基于HICO模擬數(shù)據(jù)的杭州灣水體懸浮物濃度遙感反演

禹定峰， 周燕， 馬萬棟， 蓋志剛， 劉恩曉

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，青島 266001；2.國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，青島 266001；3.山東省科學(xué)院海洋光學(xué)重點實驗室，青島 266001；4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

0 引言

懸浮物(total suspended matter，TSM)濃度是水質(zhì)遙感的重要參數(shù)之一，其直接影響光在水中的分布及初級生產(chǎn)力，在水質(zhì)評價中起著非常重要的作用[1]。懸浮物的時空分布狀況和運(yùn)動規(guī)律研究直接關(guān)系到航道港口的沖淤變化、近岸水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)以及港口選址等重要問題[2-3]。因此，監(jiān)測水體中懸浮物濃度尤其重要。盡管傳統(tǒng)測量方法比較精確，但是費(fèi)時費(fèi)力。此外，對人、船難以到達(dá)的區(qū)域，傳統(tǒng)測量方法顯然無能為力，而且該方法也無法滿足對水體快速地周期性監(jiān)測需求。而遙感技術(shù)具有快速、同步、大面積、價格相對低廉的特點，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方法的缺陷，因而逐漸成為了水質(zhì)監(jiān)測的有效手段。

懸浮物濃度遙感反演算法主要分為經(jīng)驗算法和半分析算法2類。經(jīng)驗算法利用遙感數(shù)據(jù)與實時或準(zhǔn)實時的地面觀測懸浮物濃度數(shù)據(jù)，建立其間的統(tǒng)計回歸模型[4]。該算法具有簡單易用，估算精度較高的優(yōu)點，但2類水體的光學(xué)特性復(fù)雜多變，具有很強(qiáng)的季節(jié)性和區(qū)域性特點。半分析算法基于光在水下的輻射傳輸理論，通過光譜反射率推算水體組分的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，構(gòu)建懸浮物含量和水體固有光學(xué)參數(shù)的關(guān)系，以估算水體懸浮物濃度，該算法具有較好的物理解釋和適用性。但是，受到各種觀測儀器的限制，該算法中很多參數(shù)以現(xiàn)有的設(shè)備無法獲取，因此很難廣泛應(yīng)用[5]。此外，模型中某些參數(shù)常通過經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法計算，從而影響模型的精度[6]。由于近岸水體光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜及懸浮物組分多變，應(yīng)用半分析算法反演水體懸浮物濃度仍然存在難度，目前仍以經(jīng)驗算法為主[7]，常用算法有單波段算法、波段比值算法、多波段算法與光譜微分法。Ahn等[8]利用625 nm波段成功地估算了我國黃海外海的懸浮物濃度；宋慶君等[9]對比研究了懸浮物濃度與實測遙感反射波譜數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性大小，發(fā)現(xiàn)750 nm處的反射率值與其相關(guān)性最高，據(jù)此構(gòu)建了適用于秋季太湖的單波段反演算法，取得了較好的效果；Ma等[10]通過對珠江口水體懸浮物濃度與實測高光譜反射率的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，利用810 nm波段處的反射峰及其鄰近的吸收谷所圍成的面積反演水體懸浮物濃度具有較高的反演精度。

近海高光譜成像儀(hyperspectral imager for the coastal ocean，HICO)是第一臺針對近岸水體遙感的星載高光譜成像儀，于2009年9月10日發(fā)射升空，搭載在國際空間站上。目前，國外學(xué)者研究表明，HICO數(shù)據(jù)在葉綠素濃度反演[11-13]、水質(zhì)評估[14-15]和淺海水深研究[16]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但國內(nèi)尚未有HICO數(shù)據(jù)的應(yīng)用報道。本文以杭州灣及其鄰近海域為研究區(qū)，利用實測的高光譜數(shù)據(jù)模擬HICO波段，建立模擬HICO數(shù)據(jù)與懸浮物的遙感定量反演模型，為以后HICO的開發(fā)利用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

杭州灣及其鄰近海域是我國典型的近岸海域，受人類活動影響較大且與人類關(guān)系密切，赤潮災(zāi)害頻發(fā)。陸源污染、圍填海工程和旅游觀光等不僅給該海域的生態(tài)環(huán)境帶來了較大的壓力，而且給當(dāng)?shù)貪O業(yè)養(yǎng)殖帶來了很大危害?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時間分別為2010年7月20日、22—24日，天空晴朗無云，海面較為平靜。光譜數(shù)據(jù)采用二類水體水面以上測量法，所用光譜儀為美國SVC公司生產(chǎn)的GER1500野外便攜式地物光譜儀?，F(xiàn)場采集的水樣帶回實驗室分析測定，懸浮物濃度按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378.4—2007)規(guī)定的重量法進(jìn)行測量。光譜測量與懸浮物采樣同步進(jìn)行。采樣站點位置及其實測懸浮物濃度如圖1和圖2所示。

圖1 杭州灣采樣站點位置

圖2 19個站點的實測懸浮物濃度

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于350～1 000 nm以外的波段易受儀器本身的影響，可能含有噪聲，故選用400～900 nm波段光譜進(jìn)行研究。采用累加平均方法將儀器所測的原始光譜模擬計算出HICO數(shù)據(jù)的光譜，計算公式為

(1)

式中：Rrs為光譜反射率；λ1和λ2分別為每個波段的起始和終止波長。HICO主要參數(shù)如表1所示。

表1 HICO主要參數(shù)

1.3 精度評價

采用統(tǒng)計方法作為檢驗反演值和實測值是否一致的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)分別采用均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)和相對誤差(relative error，RE)2種，表達(dá)式分別為

(2)

(3)

式中：TSMest為懸浮物濃度的反演值；TSMmea為懸浮物濃度的實測值；n為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜特征分析

由實測光譜模擬得到的HICO光譜曲線如圖3所示。

圖3 19個站點的模擬HICO光譜反射率曲線

從圖3可以看出，大部分站點的光譜曲線是相似的，光譜反射率最大值低于0.13 sr-1，具有明顯的二類水體特征[17]。在小于500 nm的短波波段，由于葉綠素和有色可溶性有機(jī)物的強(qiáng)吸收，反射率較?。浑S著波長的增加，光譜反射率迅速增大；光譜反射峰較窄，最大反射率位于590 nm附近；在達(dá)到峰值之后，反射率隨著波長增加逐漸變小，尤其是在近紅外波段，反射率更小。這是因為隨著波長增加，純水的后向散射系數(shù)逐漸減小，對于大于700 nm的波段，其值小于0.000 7 m-1 [18]；另外一個原因是純水吸收的主要波段是紫外和近紅外波段[19]。

2.2 單波段算法

單波段算法適用于光譜反射率與懸浮物濃度密切相關(guān)的情況，實測懸浮物濃度與模擬HICO光譜反射率的相關(guān)系數(shù)如圖4所示。

圖4 模擬HICO光譜反射率與懸浮物濃度之間的相關(guān)系數(shù)

由圖4可以看出，懸浮物濃度與HICO光譜反射率呈明顯的正相關(guān)，這是因為當(dāng)水體中的懸浮物濃度較高時，水體的后向散射較大，從而離水輻射也增加，光譜反射率也會相應(yīng)增加。隨著波長的增加，光譜反射率與懸浮物濃度的相關(guān)性也在逐漸增大，這是因為隨著波長的增加，水體中懸浮顆粒物和有色可溶性有機(jī)物的吸收系數(shù)占總吸收系數(shù)的比例在逐漸減小。

根據(jù)杭州灣海域現(xiàn)場測量得到的水體光譜數(shù)據(jù)和同步實測的懸浮物濃度，通過分析模擬HICO光譜所有波段與懸浮物濃度之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，HICO第72波段即810.76 nm處的相關(guān)系數(shù)最大，據(jù)此建立了懸浮物濃度的反演模型，該模型的決定系數(shù)R2為0.356 9，反演得到的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度之間的RMSE為36.09 mg/L，平均RE為37.5%(圖5)。

圖5 不同光譜反射率與懸浮物濃度之間的關(guān)系

2.3 波段比值算法

波段比值算法是利用2個波段反射率的比值反演水質(zhì)參數(shù)，有利于校正大氣和光照等環(huán)境背景對測量結(jié)果的影響[20]。本文為尋找模擬HICO反演懸浮物濃度的最佳波段比值，在Matlab軟件的支持下，分析了所有波段比值與懸浮物濃度的相關(guān)性。結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)較高的區(qū)域基本集中在藍(lán)綠光波段，其中第57波段(724.84 nm)與第12波段(461.36 nm)光譜反射率的比值與懸浮物濃度相關(guān)性最高。故基于這2個波段建立了反演該海域懸浮物濃度的比值模型，模型的決定系數(shù)為0.925 2，反演得到的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度之間的RMSE為14.09 mg/L，平均RE為5.2%(圖6)。實測懸浮物濃度與反演值對比如圖7所示。

圖6 波段比值與懸浮物濃度之間的關(guān)系

圖7 實測懸浮物濃度與反演值對比

由圖7可以看出，反演得到的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度基本均勻地分布在1∶1線附近，表明該模型可有效反演該海域該時間段的懸浮物濃度。

2.4 近紅外波段反射峰面積反演算法

根據(jù)圖2，在近紅外波段的810.76 nm處存在一個反射峰及其相鄰的770.67 nm和839.41 nm存在2個吸收谷。根據(jù)水體懸浮物近紅外區(qū)域的反射光譜特性，采用積分的方法計算懸浮物在該光譜區(qū)域的反射峰面積(圖8)。

圖8 水體懸浮物在近紅外波段的反射峰面積示意圖

通過研究水體懸浮物在近紅外波段反射峰的面積與懸浮物濃度之間的關(guān)系表明，反射峰面積與水體懸浮物濃度之間的決定系數(shù)為0.719 3，利用反射峰面積算法反演得到的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度之間的RMSE為21.63 mg/L，平均RE為23.6%(圖9)。

圖9 反射峰面積與懸浮物濃度的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

2010年7月下旬，本研究在杭州灣及其鄰近海域進(jìn)行野外光譜與同步懸浮物采樣，采用累加平均的方法將實測原始光譜模擬成HICO光譜，對模擬光譜與懸浮物濃度之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析并構(gòu)建模型。

1)利用724.84 nm與461.36 nm波段光譜反射率的比值建立的懸浮物濃度反演模型可獲得較高的精度。

2)二類水體的組分是比較復(fù)雜的，不同區(qū)域水體，其光學(xué)特性各不相同，對于同一海域，季節(jié)不同，水體光學(xué)性質(zhì)往往也是不同的。因此，利用光譜模型精確反演近海岸水體懸浮物濃度面臨著巨大挑戰(zhàn)。HICO作為全球第一顆針對近海岸遙感而設(shè)計的星載高光譜傳感器，在水體懸浮物遙感方面具有極大的應(yīng)用潛力。本研究成果對利用HICO模擬數(shù)據(jù)反演近海岸水體懸浮物具有一定的參考意義和應(yīng)用價值。