舟山近海域懸浮泥沙濃度遙感反演研究

錢揚(yáng)風(fēng)， 郭碧云， 黃 東， 羅鳳云， 韓錄維

(浙江海洋學(xué)院, 浙江舟山 31600)

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舟山近海域懸浮泥沙濃度遙感反演研究

錢揚(yáng)風(fēng)， 郭碧云*， 黃 東， 羅鳳云， 韓錄維

(浙江海洋學(xué)院, 浙江舟山 31600)

摘要[目的]采用衛(wèi)星遙感方法反演舟山海域懸浮泥沙的分布，并進(jìn)一步探索適合的反演模型，為以后舟山海域懸浮泥沙遙感研究提供參考依據(jù)。[方法]利用實(shí)測數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室分析的方法，對(duì)舟山海域不同水體進(jìn)行光譜分析，建立水體遙感反射率與懸浮泥沙濃度之間3種不同的反演模型。[結(jié)果]遙感參數(shù)反演模型的反演效果最好；對(duì)數(shù)反演模型次之，對(duì)數(shù)模型下TM4波段的相關(guān)系數(shù)最大，TM3波段的相關(guān)系數(shù)最??；線性反演模型最差，線性模型下TM2波段的相關(guān)系數(shù)最大，TM3波段的相關(guān)系數(shù)最小。[結(jié)論]在舟山海域采用遙感參數(shù)模型可以獲得較高的反演精度。

關(guān)鍵詞舟山海域；懸浮泥沙；遙感反射率；反演模型

Remote Sensing Retrieval of Suspended Sediment Concentration in Near Sea Area of Zhoushan

QIAN Yang-feng, GUO Bi-yun*, HUANG Dong et al(Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 31600)

Abstract[Objective] The distribution of suspended sediment in Zhoushan sea area was retrieved by using satellite remote sensing method, and the suitable inversion model was further explored, which will provide reference for remote sensing study of suspended sediment in Zhoushan sea area.[Method] Using field data, remote sensing data and laboratory analysis method, spectral analysis of different water bodies in Zhoushan sea area was carried out, and three kinds of inversion models between water body remote sensing reflectance and suspended sediment concentration were established.[Result] The results showed that the inversion effect of remote sensing parameters model was the best.The second was Logarithmic inversion model.The correlation coefficient was the largest in TM4 band and the smallest in TM3.The linear inversion model was the worst.The correlation coefficient was the largest in TM2 band and the smallest in TM3.[Conclusion] The higher inversion accuracy can be obtained by using the remote sensing parameters model in Zhoushan sea area.

Key wordsZhoushan sea area; Suspended sediment; Remote sensing reflectance; Inversion model

水體中的懸浮泥沙含量是重要的水質(zhì)參數(shù)之一。懸浮泥沙濃度對(duì)研究水流挾沙能力和河口水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等具有重要作用，對(duì)研究海岸帶的水質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境以及海岸工程、港口建設(shè)等具有重要意義[1]。傳統(tǒng)懸浮泥沙調(diào)查方法是利用船只在相關(guān)海域進(jìn)行逐點(diǎn)采樣分析，速度慢，周期長，只能獲得在時(shí)間和空間分布上都很離散的少量數(shù)據(jù)，而且這種傳統(tǒng)的調(diào)查方法存在著很多實(shí)際操作上的困難。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感監(jiān)測逐漸從定性發(fā)展到定量，遙感精度逐漸提高。利用衛(wèi)星遙感大范圍、周期短的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大面積水域懸浮泥沙動(dòng)態(tài)、連續(xù)的觀測，為近海海域懸浮泥沙研究提供了新的有效手段。

關(guān)于我國海區(qū)懸浮泥沙遙感的研究較多，但比較集中在一些重點(diǎn)河口和港灣，如長江口、珠江口、杭州灣、渤海灣等，對(duì)舟山海域懸浮泥沙遙感研究較少，建立的反演模型不夠完善。舟山海域緊鄰長江入?？冢瑣u嶼星羅棋布，近岸海流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，影響泥沙運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力機(jī)制多樣，其特殊的地理位置、島嶼的緊密分布以及人類活動(dòng)對(duì)舟山海域懸浮泥沙分布有較大影響。對(duì)舟山海域懸浮泥沙分布的研究可以為舟山未來的海洋生態(tài)建設(shè)、海洋工程建設(shè)與海洋資源的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，探索適合舟山海域的懸浮泥沙反演模型。

1研究區(qū)概況

舟山群島位于浙江省東北部，長江口南側(cè)，杭州灣外緣的東海洋面上，地理坐標(biāo)為121°31′~123°25′E、29°32′~31°04′N，總面積22 000 km2，其中海域面積20 800 km2，陸域面積1 440 km2。舟山群島由1 390個(gè)大小島嶼組成，是全國第一大群島(圖1)。舟山群島為海島丘陵地貌，群島呈西南—東北走向，南部大島較多，海拔較高，排列密集；北部以小島為主，地勢漸低，分布稀疏。舟山群島屬北亞熱帶南緣季風(fēng)海洋型氣候，四季分明，冬暖夏涼，年溫適中，光熱充裕，蒸發(fā)量大，降雨偏少[2]。2011年6月30日，國務(wù)院正式批準(zhǔn)設(shè)立浙江舟山群島新區(qū)，也是首個(gè)以海洋經(jīng)濟(jì)為主題的國家級(jí)新區(qū)。研究舟山近海域懸沙分布對(duì)舟山建設(shè)國家級(jí)新區(qū)，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)具有重要意義。

2數(shù)據(jù)來源與處理

2.1實(shí)測數(shù)據(jù) 該研究采用的測量數(shù)據(jù)是2015年7月2日搭乘浙江海洋學(xué)院浙?？?號(hào)科考船出海測量所得，觀測點(diǎn)共6個(gè)(圖2)。采用合肥儀思特光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ISI921VF系列野外地物光譜輻射計(jì)對(duì)不同海域水體的光譜值進(jìn)行測量，獲得該海域水體的各種光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)利用采水器獲得不同觀測點(diǎn)位置的水樣。

圖2　測量點(diǎn)位置示意Fig.2　Position of observation point

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1等效遙感反射率計(jì)算。建立懸浮泥沙實(shí)際濃度與遙感反射率之間的關(guān)系，需將各種實(shí)地測量的光譜值轉(zhuǎn)化為遙感反射率。由遙感反射率Rs的定義可知：

Rs=Lw/Es

(1)

式中，Lw為離水輻亮度；Es為水面入射輻照度。這2個(gè)值都不是直接的測量值,需對(duì)測量數(shù)據(jù)處理分析才能得到。海水的離水輻亮度Lw與海水輻射率Lseawater、天空漫散射光信號(hào)Lsky的關(guān)系為：

Lseawater= Lw+ rLsky+ Lg

(2)

式中，海水輻射率Lseawater、天空漫散射光信號(hào)Lsky是直接的測量值，r是水-氣界面反射率, 也稱為菲涅耳反射系數(shù)。Lg為太陽的鏡面輻射率，通常情況下這一項(xiàng)很難測量，但如果采用適當(dāng)?shù)臏y量方位角和儀器觀測角度，此項(xiàng)的作用可以避免。在避開太陽直接反射、忽略或避開白帽的情況下，可以忽略太陽鏡面反射率Lg。式(2)化簡可得到海水離水輻射率：

Lw=Lseawater- rLsky

(3)

水面入射輻照度Es與標(biāo)準(zhǔn)板的反射信號(hào)Lp及標(biāo)準(zhǔn)板的反射率ρP有關(guān),兩者均是直接的測量值，計(jì)算公式為：

Es= π Lp/ρP

(4)

推算遙感反射率的目的是建立其與懸浮泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系，但是反演泥沙分布使用的是TM衛(wèi)星影像，所以在進(jìn)行分析時(shí),要實(shí)現(xiàn)光譜儀測得的光譜值與TM數(shù)據(jù)之間的等效遙感反射率的計(jì)算[3]。TM衛(wèi)星影像指美國陸地衛(wèi)星Landsat4-5號(hào)專題制圖儀(thematicmapper)所獲取的多波段掃描影像，分為7個(gè)波段：TM1(450~520nm)藍(lán)光波段、TM2(520~600nm)綠光波段、TM3(630~0.69nm)紅光波段、TM4(760~900nm)近紅外波段、TM5(1 550~1 750nm)中紅外波段、TM6(1 040~1 250nm)熱紅外波段、TM7(2 080~2 350nm)中遠(yuǎn)紅外波段。該研究選用前4個(gè)波段，將遙感反射率等效計(jì)算為TM影像上1~4波段的反射率，結(jié)果見表1。

表1　等效計(jì)算各TM波段下對(duì)應(yīng)的遙感反射率

2.2.2懸浮泥沙濃度測量。在實(shí)驗(yàn)室采用過濾稱重法對(duì)在不同觀測點(diǎn)采集的水樣泥沙濃度進(jìn)行測量。先定量量取200 mL搖勻水樣并置于漏斗中，用抽濾機(jī)將漏斗中的海水快速抽離，得到覆蓋懸浮泥沙的濾紙片。然后將覆蓋懸浮泥沙的濾紙片中的水分烘干，用電子天平稱量得到烘干后濾紙與懸浮泥沙總質(zhì)量，減去提前測出的濾紙片質(zhì)量即可得到懸浮泥沙質(zhì)量，最后除以水樣體積即為懸浮泥沙含量。懸浮泥沙含量計(jì)算公式為：

懸沙含量=懸沙質(zhì)量/水樣體積

(5)

2015年7月2日各取樣點(diǎn)表層含沙量見表2。

3結(jié)果與分析

3.1懸浮泥沙水體的光譜特征分析運(yùn)用MATLAB繪制出遙感反射率光譜曲線，結(jié)果見圖3。不同波段電磁波對(duì)海水的穿透能力存在差異，不同含沙量水體對(duì)太陽輻射光譜的反射率明顯不同。從圖3可以看出，隨著水體含沙量的增加，各波段的反射率都普遍增大，但其增幅不同。懸浮泥沙光譜反射率普遍具有雙峰特征，第一反射峰位置在500～600 nm波段，第二反射峰位置在750～850 nm波段。當(dāng)水體中懸浮泥沙含量增加時(shí)，波譜上的反射峰由短波向長波方向移動(dòng)，即所謂的“紅移現(xiàn)象”。隨著水體中懸浮泥沙濃度改變，各波段上反射率的改變存在差異。有的波段改變大，說明該波段對(duì)懸浮泥沙變化敏感，懸浮泥沙信息比較豐富；而有的波段基本不改變，即該波段基本不含有懸浮泥沙信息，因此在反演過程中要選擇對(duì)懸浮泥沙濃度敏感的波段[4-5]。對(duì)此，考慮建立不同的反演模型來探求舟山海域懸浮泥沙的適合反演模型。

表2不同觀測點(diǎn)表層水體含沙量

Table 2The sediment concentration of surface water in various observation sites

樣點(diǎn)標(biāo)號(hào)Locationlabel濃度Concentrationmg/L經(jīng)緯度Latitudeandlongitude1112.75122°20.463'E、29°53.908'N2108.25122°11.680'E、29°55.099'N3108.00122°15.191'E、29°51.302'N495.75122°18.132'E、29°54.248'N578.50122°17.880'E、29°50.638'N678.25122°13.547'E、29°52.513'N

圖3　不同濃度懸浮泥沙水體反射波譜曲線Fig.3　Reflection spectrum curve of suspended sediment in different concentration

3.2懸浮泥沙反演模型的建立

3.2.1線性模型。不同TM波段對(duì)懸浮泥沙的敏感程度不同，得到的反演模型精度也不同，據(jù)此建立不同TM單波段與遙感反射率的線性相關(guān)模型。首先在整個(gè)波段，如圖3所示，每個(gè)固定波長下存在6個(gè)觀測點(diǎn)遙感反射率，將這6個(gè)觀測點(diǎn)的遙感反射率與其對(duì)應(yīng)的6個(gè)觀測點(diǎn)的懸浮泥沙濃度比較，對(duì)遙感反射率與懸浮泥沙濃度兩組數(shù)作線性回歸分析得出該波長下的線性相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而推廣至整個(gè)波段，計(jì)算出每個(gè)波長下采樣點(diǎn)遙感反射率與懸浮泥沙濃度的線性相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見圖4。

圖4　波長與線性相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線Fig.4　The corresponding curves of wavelength and linear correlation coefficient

從圖4可以看出，在400~900 nm波段下相關(guān)系數(shù)均非常大，平均值在0.9以上。在900 nm之后的波段出現(xiàn)不規(guī)則大幅波動(dòng)，平均相關(guān)系數(shù)不大，故不考慮900 nm之后的TM5、TM6、TM7波段。分別在TM1、TM2、TM3、TM4波段上，對(duì)不同TM波段等效遙感反射率與泥沙濃度做線性相關(guān)分析，并得到線性回歸方程與相關(guān)系數(shù)(表3)。從表3可以看出，TM2波段下的相關(guān)系數(shù)最大，TM1與TM4波段次之，TM3波段下的相關(guān)系數(shù)最小。

表3　線性回歸方程與相關(guān)系數(shù)

注：參數(shù)X代表遙感反射率；Y代表懸浮泥沙濃度。

Note: ParameterXstands for remote sensing reflectance;Ydenotes suspended sediment concentration.

3.2.2對(duì)數(shù)模型。2000年朱立俊等[6]根據(jù)不同海區(qū)的陸地衛(wèi)星資料及地面同步實(shí)測數(shù)據(jù)，建立了水體懸浮泥沙對(duì)數(shù)反演模型，其表達(dá)式為：

X= - 5 714 + 0.595 2 log10S

(6)

式中，X為陸地衛(wèi)星TM3波段與TM2波段(或MSS5波段與MSS4波段)反射率比值；S為水體懸浮泥沙濃度[6-8]。參考建立此對(duì)數(shù)模型的方法，建立適合舟山海域的對(duì)數(shù)模型。采用“3.2.1”同樣的數(shù)據(jù)分析方法，得出整個(gè)波長下遙感反射率與懸浮泥沙濃度的對(duì)數(shù)相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見圖5。從圖5中可以得出與表3線性模型相似的結(jié)論，在400~920 nm波段下相關(guān)系數(shù)均非常高，平均相關(guān)系數(shù)在0.9以上。在920 nm之后的波段出現(xiàn)不規(guī)則大幅波動(dòng)，不適宜取TM5、TM6、TM7波段，故略去。據(jù)此在TM1、TM2、TM3、TM4波段建立回歸方程，得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)(表4)。從表4可以看出，總體上4個(gè)波段相關(guān)系數(shù)都比較大，不同波段之間差別不明顯。其中TM4波段下的相關(guān)系數(shù)最大，TM1、TM2波段次之，TM3波段下的相關(guān)系數(shù)最小。

圖5　波長與對(duì)數(shù)相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)曲線Fig.5　The corresponding curves of wavelength and logarithm correlation coefficient

Table 4 Logarithmic regression equation and correlation coefficient

波段Band∥nm回歸方程Regressionequation相關(guān)系數(shù)CorrelationcoefficientTM1450~520Y=22.435lnX+57.160.9814TM2520~600Y=25.548lnX+44.110.9832TM3620~690Y=23.091lnX+53.860.9814TM4760~900Y=12.648lnX+87.530.9867

注：參數(shù)X代表遙感反射率；Y代表懸浮泥沙濃度。

Note: Parameter X stands for remote sensing reflectance; Y denotes suspended sediment concentration.

3.2.3遙感參數(shù)模型。550 nm波段對(duì)葉綠素濃度較為敏感，而490 nm波段對(duì)葉綠素濃度也較為敏感。通過兩者的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)490 nm處的遙感反射率和550 nm處的遙感反射率高度相關(guān)，兩者相除，可以去除葉綠素對(duì)懸浮泥沙遙感信息的干擾，于是韓震等[9]提出采用遙感參數(shù)XS來建立與泥沙濃度的反演模型，遙感參數(shù)XS即：

XS=[R(λ5)+R(λ6) /R(λ4)]/R(λ5)

(7)

式中，R為各個(gè)波段下的遙感反射率，λ4、λ5、λ6分別對(duì)應(yīng)490、550、670 nm波段。R(λ5)+R(λ6)可以較好地反映出懸浮泥沙的特征，R(λ4)/R(λ5)可以去除葉綠素對(duì)懸浮泥沙遙感信息的干擾[9-10]。利用公式(7)計(jì)算得到6個(gè)觀測點(diǎn)的遙感參數(shù)XS(表5)，與對(duì)應(yīng)的懸浮泥沙濃度做相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)遙感參數(shù)XS與懸浮泥沙濃度呈對(duì)數(shù)關(guān)系時(shí)相關(guān)系數(shù)最大。圖6為遙感參數(shù)XS與懸浮泥沙濃度的擬合曲線。圖6中反演模型的相關(guān)系數(shù)為0.993 4，是3個(gè)模型中最高的，可見遙感參數(shù)模型對(duì)懸浮泥沙濃度遙感反演結(jié)果最好。

表5　不同采樣點(diǎn)的遙感參數(shù)XS

4結(jié)論

懸浮泥沙分布研究對(duì)舟山海域的生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。該研究基于遙感技術(shù)在該海域不同海區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場測量，建立遙感反射率與懸浮泥沙濃度之間3種不同的反演模型，結(jié)果表明：

(1)線性模型是3個(gè)模型中相關(guān)系數(shù)最小的，在TM1~TM4波段中相關(guān)系數(shù)最大的在TM2波段，最小在TM3波段。

圖6　泥沙遙感參數(shù)與實(shí)際含沙量的相關(guān)性分析曲線Fig.5　 Correlation analysis curve between remote sensing parameters and actual sediment

從整個(gè)波段上來看，平均相關(guān)系數(shù)最好的波段是420~600 nm和730~830 nm,兩者的平均相關(guān)系數(shù)均在0.94以上。

(2)對(duì)數(shù)模型的相關(guān)性在3者中處于中間位置，相關(guān)系數(shù)最大的是在TM4波段，最小的是在TM3波段。

(3)遙感參數(shù)模型是3個(gè)模型中相關(guān)系數(shù)最大的，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.993 4。在以后對(duì)舟山海域懸浮泥沙遙感反演研究中可以首先考慮遙感參數(shù)模型，以取得較高的精度。

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收稿日期2015-12-16

作者簡介錢揚(yáng)風(fēng)(1994- )，男，安徽舒城人，本科生，專業(yè)：海洋科學(xué)。*通訊作者，副教授，博士，從事海洋遙感和地理信息科學(xué)研究。

基金項(xiàng)目浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2014R4 11036)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479179)；浙江海洋學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目；浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)項(xiàng)目。

中圖分類號(hào)S 951.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)03-294-04