II類水體懸浮泥沙遙感監(jiān)測技術(shù)綜述

龐毓雯,周斌,殷守敬,于之鋒,,華康,何賢強

(1.杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州310036； 2．環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094; 3.國家海洋局第二海洋研究所

衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

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II類水體懸浮泥沙遙感監(jiān)測技術(shù)綜述

龐毓雯1,周斌1,殷守敬2,于之鋒1,3,華康1,何賢強3

(1.杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州310036； 2．環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094; 3.國家海洋局第二海洋研究所

衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

摘要：II類水體與人類關(guān)系十分緊密，而懸浮泥沙廣泛存在于II類水體中，其濃度對水體的光學(xué)特性、海岸航運、水體觀感等有重要影響.本文總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域開展的多項研究，包括遙感反演算法、區(qū)域反演模型改進等，由此對未來的發(fā)展提出展望，期待監(jiān)測技術(shù)進一步創(chuàng)新.

關(guān)鍵詞：II類水體；懸浮泥沙；遙感監(jiān)測技術(shù)

0引言

II類水體主要分布在內(nèi)陸湖泊、河口、近岸等水域，其光學(xué)性質(zhì)不僅受浮游植物及其降生物的影響,而且也受其它物質(zhì)如外生的粒子和外生的有色可溶有機物的影響[1].在II類水體中懸浮泥沙濃度是一個十分重要的水質(zhì)指標[2].懸浮泥沙對水體的光學(xué)性質(zhì)如：透明度、反射率、能見度造成影響，改變水體含氧量從而對水生生物的生存帶來影響[3-5].近海和河口是重要的航運港口所在地，一直以來入?？诰陀写罅磕嗌秤俜e，這對海岸防護帶的穩(wěn)定、海洋航運的通暢、海洋圈的物質(zhì)循環(huán)都有不同程度的危害[6-7]；對于內(nèi)陸水體而言，懸浮泥沙與水生態(tài)、水資源安全也有密切聯(lián)系[8-9].與常規(guī)懸浮泥沙監(jiān)測方法相比，遙感技術(shù)具有面積大、時間長、同步獲取地面數(shù)據(jù)等優(yōu)勢[10]，在懸浮泥沙監(jiān)測中已有廣泛應(yīng)用.目前許多專家學(xué)者在遙感反演算法、大氣校正、區(qū)域反演模型建立上都做了大量研究，已經(jīng)形成較成熟的理論和實踐成果[11-15]，但還沒有研究出大區(qū)域通用的模型.本文旨在總結(jié)II類水體懸浮泥沙遙感監(jiān)測技術(shù)所取得的進展，針對存在的問題，提出適當建議，為以后的技術(shù)發(fā)展提供借鑒.

1水色衛(wèi)星傳感器的發(fā)展

遙感技術(shù)在20世紀60年代開始進入高速發(fā)展階段，隨著新型傳感器的相繼發(fā)明，光譜分辨率不斷提高，使其在各項定量、精密研究中發(fā)揮越來越重要的作用.遙感技術(shù)主要有監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)更新快、重訪周期短、制約因素少、獲取信息量大、質(zhì)量高，同時能節(jié)省人力、財力、物力等優(yōu)點，已廣泛運用到環(huán)境監(jiān)測中[16].自1978年10月第一臺水色衛(wèi)星傳感器CZCS(Coastal Zone Color Scanner)投入使用至今，發(fā)射的水色遙感衛(wèi)星越來越多，傳感器的設(shè)置越發(fā)精密.第二代海色觀測范圍覆蓋全球的衛(wèi)星傳感器主要有美國的SeaWiFS、MODIS、MISR,日本的OCTS、GLI，法國的POLDER,歐空局的MERIS等[3].以SeaWiFS為例，它打破了以往傳感器在Ⅱ類水體反演的局限性，校準了傳感器對葉綠素濃度的反演算法，提高了光譜分辨率、輻射靈敏度[17].VIIRS(Visible infrared Imaging Radiometer)由美國設(shè)計，是高分辨率輻射儀AVHRR和地球觀測系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進，于2011年發(fā)射成功[18-19].印度的第二代海洋水色監(jiān)視儀(OCM-2)、地球靜止海洋水色成像儀(Geostationary Ocean Color Imager, GOCI)、歐盟的海洋和陸地顏色儀(Oceanand Land Color Instrument, OLCI)、第二代全球成像儀(SGLI)、超光譜成像儀(HSI)、以及改進型COCTS及CZI等傳感器已經(jīng)或預(yù)計發(fā)射，這將給國際的海洋遙感領(lǐng)域帶來極大的推動作用[19-20].

2遙感技術(shù)在懸浮泥沙監(jiān)測中的進展

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，逐步深入地應(yīng)用到水體懸浮泥沙的監(jiān)測中[21].依靠遙感技術(shù)得到高精度的懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于建立恰當?shù)膽腋∧嗌碀舛冗b感反演模型[22].因懸浮泥沙對光有散射作用，在對不同濃度的懸浮泥沙的水體進行光譜吸收測量，可見光波段范圍內(nèi)的反射率會出現(xiàn)波動.Chen等[23]研究了在不同濃度下懸浮物的光譜特征，研究表明在450~700 nm的波長范圍內(nèi)，懸浮物濃度與反射率呈對數(shù)關(guān)系，當懸浮物濃度大于350 mg/L時，懸浮物與反射率轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系，表明懸浮物濃度與光譜反射率對應(yīng)關(guān)系存在變動，找到兩者間合適的對應(yīng)關(guān)系是建立最佳反演模型的關(guān)鍵[24].另有研究表明，對懸浮泥沙最為敏感的電磁波波長為550~670 nm，當泥沙達到一定濃度后在550 nm處會出現(xiàn)飽和，而670 nm更適合于高泥沙濃度的探測[25-26].懸浮泥沙濃度監(jiān)測精度的提高不僅僅是依靠算法和模型的精確化，在選取衛(wèi)星上也大有文章.Reddy[27],Lira等[28],Ouillon等[29]和李四海等[25]就分別利用Landsat、SPOT和NOAA,同時結(jié)合了實地測量數(shù)據(jù)和準同步采樣的懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù),建立了基于不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)下的懸浮泥沙濃度的統(tǒng)計分析方法和反演模型.利用遙感反演懸浮泥沙濃度過程中，所有環(huán)節(jié)都會對最終的反演結(jié)果產(chǎn)生影響，在確定主要影響因子之后，結(jié)合研究區(qū)域選取最佳反演方法，構(gòu)建模型，獲得高精度的濃度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)懸浮泥沙的動態(tài)監(jiān)測.

2.1　國外研究進展

國外對懸浮泥沙的遙感監(jiān)測技術(shù)研究主要圍繞提高遙感反演精度和確定定量的反演模式.Ronald[30]最早提出將遙感技術(shù)應(yīng)用于獲取懸浮泥沙濃度，他在1978年就發(fā)現(xiàn)實測懸浮泥沙濃度與光譜數(shù)據(jù)之間有相關(guān)性，由此提出懸浮泥沙遙感監(jiān)測的初步構(gòu)想；此后有更多專家學(xué)者對此進行探索，如John、Bjorn等[31]利用1984年、1987年的兩景TM影像繪制出美國墨西哥灣懸浮泥沙的分布圖，將懸浮泥沙濃度的研究推廣到更大的空間范圍；另一方面越來越多水色衛(wèi)星升空，能夠獲得的數(shù)據(jù)更多，質(zhì)量和精度也更好，使研究懸浮泥沙的光譜響應(yīng)機制成為可能.Han和Rundquist[32]對懸浮物類型、粒徑與遙感反射率之間的關(guān)系進行研究，而Choubey、Subramanian[34]進一步探索了這一研究內(nèi)容，指出懸浮泥沙顆粒的尺寸比濃度對光譜數(shù)據(jù)的影響更大，并且當懸浮泥沙的濃度達到90 mg/L時，兩者的相關(guān)性變差；John等[34]利用Landsat MSS數(shù)據(jù)反演得到水體懸浮泥沙濃度、濁度和透明度，將遙感對水體的研究范圍擴大；Davdi等[35]人在2000—2001年間，對Grionde河口高渾濁水體進行光譜測量，發(fā)現(xiàn)SPOT的近紅外XS3(790～890nm)的遙感反射率Rrs(XS3)、Rrs(XS3)/Rrs(XS1)和Rrs(XS3)/Rrs(XS2)與懸浮泥沙的濃度有很好的相關(guān)性，指出使用波段比值的方法，可以有效減少照明、懸浮物類型等因素對水體反射率測量的影響，同時他們還通過實地測量的方式，進一步對該流域水體的光譜特征進行分析，指出水體內(nèi)部的光學(xué)參數(shù)是影響水體反射率的主要因子，驗證了對SPOT數(shù)據(jù)，使用波段比值法能進一步提高光譜反射率和懸浮泥沙濃度相關(guān)性這一結(jié)論[36].與此同時，越來越多的數(shù)學(xué)方法在遙感模型中的運用得到關(guān)注，如：Louis和Xiao[37]提出了近岸混濁水體葉綠素與懸浮泥沙兩個要素同時遙感反演的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式，模式的相對誤差<10%.縱觀國外的研究進程，其技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究是同步進行的，以此開創(chuàng)II類水體懸浮泥沙遙感監(jiān)測技術(shù)的新紀元.

2.2　國內(nèi)研究進展

國內(nèi)遙感技術(shù)起步、發(fā)展和應(yīng)用都比國外晚，隨著我國海洋衛(wèi)星的發(fā)射，在海色遙感領(lǐng)域中不斷加大投入，現(xiàn)在也取得了很多理論成果和技術(shù)創(chuàng)新[38].我國學(xué)者根據(jù)國情對長江口及其流域范圍內(nèi)做了廣泛的研究，如：陳勇等[39]采用Gordon模型在長江口地區(qū)開展了懸浮泥沙濃度反演研究，能夠很好的體現(xiàn)經(jīng)過三峽大壩截流之后河流中懸浮泥沙含量的變化情況；喬曉景等[40]利用MODIS影像對長江中游河段的懸浮泥沙濃度進行了反演，結(jié)果表明，在MODIS影像的紅波段與懸浮泥沙的濃度關(guān)聯(lián)性最好；彭翔翼和沈芳[41]則通過對Terra/MODIS、FY-3A/MERSI、COMS/GOCI傳感器入瞳處的輻射亮度進行反演計算,得出了相應(yīng)遙感反射率Rrs與懸浮顆粒物濃度的數(shù)據(jù),并將上述反演與Envisat/MERIS反演進行了對比.從長江流域懸浮泥沙濃度的反演進展可以看出，通過對傳感器的對比分析能夠獲得更好的反演精度，研究已有能力服務(wù)長江流域懸浮泥沙濃度的監(jiān)測工作.我國許多學(xué)者對基于MODIS影像的懸浮泥沙濃度反演進行了多項研究.王榮等[42]通過研究發(fā)現(xiàn)MODIS多光譜數(shù)據(jù)完全可以用來定量測量地物的光譜輻射亮度和反射率；唐洪釗等[43]針對陸地遙感影像,提出了一種利用MODIS遙感數(shù)據(jù)反演高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)進行大氣效應(yīng)校正的方法，該成果有助于地物真實光譜信息的提取及其識別研究；周正等[44]，劉良明和張紅梅[45]研究了MODIS影像反演懸浮泥沙的方法，推進了遙感技術(shù)監(jiān)測II類水體懸浮泥沙濃度的應(yīng)用進程.孫德勇等[46]更進一步進行了不同濃度懸浮泥沙水體的光譜吸收特性模擬，研究結(jié)果為內(nèi)陸水色遙感分析模型的建立提供了重要的參數(shù)保障；張春桂等[47]在福建近岸海域進行了懸浮泥沙濃度遙感定量監(jiān)測研究，利用9個站點的海洋水色數(shù)據(jù)建立遙感模型，分析得出福建近海流域內(nèi)懸浮泥沙的時空分布特征，闡明了懸浮泥沙的運動特征；李洪靈等[48]通過對等效算出的ETM+各個波段遙感反射率和懸浮泥沙濃度這兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)分析,得到4種形式的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，得出TM4與TM1波段光譜值的比值與懸浮泥沙濃度之間的相關(guān)系數(shù)最高[9]；劉志國等[49]根據(jù)現(xiàn)狀歸納了我國目前近岸河口懸浮泥沙的研究進展，指出加強地面水文光譜實驗研究,建立多光譜SSC定量模式,以高分辨率和高光譜遙感融合數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的SSC定量遙感是以后的發(fā)展趨勢.

3懸浮泥沙監(jiān)測技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

未來的遙感技術(shù)向著高空間、時間、光譜分辨率的方向發(fā)展，更好地服務(wù)高精度的科學(xué)課題，開拓嶄新的遙感商業(yè)應(yīng)用項目[50].目前海色遙感的傳感器已非常豐富，但我國的海洋遙感實力與世界先進水平還有距離，在未來我國將不斷開拓和發(fā)展更精密的海洋衛(wèi)星，提升我國的海洋遙感實力.在對Ⅱ類水體進行光學(xué)性質(zhì)檢測時會出現(xiàn)重疊范圍，為遙感數(shù)據(jù)的處理增加難度，更困難的是這些影響大多是沒有規(guī)律的，難以通過人工方法消除，再加上季節(jié)周期更替對水體理化性質(zhì)的改變等等，都是懸浮泥沙濃度監(jiān)測技術(shù)發(fā)展過程中會遇到的障礙.針對此現(xiàn)狀，對未來的研究有如下建議：

3.1提高遙感數(shù)據(jù)信息挖掘能力、數(shù)據(jù)的使用率、傳感器光譜分辨率.高光譜影像數(shù)據(jù)中每個像元提供至少數(shù)十個甚至上百個波段光譜信息,能夠形成一條較為光滑的光譜曲線[51].但不同含沙量的水體會有不同的光譜曲線,而它們之間的差異都是相當細微的，只有進一步提高了傳感器的光譜分辨率，使其繪制出的光譜曲線更接近真實值，確保能夠區(qū)分出更加細小的差別.

3.2針對不同的研究流域選取不同的反演模型，在反演過程中嘗試多種算法.對于不同的研究區(qū)域，不同的算法最后呈現(xiàn)的實驗精度都有所差異，因此加強地面的光譜分析研究，運用多年的實測數(shù)據(jù)結(jié)合遙感數(shù)據(jù)提升算法精度.

3.3擴大對水體固有光學(xué)特性的研究,以輻射傳輸理論為基礎(chǔ),研究遙感反演得到的水體中各項信息之間的關(guān)聯(lián)性.

3.4　加快3S綜合監(jiān)測系統(tǒng)

遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測上有很多優(yōu)勢，當其與GPS、GIS建立起一個綜合的管理平臺，更好的實現(xiàn)懸浮泥沙的實時監(jiān)測和動態(tài)發(fā)布[52-53].國外學(xué)者在整合平臺上比國內(nèi)領(lǐng)先很多，已經(jīng)形成了較為成熟的管理和發(fā)布系統(tǒng).而國內(nèi)在此方面的應(yīng)用還較為滯后，在未來應(yīng)當加大在這方面的投入和研究.

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Literature Review of Suspended Sediment Remote Sensing Monitoring

Technology in Case II Waters

PANG Yuwen1, ZHOU Bin1, YIN Shoujing2, YU Zhifeng1, 3, HUA Kang1, HE Xianqiang3

(1.College of Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.Satellite Environment Center, Ministry of

Environmental Protection, Beijing 100094, China; 3.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment

Dynamics, Second Institute of Oceanography, Hangzhou 310012, China)

Abstract:Case II waters have very close relationship with human. The suspended sediment widely lies in case II waters, and its concentration has important impacts on the optical properties of water bodies, coastal shipping, water body perception, and so on. This paper summarizes a number of domestic and foreign scholars’ studies in this field, including remote sensing inversion algorithm research, regional inversion model improvements, and so on. Thus the prospects for the future development are proposed, and the monitoring technology innovation is expected.

Key words:case II waters; suspended sediment; remote sensing monitoring technology

文章編號:1674-232X(2016)01-0108-05

中圖分類號:TP79

文獻標志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.01.020

通信作者：于之鋒(1984—)，男，講師，博士，主要從事環(huán)境遙感研究.E-mail:zhifeng_yu@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41206169)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY13D010008); 國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201309036)；國家863計劃課題資助(2014AA123301);衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室開放基金項目(SOED1304)；浙江省新苗人才計劃(2014R421021).

收稿日期：2015-05-17