǎn)大于小潮，大潮含沙量是中潮含沙量的1.2倍，是小潮含沙量的4.3倍;海區(qū)內(nèi)漲潮含沙量為1480mg/L,落潮含沙量為1320mg /L，漲潮含沙量大于落潮，其比值為1.12[14],本文觀測(cè)結(jié)果與前人研究基本一致.

1.4　研究方法及工作流程

研究方法和流程見圖2.

圖2　懸浮泥沙濃度反演流程圖Fig. 2　The flow chart of suspended sediment concentration inversion

2模擬GOCI數(shù)據(jù)的懸浮泥沙濃度遙感反演模型建立

2.1　波段反射率與懸浮泥沙濃度相關(guān)分析

利用水面測(cè)量法所獲取的研究區(qū)域的反射率曲線(圖 3)與實(shí)測(cè)的各樣點(diǎn)懸浮泥沙濃度，可以看出隨著懸浮泥沙濃度的增加，各波段的反射率都普遍增大，且增幅最大的位置與波峰位置基本吻合，另外，反射率波譜具有雙峰特征，即懸浮泥沙水體的反射率有兩個(gè)峰值，分別在710nm和810nm附近，與前人研究基本一致[15-16].

圖3　各樣本點(diǎn)水體遙感反射率Fig. 3　Remote sensing reflectance ofwater at each sample point

圖4　B7/B5波段組合與懸浮泥沙濃度線性擬合結(jié)果Fig. 4　B7/(B4+B5) band combination and suspendedsediment concentration linear fitting results

在350～500nm 之間,含沙水體反射率相對(duì)較低;在560～720nm之間有一個(gè)反射峰, 當(dāng)泥沙濃度較小時(shí), 其峰值主要在560～610nm之間, 且峰值反射率較低, 當(dāng)泥沙濃度增大時(shí), 其峰移在690～720nm之間,且峰值反射率較高.此外, 在790～820nm之間, 還有一個(gè)反射峰.從40組有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取28組來建立模型.

2.2　模型建立及驗(yàn)證

本次研究通過將實(shí)測(cè)樣點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)與懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)分為兩組，一組建模，一組驗(yàn)證，建模組30組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證組10組數(shù)據(jù).利用地面實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)模擬GOCI各波段數(shù)據(jù)，分析各樣點(diǎn)各波段數(shù)據(jù)與樣點(diǎn)實(shí)測(cè)懸浮泥沙濃度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)GOCI數(shù)據(jù)的7波段與8波段與懸浮泥沙濃度相關(guān)性較好，單波段線性擬合，R2都在0.7以上.為了相應(yīng)地提高反演精度，考慮對(duì)各波段進(jìn)行組合，分析其與懸浮泥沙相關(guān)性，最后發(fā)現(xiàn)波段5與波段7組合效果較好.而何等建立的模型波段選擇為第7波段與第3波段[5].

圖4即為B7/(B4+B5)波段組合與懸浮泥沙濃度線性擬合結(jié)果.

將驗(yàn)證組B7/(B4+B5)數(shù)據(jù)帶入反演模型中，計(jì)算出預(yù)測(cè)值，與實(shí)測(cè)值對(duì)比，得到標(biāo)準(zhǔn)誤差為66.94mg/L，平均相對(duì)誤差為28.67%，基本能滿足此次反演研究.圖5即為驗(yàn)證組預(yù)測(cè)值與真實(shí)值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中比較，可以看出實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值較好的分布于1:1線兩側(cè).

圖5　B7/(B4+B5)多波段模型驗(yàn)證(左為實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)值比較; 右為預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差)Fig. 5　B7/(B4+B5) multiband model validation

綜上，在誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)于GOCI影像數(shù)據(jù)，則此次研究使用模型即為B7/(B4+B5)波段組合與懸浮泥沙濃度之間模型：

(1)

其中SSC為懸浮泥沙濃度，B7為GOCI數(shù)據(jù)第7波段反射率，B4為GOCI數(shù)據(jù)第4波段反射率,B5為GOCI數(shù)據(jù)第5波段反射率.

3基于GOCI影像數(shù)據(jù)的杭州灣水域懸浮泥沙濃度反演

在GOCI數(shù)據(jù)自帶處理軟件GDPS支持下對(duì)GOCI數(shù)據(jù)1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，并將其轉(zhuǎn)化為ENVI軟件能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式.在ENVI軟件中對(duì)所選3景GOCI數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正.GOCI數(shù)據(jù)的大氣校正有多種方法，如何賢強(qiáng)等提出的基于UV-AC模型改進(jìn)的大氣校正模型[5]，田小娟等提出的基于MODIS數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大氣校正方法等[17].

本次研究數(shù)據(jù)有限，其中輻射定標(biāo)主要參照GDPS軟件參數(shù)設(shè)置進(jìn)行，大氣校正利用ENVI軟件FLAASH進(jìn)行校正.大氣校正結(jié)果在ARCGIS軟件中利用當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)的TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地理配準(zhǔn)并進(jìn)行研究區(qū)裁剪.在ENVI軟件中利用矢量數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水域信息提取，最后利用BAND MATH模塊運(yùn)用式(1)進(jìn)行懸浮泥沙濃度反演.由于三景數(shù)據(jù)時(shí)間都集中在陽光條件較好的時(shí)段，因此不考慮反演模型因影像時(shí)向差異對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生的差異，最終反演結(jié)果如圖6所示.

注：a為10時(shí)16分影像數(shù)據(jù)反演結(jié)果；b為11時(shí)16分影像數(shù)據(jù)反演結(jié)果；c為12時(shí)16分影像數(shù)據(jù)反演結(jié)果；d為前三個(gè)時(shí)刻數(shù)據(jù)反演結(jié)果平均值圖6　2013年8月9日研究區(qū)懸浮泥沙濃度分布Fig. 6　August 9, 2013, Hangzhou bay the suspended sediment concentration distribution in the study area

從圖6給出的2013年8月9日從10：16到12:16的杭州灣研究區(qū)域懸浮泥沙濃度分布結(jié)果可以看出：受地形、潮流運(yùn)動(dòng)、灘涂分布等原因影響，研究區(qū)內(nèi)懸浮泥沙濃度主要呈南高北低的分布特征，三個(gè)時(shí)段南側(cè)懸浮泥沙濃度都維持在高濃度水平，從三個(gè)時(shí)段反演結(jié)果可以看出，研究區(qū)內(nèi)北側(cè)懸浮泥沙濃度變化頻率相對(duì)較大，從10:16到12:16濃度逐漸增大，而南側(cè)相對(duì)較小；杭州灣大橋兩側(cè)懸沙濃度呈現(xiàn)明顯的梯度特征，表現(xiàn)為大橋上游濃度高，下游濃度相對(duì)較低，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致.而且隨著時(shí)刻變化這種梯度特征也在變化；圖6中d為3個(gè)時(shí)段研究區(qū)內(nèi)懸浮泥沙濃度平均值，最大平均濃度為2466.42mg/L，最小平均濃度為45.47mg/L.同時(shí)也可看出，受地形影響，潮水在慈溪西山段形成回流，懸浮泥沙在南側(cè)慈溪庵東段濃度明顯較高[7].北側(cè)嘉興乍浦段有部分高值區(qū)，結(jié)合實(shí)地實(shí)驗(yàn)與考察，研究區(qū)北部區(qū)域港口較多，港口建設(shè)及運(yùn)營(yíng)等原因可能對(duì)江水泥沙產(chǎn)生相應(yīng)的阻隔作用.

4結(jié)論和討論

本次研究主要圍繞基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬衛(wèi)星參數(shù)進(jìn)行的模型構(gòu)建，GOCI影像數(shù)據(jù)處理與杭州灣跨海大橋兩側(cè)水域懸浮泥沙濃度分布及差異性的研究展開.最后結(jié)果可以總結(jié)為以下幾點(diǎn).

1)同一天的多時(shí)相GOCI數(shù)據(jù)懸浮泥沙濃度反演能夠較好的反映杭州灣水域高頻率的變化特點(diǎn).

2)從2013年8月9日3景GOCI數(shù)據(jù)反演的杭州灣大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度分布結(jié)果可以明顯看出，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)一定的梯度特征，表現(xiàn)為大橋上游濃度高，下游濃度相對(duì)較低.

3)如果要明確跨海大橋?qū)ρ芯繀^(qū)內(nèi)水域懸浮泥沙濃度分布具體影響，還需要更多數(shù)據(jù)支持和實(shí)驗(yàn)研究.如跨海大橋建成前后對(duì)比，潮汐與橋墩作用對(duì)大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度影響等等.

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第15卷第1期2016年1月杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHangzhouNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.15No.1Jan.2016

On the Suspended Sediment Concentration Distribution and Diversity of the

Waters on Both Sides of Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge Based on GOCI Data

LIU Bo,CHENG Qian,ZENG Huanjian,YANG Runhua

(College of Tourism and Urban Management,Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:Stationary orbit satellite data has the characteristics of high temporal resolution, it has great scientific value for the high dynamic estuarine water environment monitoring. Basing on the GOCI data and Hangzhou Bay waters sample measured data, the empirical model of suspended sediment concentration is established, and the suspended sediment concentration of the waters on both sides of Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge is reversed on August 9, 2013. Through the comparative study on the differences between the suspended sediment concentration in the Qiantang River upstream and downstream, the results show that the suspended sediment concentration presents certain gradient feature, that is, the concentration of upstream is larger than that of downstream. The suspended sediment concentration in different time periods is different, which presents as the differences between the south and north sides, the concentration change intensity of upstream is higher than that of downstream.

Key words:suspended sediment; GOCI data; Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge

文章編號(hào):1674-232X(2016)01-0102-06

中圖分類號(hào):TP79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.01.019

通信作者：程乾(1968—)，男，教授，博士，從事植被遙感與農(nóng)業(yè)氣象研究.E-mail:qiancheng525@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271417); 國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)(E05-Y30B02-9001-13/15-4); 浙江省科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃(2014R408003).

收稿日期：2015-06-11