MODIS/Terra輔助的HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)懸浮泥沙濃度反演研究

李文凱， 曾 群，2， 田禮喬， 張海東， 孫兆華, 余永明

(1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079；2.華中師范大學(xué) 學(xué)報編輯部， 武漢 430079；3.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079；4.中國科學(xué)院 邊緣海地質(zhì)重點實驗室 南海海洋研究所， 廣州 510301；5.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 北京 100101)

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MODIS/Terra輔助的HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)懸浮泥沙濃度反演研究

李文凱1， 曾 群1，2， 田禮喬3*， 張海東1， 孫兆華4, 余永明5

(1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079；2.華中師范大學(xué) 學(xué)報編輯部， 武漢 430079；3.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079；4.中國科學(xué)院 邊緣海地質(zhì)重點實驗室 南海海洋研究所， 廣州 510301；5.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 北京 100101)

針對MODIS/Terra傳感器服役時間超期需要后續(xù)衛(wèi)星延續(xù)觀測以及國產(chǎn)陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)水環(huán)境遙感應(yīng)用問題，以深圳灣為研究區(qū)域，利用2007年～2008年獲取的40個現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與MODIS/Terra NIR-SWIR大氣校正反射率數(shù)據(jù)建立MODIS懸浮泥沙濃度反演模型，以此為基礎(chǔ)，反演2010年～2012年4景MODIS懸浮泥沙濃度分布狀況，展開同步的瑞利散射校正反射率(Rrc)多波段組合因子的HJ-1B CCD1影像懸浮泥沙濃度反演模型對比研究.結(jié)果表明，在不進(jìn)行氣溶膠校正的情況下，HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)波段比值算法(Rrc(660)/Rrc(560))可以有效實現(xiàn)深圳灣懸浮泥沙濃度的反演，反演模型的決定系數(shù)為0.88，均方根誤差為7.19 mg/L，模型驗證的相對誤差為7.45%，該研究對于進(jìn)一步推進(jìn)水環(huán)境遙感監(jiān)測有一定的積極意義.

懸浮泥沙； 深圳灣； 遙感反演； MODIS/Terra； HJ-1B CCD1

懸浮泥沙濃度是II類水體環(huán)境評價的一個重要參數(shù)，對水體營養(yǎng)鹽及污染物的運輸、光在水體中的傳輸、表層沉積物的分布特征及運輸趨勢等有重要影響[1-2].對于懸浮泥沙濃度的監(jiān)測，傳統(tǒng)的船舶實測方法成本高、時效性差，衛(wèi)星遙感由于具有長時序同步大面積觀測的特點，是海洋水色參數(shù)監(jiān)測的有效手段之一.

1999年和2002年發(fā)射的Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器因其中等空間分辨率、短重訪周期、高靈敏度以及免費的數(shù)據(jù)發(fā)放政策成為懸浮泥沙濃度遙感研究的重要數(shù)據(jù)源[3-8].但是，由于Terra和Aqua衛(wèi)星服役時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其設(shè)計壽命存在隨時退役的可能，亟需考慮其它后續(xù)衛(wèi)星傳感器的延續(xù)觀測問題，以保證衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的延續(xù)性.

“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星”(HJ-1A/1B衛(wèi)星)各配備兩臺CCD相機(jī)，地面像元分辨率為30 m，具有3個可見光譜段(藍(lán)、綠、紅)和一個近紅外譜段，組網(wǎng)重訪周期為2 d，過境時間與Terra衛(wèi)星準(zhǔn)同步，HJ-1A/1B CCD是延續(xù)觀測的理想數(shù)據(jù)源之一[9-11].

衛(wèi)星傳感器進(jìn)行II類水體水色遙感應(yīng)用的關(guān)鍵難題之一在于業(yè)務(wù)化的精確氣溶膠校正處理[12]，目前很多研究采用經(jīng)過瑞利散射校正后的數(shù)據(jù)開展泥沙反演模型研究[5-7,9-11].此外，代偵勇等人提出的一種懸浮泥沙濃度指數(shù)法(Total Suspended Matter Index，TSMI)從一定程度上消除了瑞利散射校正處理后的氣溶膠殘余影響[11].

本文以深圳灣為研究區(qū)域，對比分析了MODIS懸浮泥沙產(chǎn)品輔助的HJ-1B衛(wèi)星CCD1影像的各種波段組合情況下的懸浮泥沙濃度反演方法，驗證了缺乏實測數(shù)據(jù)且無精確大氣氣溶膠校正的HJ-1B衛(wèi)星CCD1懸浮泥沙濃度遙感反演的可行性，評價了HJ-1B衛(wèi)星CCD1延續(xù)MODIS/Terra觀測的潛力.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

深圳灣(22°24′18″～22°32′12″N， 113°53′06″～114°02′30″E) 地處深圳東南面，東接香港，為珠江口東側(cè)的一個半封閉海灣，水深較淺.海灣灣長約17.5 km，水面寬約4.2 km.深圳灣是該地區(qū)重要的航運、娛樂、水產(chǎn)養(yǎng)殖與生態(tài)調(diào)控區(qū)，主要沉積物為深圳河及潮流攜帶的泥沙.圖1為研究區(qū)域及實測站位分布圖.

圖1 深圳灣區(qū)域及觀測站位分布Fig.1 Location of sampling stations in Deep Bay

1.2實測和影像數(shù)據(jù)

實測懸浮泥沙濃度通過光學(xué)后向散射濁度計(Optical Back Scattering，OBS)監(jiān)測獲取的2007年和2008年每半小時一次的濁度數(shù)據(jù)與標(biāo)定水樣數(shù)據(jù)聯(lián)合測定.濁度計安裝于K1(113°53′13″E，22°26′18″N)、A1(113°53′30″E，22°25′3″N)兩個站位點(圖1)；標(biāo)定水樣取自濁度計處，培干法處理后于1/10000電子天平上稱重獲得泥沙含量；測定方法是根據(jù)標(biāo)定資料建立OBS-3A濁度計濁度值與懸浮泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系模型，計算懸浮泥沙濃度.

MODIS/Terra 0級數(shù)據(jù)從NASA官方網(wǎng)站下載獲得(https://ladsweb.nascom.nasa.govdatasearch.html)，使用SeaDAS6.4軟件進(jìn)行大氣校正和幾何校正，獲得250 m空間分辨率的MODIS/Terra地表反射率產(chǎn)品，通過裁剪和人工識別，獲得覆蓋深圳灣地區(qū)的紅、綠光波段數(shù)據(jù).

HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心下載獲得(http://www.cresda.com/favicon.ico)，并進(jìn)行瑞利散射校正處理，然后進(jìn)行懸浮泥沙指數(shù)計算.

2 懸浮泥沙濃度反演

2.1大氣校正和TSMI算法

忽略對大氣校正精度影響較小的參數(shù)，如水體底質(zhì)反射、多次散射、白帽反射等，可以認(rèn)為大氣層頂接收到的輻射信號構(gòu)成主要是大氣分子散射(瑞利散射)、離水輻亮度和氣溶膠散射，用遙感反射率表示為：

ρt(λ)=ρr(λ)+ρa(λ)+t(λ)ρw(λ)，

(1)

其中，ρt(λ)為總體反射率，ρr(λ)為瑞利散射，ρa(λ)為氣溶膠散射，t(λ)為大氣漫射透過率，ρw(λ)為離水反射率.

瑞利散射利用平行分層大氣輻射傳輸方程計算，根據(jù)單次瑞利散射的計算公式[12]：

(2)

其中，ωr為單次散射率，ωr為瑞利光學(xué)厚度，ρ(θ)、ρ(θ0)分別為傳感器、太陽天頂角的θ、θ0的菲涅爾反射率，Pr(α+)為單個粒子的瑞利散射相位函數(shù).

MODIS氣溶膠散射根據(jù)短波紅外大氣校正算法計算獲得：

(3)

HJ-1B CCD1影像TSMI指數(shù)的計算公式為[11]：

(4)

2.2基于MODIS/Terra數(shù)據(jù)的CTSM反演模型建立與檢驗

根據(jù)深圳灣水域的前期研究成果[10]，使用紅光/綠光波段組合模型，選取2007年～2008有實測數(shù)據(jù)的對應(yīng)無云污染的高質(zhì)量MODIS數(shù)據(jù)，共有40組數(shù)據(jù)可以用于懸浮泥沙濃度CTSM反演，本實驗中，33組用于建模，7組用于檢驗(見圖2和圖3)，決定系數(shù)R2為0.80，均方根誤差為5.06 mg/L.具體反演公式如下：

(5)

其中，Rrs(645)為紅光波段地表反射率，Rrs(555)為綠光波段地表反射率.

2.3基于HJ-CCD數(shù)據(jù)的CTSM反演模型的建立和檢驗

由于HJ衛(wèi)星CCD沒有設(shè)置短波紅外波段，無法利用Wang等提出的NIR-SWIR業(yè)務(wù)化大氣校正改進(jìn)算法進(jìn)行處理，本文分別使用經(jīng)過瑞利散射校正的紅光與綠光的波段差值(Rrc(660)-Rrc(550))、波段比值(Rrc(660)/Rrc(550))以及TSMI算法抵消氣溶膠影響，并比較這3類算法在本研究中的可行性.

圖2 MODIS/Terra 影像Rrs(645)/Rrs(555)與實測懸浮泥沙濃度指數(shù)關(guān)系模型及模型驗證Fig.2 Regression relationship between CTSM and Rrs(645)/Rrs(555) of MODIS/Terra and the validation of Model

用以上建立的MODIS CTSM反演模型計算2010年11月08日過境深圳灣的MODIS/Terra的CTSM，將結(jié)果與HJ-1B CCD1對應(yīng)的Rrc(660)-Rrc(550)、Rrc(660)/Rrc(550)和TSMI(660)組合因子構(gòu)建 HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)的CTSM反演模型.

選擇2010年至2012年多景數(shù)據(jù)準(zhǔn)同步的HJ-1B CCD1和MODIS/Terra數(shù)據(jù)，分別根據(jù)各自的CTSM反演模型計算懸浮泥沙濃度，比較分析HJ-1B CCD1不同算法的CTSM反演效果.

2.4基于HJ-CCD數(shù)據(jù)的CTSM反演與分析

應(yīng)用經(jīng)過驗證的HJ-1B CCD1CTSM反演模型，挑選2010年～2012年3年多景HJ-1B CCD1傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行CTSM遙感反演，并比較分析250 m分辨率下的HJ-1B CCD1泥沙產(chǎn)品相對于MODIS/Terra泥沙產(chǎn)品的誤差.

3 結(jié)果與討論

3.1結(jié)果分析

圖3和表1為利用2010年11月08日準(zhǔn)同步的HJ-1B CCD1和MODIS/Terra數(shù)據(jù)紅光、綠光波段差值、比值以及單波段TSMI算法的CTSM反演回歸模型.從相關(guān)分析的決定系數(shù)(R2)及均方更誤差(RMSE)來看，Rrc(660)-Rrc(550)、Rrc(660)/Rrc(550)、TSMI(550)和TSMI(660)能夠很好的反演深圳CTSM，TSMI(550)算法的決定系數(shù)僅為0.15，相關(guān)關(guān)系不明顯.

圖3 深圳灣MODIS/Terra CTSM與HJ-1B CCD1遙感因子之間的回歸關(guān)系Fig.3 Regression models between MODIS-based CTSM and HJ-CCD

自變量因子CTSM反演模型決定系數(shù)R2(a)Rrc(660)?Rrc(550)y=114．83×e46．08x088(b)Rrc(660)/Rrc(550)y=217．18x-108．83088(c)TSMI(550)y=3154．19x+16．28015(d)TSMI(660)y=3318．84x+34．94081

a) Rrc(660)Rrc(550) b)Rrc(660)/Rrc(550) c) TSMI(660)圖4 CTSM HJ-1B CCD1不同算法驗證Fig.4 Match-up comparison of CTSM between HJ-CCD and MODIS/Terra

利用建立的模型，選擇2012年10月11日的MODIS/Terra和HJ-1B CCD1影像，分別反演懸浮泥沙濃度，交叉比較反演結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于紅、綠光波段差值和TSMI算法的CTSM反演模型相對誤差達(dá)到29.23%和42.34%，不適宜于懸浮泥沙反演.而Rrc(660)/Rrc(550)算法的相對誤差為7.54%，可以認(rèn)為該算法模型能夠在不同年份進(jìn)行懸浮泥沙反演.

3.2懸浮泥沙濃度反演評價

利用建立的模型，分別對深圳灣2010年01月06日和2011年04與02日的懸浮泥沙濃度進(jìn)行反演.圖5描述了這兩天懸浮泥沙濃度在空間上的分布和相對于MODIS/Terra反演結(jié)果的偏差，HJ-1B CCD1影像懸浮泥沙濃度以30 m空間分辨率展示，偏差計算采用250 m空間分辨率數(shù)據(jù)實現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，HJ-1B CCD1影像的反演結(jié)果偏差總體上維持在較低的水平，但有少數(shù)像素(250×250 m)誤差較小.這可能主要因為深圳灣是高動態(tài)水域，潮汐作用顯著、人類活動頻繁，泥沙時空分布變化劇烈，MODIS/Terra和HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)成像時間只能達(dá)到準(zhǔn)同步水平，基于單景影像的反演模型適用性有待進(jìn)一步提高.

圖5 基于Rrc(660)/Rrc(550)算法的深圳灣HJ-1B CCD1影像CTSM反演結(jié)果和偏差Fig.5 Maps of CTSM and RME generated by HJ1B-CCD1 Rrc(660)/Rrc(550) algorithm in the Deep Bay

4 結(jié)論

本文運用實測懸浮泥沙濃度與MODIS/Terra紅光、綠光波段比值進(jìn)行回歸分析，建立的懸浮泥沙濃度反演模型表現(xiàn)出了良好的相關(guān)性(R2=0.80，N=33).MODIS/Terra數(shù)據(jù)輔助的HJ-1B CCD1數(shù)據(jù)的懸浮泥沙濃度反演模型的回歸分析結(jié)果(R2=0.88，RMSE=7.19mg/L)和驗證結(jié)果(MRE=7.45%，N=717)表明瑞利散射校正下的波段比值氣溶膠散射抵消方法能實現(xiàn)HJ-1B CCD1影像懸浮泥沙濃度反演.研究結(jié)果表明：

1) 對于難以實現(xiàn)精確氣溶膠校正的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用瑞利散射校正相鄰波段組合可以實現(xiàn)懸浮泥沙濃度反演；

2) 對于MODIS傳感器停止使用后產(chǎn)生的懸浮泥沙濃度監(jiān)測空白問題，準(zhǔn)同步的HJ-CCD數(shù)據(jù)能在一定程度上實現(xiàn)延續(xù)觀測；

3) 對于部分缺乏同步實測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳感器，利用同步衛(wèi)星的產(chǎn)品輔助進(jìn)行懸浮泥沙濃度反演是一個可行方法.

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Estimation of total suspended matter concentration from HJ-1B CCD1 imagery with the assistance of MODIS imagery

LI Wenkai1， ZENG Qun1，2， TIAN Liqiao3， ZHANG Haidong1，SUN Zhaohua4， YU Yongming5

(1.School of Urban and Environment Science， Central China Normal University， Wuhan 430079;2.Editorial Department of Journal， Central China Normal University， Wuhan 430079;3.State Key laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and remote sensing， Wuhan University， Wuhan 430079;4.South China Sea Institute of Oceanology， Key Laboratory of Marginal Sea Geology，Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510301;5.Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute CO., Beijing 100101)

This study is put forward as the requirement of satellite data for MODIS sensors with extended service and the application of Chinese satellite data to water environments monitoring. Taking the Deep Bay as the study area， the retrieval model is established for suspended matter concentration with 40 field-measured data and atmospheric correction reflectance data of NIR-SWIR band by MODIS/Terra from 2007 to 2008. Based on the above model， the distribution data of suspended matter concentration is retrieved through 4 MODIS imageries from 2010 to 2014. Then the results are analyzed withCTSMdata generated from HJ-1B CCD images which is corrected simultaneously by Rayleigh-corrected reflectance (Rrc) in multiple wavebands and combined indices. The results show that the Rayleigh-corrected reflectance ratio (Rrc(660)/Rrc(560)) is able to reach an acceptable accuracy withR2of 0.88 ，RMSEof 7.19 mg/L and the relative error of validation of 7.45% under the non-aerosol correction conditions. This work is positive for water environment monitoring．

suspended matter concentration; the Deep Bay; Remote Sensing retrieval; MODIS/Terra； HJ-1B CCD1

2016-01-20.

國家自然科學(xué)基金項目(41571344；41406205)；測繪遙感信息工程國家重點實驗室專項科研經(jīng)費資助項目.

1000-1190(2016)04-0619-05

R237;P332

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: tianliqiao@whu.edu.com.