基于HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)的東湖葉綠素a濃度反演可行性研究

周 正，何 連，劉良明

(1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079;2.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871)

基于HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)的東湖葉綠素a濃度反演可行性研究

周 正1，何 連2，劉良明1

(1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079;2.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871)

以武漢東湖為研究區(qū)域，利用HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)和地面準(zhǔn)同步葉綠素a濃度實測數(shù)據(jù)，建立適合東湖水體的葉綠素a濃度遙感定量估算模型，從而分析HJ-1A/B CCD數(shù)據(jù)應(yīng)用于內(nèi)陸湖泊水體葉綠素a濃度反演的可行性。

葉綠素a;環(huán)境一號衛(wèi)星;遙感;反演

一、引 言

東湖是我國最大的城中湖，位于湖北省武漢市內(nèi)，位置位于東經(jīng) 114°23'、北緯 30°33'。近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，東湖水環(huán)境承受的壓力也與日俱增，不僅破壞了湖泊生態(tài)環(huán)境，而且影響到了周邊的人居環(huán)境，造成了不小的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)損失。

湖泊水質(zhì)惡化的直接表現(xiàn)是藻類物質(zhì)大量繁殖，而葉綠素a是浮游植物生物體的重要組成成分之一，葉綠素a含量的高低與該水體中藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)，是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，是反映內(nèi)陸湖泊水質(zhì)狀況的一個重要參數(shù)［1］。

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星(HJ-1A/B)星座是我國首個以災(zāi)害和環(huán)境監(jiān)測為主要用途的衛(wèi)星監(jiān)測體系，建立基于國產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水體葉綠素a遙感反演模型對于水質(zhì)監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

二、數(shù)據(jù)獲取與處理

1.數(shù)據(jù)獲取

環(huán)境一號小衛(wèi)星數(shù)據(jù)從民政部減災(zāi)委獲取，多光譜數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示［2］。

表1 HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD主要載荷參數(shù)

地面實測數(shù)據(jù)從湖北省環(huán)境監(jiān)測總站獲取，東湖共有5個點(diǎn)位數(shù)據(jù)，每月監(jiān)測一次，其點(diǎn)位分布圖如圖1所示。

圖1 東湖地面實測數(shù)據(jù)點(diǎn)位分布圖

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、水體提取。輻射定標(biāo)采用環(huán)境一號小衛(wèi)星定標(biāo)參數(shù)與定標(biāo)公式進(jìn)行定標(biāo);采用一幅經(jīng)過幾何精校正的湖北省TM影像為參考底圖進(jìn)行幾何校正;由于本文試驗樣區(qū)缺少同步的大氣資料，采用暗目標(biāo)法對影像進(jìn)行大氣校正;水體范圍提取采用歸一化差異水體指數(shù)NDWI進(jìn)行。

三、反演模型

1.粗差點(diǎn)剔除

監(jiān)測點(diǎn)的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)可能存在一些異常點(diǎn)，比如被云遮住的點(diǎn)和葉綠素a濃度異常變化點(diǎn)。剔除葉綠素a濃度值異常高的點(diǎn)(葉綠素a濃度為285 mg/m3)。

2.相關(guān)性分析

本文采用11幅遙感影像，每幅影像5個監(jiān)測點(diǎn)，共有55個監(jiān)測點(diǎn)，其中廟湖共有11個監(jiān)測點(diǎn)?？紤]到廟湖的水質(zhì)與其他子湖的差異較大，因此對廟湖單獨(dú)建模。廟湖共有11個監(jiān)測點(diǎn)，剔除葉綠素a濃度值異常高的點(diǎn)(葉綠素a濃度為285 mg/m3)之后，剩下10個點(diǎn)。其他子湖共有44個點(diǎn)，剔除3個被云遮住的點(diǎn)，剩下41個可用的監(jiān)測點(diǎn)，任意選取29個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，找出對應(yīng)位置的水體反射率值，分析各個波段表觀反射率及其波段組合與葉綠素a濃度的相關(guān)性，從而進(jìn)行葉綠素a濃度的遙感定量建模，其余12個點(diǎn)用于檢驗?zāi)Ｐ偷木取?/p>

設(shè)定F檢驗的顯著性概率p≤0.05，選用了近60個波段及波段組合進(jìn)行相關(guān)性分析。表2～表3列出了常用波段及波段組合與滿足顯著性水平的葉綠素a濃度和葉綠素a濃度自然對數(shù)之間的相關(guān)性。

表2 葉綠素a濃度與波段組合的相關(guān)性

由表2可知，各個波段及波段組合與葉綠素a濃度的相關(guān)性普遍較低，只有(B2－B4)/(B2/B4)、B2/(B1+B4)、B2/(B1+B3+B4)和B4/(B1×B2)相對高一些。

表3 葉綠素a濃度對數(shù)值與波段組合的相關(guān)性

由表3可知，各個波段及波段組合與葉綠素a濃度的對數(shù)值相關(guān)性也較低，只有(B2－B4)/(B2/B4)、(B1 －B2)/(B1/B2)、B2 －B4、B4/(B1 ×B2)、B2、B2/(B1+B4)相對高一些。

3.模型構(gòu)建

根據(jù)以上對比分析，相關(guān)性最大的為(B2－B4)/(B2/B4)，達(dá)到了 －0.6845，但是考慮到比值法在一定程度上可以減輕大氣影響，最終選用相關(guān)性較高的波段組合B2/(B1+B4)為變量進(jìn)行定量遙感反演。對水體光譜輻射亮度的不同波段作比值處理，可以部分消除大氣影響，也可以消除在空間上和時間上水面粗糙度變化的干擾。本文采用B2/(B1+B4)作為獨(dú)立變量構(gòu)建模型。表4列出了幾種模型，考慮到模型的穩(wěn)定性等，本文最終采用一元二次模型構(gòu)建反演模型。

表4 葉綠素模型

四、結(jié)果與分析

筆者利用構(gòu)建的模型對2009年8月19日的遙感影像反演了東湖水體的葉綠素a濃度分布狀態(tài)，如圖2所示。并用此月份的地面監(jiān)測葉綠素a濃度值進(jìn)行了驗證。

圖2 葉綠素a濃度分布圖

從結(jié)果中看出，反演的均方根誤差為±38.55 mg/m3，樣本檢驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 預(yù)測值與實測值對比圖

從圖3可以看出，反演的值比實際的值要低，這可能是影像與實測數(shù)據(jù)不同步，影像要滯后實測值13 d，在8月份，浮游植物開始死亡，導(dǎo)致葉綠素a濃度開始下降。在葉綠素 a濃度較小時(小于60 mg/m3)，反演出來的結(jié)果比較準(zhǔn)確，誤差較小;當(dāng)葉綠素a濃度值較大時(大于100 mg/m3)，反演的結(jié)果誤差比較大，這可能是因為水體中的葉綠素a濃度很高的時候(相應(yīng)的是浮游藻類含量很高)，浮游藻類之間會產(chǎn)生“集聚”現(xiàn)象，尤其是對于發(fā)生水華的水體，大量的藻類密布在水體的表面，使水體表現(xiàn)出類似陸地植被的反射光譜特征。從圖中可以看出模型基本上能反映葉綠素a濃度的變化。

五、結(jié)束語

本文利用環(huán)境一號小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)對東湖葉綠素a濃度進(jìn)行了遙感反演的可行性試驗，結(jié)果表明此衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備反演葉綠素a濃度的能力，結(jié)果較為真實可信，但由于地面實測數(shù)據(jù)點(diǎn)位的不足與遙感影像間的不同步造成了模型精度下降，相信隨著今后地面采樣點(diǎn)的加密以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善，可以對湖泊進(jìn)行分區(qū)反演，從而提高葉綠素a濃度反演的精度，使得環(huán)境一號小衛(wèi)星數(shù)據(jù)在內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮更為重要的作用。

致謝:本文的工作得到了湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站和民政部減災(zāi)委的數(shù)據(jù)支持，在此表示感謝!

［1］呂恒，江南，李新國.內(nèi)陸湖泊的水質(zhì)遙感監(jiān)測研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(2):185-192.

［2］China Centre for Resources Satellite Data and Application.Technical specification of payloads of HJ-1A/1B/1C［EB/OL］.［2010-10-01］.http:∥www.cresda.com/n16/n92006/n92066/n98627.

［3］楊瑩，阮仁宗.基于TM影像的平原湖泊水體信息提取的研究［J］.遙感信息，2010(3):60-64.

［4］程偉，王黎明，田慶久.一種基于陰影像元的光學(xué)遙感大氣校正方法［J］.測繪學(xué)報，2008，37(4):469-475.

［5］楊煜，李云梅，王橋，等.基于環(huán)境一號衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)的巢湖水體葉綠素a濃度反演［J］.湖泊科學(xué)，2010，22(4):495-503.

［6］黃妙芬，牛生麗，孫中平，等.環(huán)境一號衛(wèi)星CCD相機(jī)水體信息采集特性分析［J］.遙感信息，2010(4):68-75.

Feasibility Study for Retrieval of Chlorophyll-a Concentration in Donghu Lake Using HJ-1 A/B CCD Data

ZHOU Zheng，HE Lian，LIU Liangming

0494-0911(2011)03-0011-04

P237.9

B

2010-12-31

武漢大學(xué)博士自主科研項目(20102130101000131)

周 正(1984—)，男，湖北武漢人，博士生，研究方向為環(huán)境與災(zāi)害遙感監(jiān)測評價。