基于Crosta方法的珠江口總懸浮物遙感異常信息提取研究

高峰 王云鵬 胡歆怡

摘要：指出了水體總懸浮物濃度是水質(zhì)評價的重要參數(shù)之一，通過遙感影像和實(shí)測總懸浮物濃度建立的總懸浮物濃度定量遙感反演模式在區(qū)域應(yīng)用上往往具有局限性?；贑rosta方法，利用波段組合TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7提取了水體總懸浮物遙感異常信息。結(jié)果表明：兩組波段組合的主分量PC1可以作為水體總懸浮物濃度遙感異常信息的指示分量，并且利用MERIS總懸浮物濃度產(chǎn)品數(shù)據(jù)對該指示分量做了驗(yàn)證。該研究結(jié)果可以為缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的河口和內(nèi)陸水體提供一種新的研究水體總懸浮物濃度的思路。利用長時間序列的Landsat TM影像數(shù)據(jù)，從宏觀角度研究內(nèi)陸水體總懸浮物濃度的時空分布和動態(tài)變化等。

關(guān)鍵詞：總懸浮物;Crosta方法;Landsat TM; MERIS遙感異常信息

中圖分類號：X522

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0001-05

1引言

水體總懸浮物作為水質(zhì)評價的重要參數(shù)之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。它能夠直接影響水體的渾濁度、透明度和水色等光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響水生生物的初級生產(chǎn)力。另外，水體懸浮泥沙是多種營養(yǎng)鹽養(yǎng)分和有機(jī)污染物的重要載體，能夠直接影響河口海岸營養(yǎng)鹽的動態(tài)和污染物的遷移，同時也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。因此，精確高效的獲取和監(jiān)測水體懸浮物含量，分析其時空變化特征，探究其潛在運(yùn)動規(guī)律，對河口及內(nèi)陸水體水生生態(tài)環(huán)境的評估、監(jiān)測、防治和持續(xù)開發(fā)與利用具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。同時也能為相關(guān)領(lǐng)域和政府決策部門提供科學(xué)的參考和重要的決策依據(jù)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有一定的推動作用。

傳統(tǒng)意義上，總懸浮物濃度數(shù)據(jù)的獲取主要通過水面定點(diǎn)采樣、實(shí)驗(yàn)室測定。該方法不但耗時費(fèi)力，成本高，而且難以實(shí)時的監(jiān)測和研究水體懸浮物的動態(tài)變化。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感作為一種新的技術(shù)手段引入到了水體懸浮物的研究中來。遙感影像具有宏觀監(jiān)測、實(shí)時動態(tài)及快速成像等特點(diǎn)，已經(jīng)成為定量反演和監(jiān)測水體懸浮物的有效手段。

國內(nèi)外學(xué)者利用多源遙感影像數(shù)據(jù)，對水體懸浮物的定量遙感反演做了大量研究工作。劉大召等利用2006年12月4日實(shí)測珠江口高光譜遙感反射率數(shù)據(jù)和懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)，對珠江口海域的表層水體懸浮泥沙遙感定量反演進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)的懸浮泥沙濃度定量遙感反演模式。劉汾汾等利用實(shí)測遙感反射率和懸浮泥沙數(shù)據(jù)，基于MERIS數(shù)據(jù)建立了反演珠江口懸浮泥沙的分段算法，取得了很好的效果 。朱樊等利用MODIS數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)反演方法，建立了珠江口懸浮泥沙濃度與MODIS第一波段反射率的指數(shù)反演模型，該模型能較好的反演濃度介于0.014～0.3kg/m?珠江口的懸浮泥沙濃度 。

Miller和McKee基于MODIS 250m分辨率第一波段（620--670nm）和實(shí)測總懸浮物濃度數(shù)據(jù)建立了墨西哥北部海灣定量遙感反演總懸浮物濃度的線性模型。然而根據(jù)實(shí)測水體懸浮物遙感反射率和懸浮物濃度濃度建立的定量遙感反演模式具有區(qū)域和時間上的局限，難以在其他地區(qū)或時間上精確反演懸浮物濃度和反映懸浮物的實(shí)時變化。一般情況下，水體懸浮物實(shí)測樣本都較為缺乏，要想獲取研究區(qū)各個時間段的懸浮物實(shí)測數(shù)據(jù)也是不現(xiàn)實(shí)的。

本文針對這種情況，基于Crosta方法和 LandsatTM數(shù)據(jù)，從宏觀角度出發(fā)對珠江口水體總懸浮物的遙感異常信息進(jìn)行提取，以期能為珠江口水體懸浮物的空間分布和時空變化特征的研究提供數(shù)據(jù)上的支撐。

2研究區(qū)概況

珠江口位于東經(jīng)102°～115°和北緯21°～26°之間，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。因受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，珠江口的人海水沙表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，豐水期（4～9月）來水來沙量占全年的78%～82% 。

珠江口的來水來沙主要由珠江的三大支流匯集而成，分別為西江、北江和東江。人?？谟砂舜罂陂T組成，分別為虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門。因此，珠江口有“三江匯流、八口人海”的特征。

3數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

3.1數(shù)據(jù)源

Landsat自從發(fā)射以來，就在全球范圍內(nèi)積累了大量的中分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，因此本文選擇 LandsatTM為數(shù)據(jù)源進(jìn)行水體懸浮物遙感異常信息的提取。本次研究選取的Landsat TM的行列號為123/044，時相為2003年10月17日。Landsat TM1、2、3、4、5和7波段的空間分辨率為30m，6波段為60m。為了對提取的水體總懸浮物遙感異常信息進(jìn)行驗(yàn)證，本文選擇了與 Landsat TM對應(yīng)日期的MERIS二級產(chǎn)品的總懸浮物濃度數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3.2遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

水體反射光譜信息屬于弱信息，因此必須經(jīng)過大氣校正去除大氣散射和吸收的影響。大氣校正采用基于輻射傳輸模型的FLAASH大氣校正。為了更好的提取水體懸浮物信息，對 Landsat TM影像進(jìn)行水陸分離，該操作采用Fmask算法。下載得到的MERIS二級產(chǎn)品經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換，提取得到珠江口MERIS總懸浮物濃度數(shù)據(jù)。

4基于Crosta方法的水體總懸浮物遙感異常信息提取

4.1Crosta方法簡介

Crosta方法主要應(yīng)用于遙感蝕變異常信息的提取中。1989年，Crosta提出了以主成分分析法進(jìn)行鐵染泥化異常信息提取的Crosta方法，并在巴西MinaisGerais地區(qū)利用 Landsat TM數(shù)據(jù)成功提取了該地區(qū)的鐵染異常和泥化異常信息。該方法主要通過TM1、TM3、TM4、TM5和TM1、TM4、TM5、TM7兩組波段組合的主成分分析提取鐵染和羥基異常信息。

利用TM1、TM3、TM4、TM5波段組合進(jìn)行PCA提取鐵染異常信息的判斷準(zhǔn)則是：構(gòu)成該主成分的特征向量TM3的載荷系數(shù)與TM1和TM4的系數(shù)符號相反，TM3 -般與TM5系數(shù)符號相同。依據(jù)有關(guān)地物的光譜特征，鐵染信息包含于符合這一判斷準(zhǔn)則的主分量內(nèi)，將該主分量稱之為鐵染異常主分量。

利用TM1、TM4、TM5、TM7波段組合進(jìn)行PCA提取羥基異常信息的判斷準(zhǔn)則是：構(gòu)成該主成分的特征向量TM5載荷系數(shù)應(yīng)與TM7和TM4系數(shù)符合相反，TMl -般與TM5系數(shù)符號相同。依據(jù)有關(guān)地物的光譜特征，羥基信息包含于符合這一準(zhǔn)則的朱分量內(nèi)，將該主分量稱之為羥基異常主分量。本研究即是基于以上Crosta方法的思想提取珠江口水體總懸浮物遙感異常信息。

4.2水體總懸浮物遙感異常提取的理論依據(jù)

根據(jù)前人研究結(jié)果可知，不同含量和類別的水質(zhì)參數(shù)的水體光譜特征迥異.可以通過遙感影像的光譜反射率定性和定量研究不同類型和含量的水質(zhì)參數(shù)。在可見光和近紅外波段（ 0.4--1.1μm），水體的反射率總體較小，清潔水體的反射率隨波長增加而減小，至0.76μm處水體的反射率基本為0。而水中含有顆粒狀懸浮泥沙時會直接影響水體透明度、渾濁度、水色等光學(xué)性質(zhì)。水中的懸浮泥沙由于其散射能力較強(qiáng)，吸收能力較弱，使得可見光至近紅外波段的反射率明顯增加，并分別于580nm（TM2）和810nm（TM4）附近形成反射峰。韓震等對懸浮泥沙與光譜反射率之間的相關(guān)關(guān)系的研究表明，在可見光一近紅外波段，懸浮泥沙水體與光譜反射率之間均有良好的相關(guān)關(guān)系，反射率在400--570nm較低，570～650nm以后的紅波段及近紅外波段，反射率逐步增大。水體懸浮物的這種特有光譜特性，使得利用遙感影像數(shù)據(jù)提取水體懸浮物遙感異常信息成為可能。

4.3珠江口水體總懸浮物遙感異常信息提取

本研究根據(jù)水體中不同類別和含量的污染物質(zhì)對光譜反射率的差異，基于Crosta法，即主成分分析法.將其分離成幾個互不相關(guān)的變量（不同類別的污染物質(zhì)）。分解得到的特定主成分代表一組光譜的某個特征，這種特征體現(xiàn)在該主成分的載荷系數(shù)上。研究將通過分析不同主成分的載荷系數(shù)和不同類型水質(zhì)參數(shù)的光譜反射率特征，解釋不同主成分涵蓋的水質(zhì)參數(shù)意義。將確定反映水體總懸浮物遙感異常信息的主成分選擇出來，并對反映珠江口水體總懸浮物遙感異常的信息進(jìn)行閾值分級處理，賦以不同顏色，獲得分級異常圖。

通過以上分析可知，水體懸浮物在可見光一近紅外波段范圍水體反射光譜特征最為顯著，并且具有明顯的雙峰特性。因此，我們選擇兩組波段組合進(jìn)行水體總懸浮物遙感異常信息的提取，并且對提取結(jié)果進(jìn)行對比分析。兩組波段組合分別為TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4僅包含可見光一近紅外波段。而波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7加入反映黏土礦物吸收和反射特性的TM5和TM7波段，用以提取水體懸浮物中所包含的黏土礦物等信息。兩波段組合主成分分析特征向量表分別見表1和2。

由表1可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，載荷系數(shù)分別為0.59797和0.674209，且符號為正.與水體懸浮物在該波段范圍具有反射特征相一致。但是TM4波段對PC1的貢獻(xiàn)相對較小，這與水體懸浮物在TM4波段反射峰特征不吻合。已有研究表明，TM4波段對高濃度懸浮泥沙較為敏感，本研究選擇的LandsatTM影像日期珠江口懸浮物濃度可能并不是很高。另外，劉汾汾等對珠江口懸浮泥沙的定量研究表明，綠光和紅光波段能夠較好的反演低濃度的懸浮泥沙濃度。這與PCl主要反映TM2和TM3波段的信息是相吻合的。因此，可以判定PC1可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。其他3個主成分的載荷系數(shù)與水體懸浮物的反射光譜特性不吻合。

由表2可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，載荷系數(shù)分別為0.59377和0.672413，且符號為正，與水體懸浮物在該波段范圍具有反射特征相一致。TM4波段的貢獻(xiàn)與波段組合TM1、TM2、TM3、TM4主成分分析PC1的貢獻(xiàn)基本一樣，分別為0.278804和0.285005。TM5和TM7波段對PC1都具有微弱的貢獻(xiàn)，載荷系數(shù)分別為0.059941和0.044451，這說明該P(yáng)C1主分量能夠涵蓋一些水體懸浮物中的黏土礦物等組分。需要指出的是，PC1主分量所有波段的載荷系數(shù)均為正，這與水體懸浮物在水體中的反射光譜特性相吻合。因此可以判定PC1主分量可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。

水體懸浮物遙感異常信息閾值分級借鑒張玉君等利用ETM+（TM）影像提取礦物蝕變信息的分級標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用K倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法對水體懸浮物遙感異常信息進(jìn)行分級，以K取2.0、2.5、3作為閾值，限定異常水平，對異常進(jìn)行分割處理，賦以不同顏色，獲得水體懸浮物遙感異常分級圖，如圖1和圖2所示。一級總懸浮物異常表示總懸浮物濃度最低，四級總懸浮異常表示總懸浮物濃度最高。與 Landsat TM日期相一致的MERIS二級產(chǎn)品總懸浮物濃度空間分布如圖3所示。

從上述兩組波段組合提取到的水體總懸浮物遙感異常信息分布圖和MERIS總懸浮物濃度對比來看，通過Crosta方法提取的水體總懸浮物遙感異常信息與珠江口總懸浮物的空間分布特征吻合較好。水體總懸浮物遙感異常信息圖和MERIS總懸浮物濃度分布圖均呈現(xiàn)出西岸高、中間海槽低、東岸近海區(qū)域偏高的格局，這與珠江口海域水體懸浮物主要以陸源為主的特征相符。另外，珠江口海域的水體總懸浮物濃度呈現(xiàn)出由東北向西南的條帶狀分布，珠江口西岸形成總懸浮物濃度的相對高值帶。受到季節(jié)性降水和潮流的影響，珠江口西岸的高濃度懸浮物逐漸向外海擴(kuò)散，因此，珠江口海域的水體總懸浮物濃度具有明顯的季節(jié)變化特征。

5水體總懸浮物遙感異常信息驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Crosta方法提取到的水體總懸浮物遙感異常信息，在珠江口隨機(jī)選擇了一些樣本數(shù)據(jù)，分別提取與PC1和MERIS相對應(yīng)的像素值，并且計(jì)算了兩者之間的相關(guān)關(guān)系和建立了PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的擬合回歸方程（圖4、圖5）。為了方便計(jì)算和分析，PC1全部轉(zhuǎn)換到0～255。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的相關(guān)關(guān)系為0.93。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7的主成分PC1與MERIS總懸浮物濃度之間的相關(guān)關(guān)系系數(shù)為0.91。從相關(guān)關(guān)系系數(shù)和擬合回歸方程的決定系數(shù)來看，波段組合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1與珠江口總懸浮物濃度的空間分布特征最吻合，能夠解釋86%的MERIS總懸浮物濃度的方差信息。波段組合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7與珠江口總懸浮物濃度的相關(guān)性稍差一點(diǎn)，但這并不影響PC1可以作為水體總懸浮物遙感異常信息的指示分量。

6結(jié)論

將Landsat TM影像經(jīng)過大氣校正和水陸分離后，利用Crosta方法，結(jié)合水體懸浮物典型光譜特征，利用波段組合TM1、TM2、TM3、TM4和Ml、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7的主成分分析提取的PC1能夠很好的反映水體總懸浮物的遙感異常信息。與MERIS總懸浮物濃度產(chǎn)品的驗(yàn)證結(jié)果表示，PC1主分量與MERIS總懸浮物濃度的擬合效果很好。該研究結(jié)果可以為缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的內(nèi)陸水體區(qū)域提供一種新的研究水體總懸浮物濃度的思路。利用長時間序列的LandsatTM影像數(shù)據(jù)，可從宏觀角度研究內(nèi)陸水體總懸浮物濃度的時空分布和變化規(guī)律等。