基于GF-4 衛(wèi)星的杭州灣懸浮泥沙濃度遙感監(jiān)測研究

邵宇杰，胡越凱，周斌，陳芳，何賢強，王國軍，袁小紅，周亞麗，于之鋒1,,6*

( 1. 杭州師范大學(xué) 遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121；2. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海200241；3. 武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；4. 湛江灣實驗室南海漁業(yè)大數(shù)據(jù)中心，廣東湛江 524006；5. 中科衛(wèi)星應(yīng)用德清研究院 浙江省微波目標特性測量與遙感重點實驗室，浙江 德清 313200；6. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室，浙江 杭州 311121)

1 引言

水體中的懸浮泥沙是影響海洋水色的重要物質(zhì)，其濃度變化會對水體渾濁度、透明度等光學(xué)特性產(chǎn)生影響[1]。懸浮泥沙的侵蝕與淤積不僅會影響港口、航道的生態(tài)環(huán)境，同時對航道安全產(chǎn)生影響[2]。因此，實時掌握河口懸浮泥沙的時空分布、通量變化，是河口資源可持續(xù)開發(fā)、沿岸水質(zhì)保護的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的采樣方法無法實現(xiàn)懸浮泥沙大范圍同步觀測，且花費巨大，而衛(wèi)星遙感具有的大尺度、實時觀測的優(yōu)點，能夠?qū)Υ竺娣e的水域進行動態(tài)、連續(xù)、同步觀測，研究表明，在進行河口懸浮泥沙變化監(jiān)測時，遙感技術(shù)具有獨特優(yōu)勢[3–7]。

2016年，國產(chǎn)地球靜止軌道衛(wèi)星高分四號（GF-4）的投入使用為海洋水色的遙感監(jiān)測提供了新的數(shù)據(jù)源。GF-4 衛(wèi)星具有高時間分辨率（20 s）和高空間分辨率（50m），在懸浮泥沙的觀測上具有一定的應(yīng)用潛力。近年來，GF-4 衛(wèi)星的水色領(lǐng)域應(yīng)用受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。李玨[8]使用NDVI、NDWI、MNDWI 進行了GF-4 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的水體提取研究；劉明等[9]通過與高分一號（GF-1）衛(wèi)星以及美國Terra 衛(wèi)星進行對比實驗證明了GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以用于水體面積及變化監(jiān)測；宋挺等[10]利用同步MODIS 數(shù)據(jù)輔助GF-4 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)渾濁水體的大氣校正，并通過與實測光譜數(shù)據(jù)、GOCI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果的協(xié)同比對分析，為GF-4 衛(wèi)星在內(nèi)陸水體定量遙感監(jiān)測提供了依據(jù)；陳曉英等[11]利用GF-4 衛(wèi)星開展黃海綠潮漂移速度提取研究，并證明GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)可為綠潮快速漂移的高精度監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支撐。以上研究成果均表明GF-4 衛(wèi)星在水色遙感監(jiān)測方面具有較大的應(yīng)用潛力，但在懸浮泥沙遙感監(jiān)測方面，研究仍比較少。

韓國于2010年發(fā)射的地球靜止軌道衛(wèi)星上搭載的GOCI 衛(wèi)星傳感器具有8 個可見光及近紅外波段，空間分辨率為500m，時間分辨率為3 h（具體參數(shù)見表1），可用于海洋和沿海地區(qū)水質(zhì)的連續(xù)觀測，并能較好地反映水域高頻變化的特點[12–13]。眾多研究表明，當需要監(jiān)測、預(yù)測短時間范圍的復(fù)雜水動力環(huán)境時，GOCI 衛(wèi)星的水色產(chǎn)品具有較高可信度[14–18]。因此，在本文中將利用GOCI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)對GF-4 衛(wèi)星的反演精度進行交叉驗證。對于杭州灣等高動態(tài)變化水體，其水體空間差異較大，GOCI 衛(wèi)星等水色衛(wèi)星空間分辨率較低，GF-4 衛(wèi)星的高時空分辨率可以有效地彌補此不足。

綜上，本文基于GF-4 衛(wèi)星，通過分析實測懸浮泥沙濃度（Suspended Sediment Concentration，SSC）與光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立基于GF-4 衛(wèi)星的懸浮泥沙濃度反演模型，采用與GOCI 衛(wèi)星交叉驗證技術(shù)，評價GF-4衛(wèi)星在水體懸浮泥沙監(jiān)測上的適用性，以彌補目前GOCI 衛(wèi)星懸浮泥沙監(jiān)測空間分辨率不足的問題，提供高時間和高空間分辨率的懸浮泥沙遙感監(jiān)測產(chǎn)品。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

杭州灣位于我國海岸線中段，是我國沿海潮差最大的喇叭形河口灣[19]。灣口寬約95km，灣內(nèi)水深最大約10m，總水域面積約為5000km2，灣底形態(tài)自灣口至乍浦地勢平坦；從乍浦起，以0.1‰～2‰的坡度向西抬升，在錢塘江河口段形成巨大的沙坎[20]。由于河口平面收縮強烈，灣底迅速抬升，潮差急劇增大，在錢塘江徑流、長江口水流與東海潮波的共同影響下，水體具有高動態(tài)、超強急流、高含沙量等特點[21]，水體中懸浮物的平均濃度在705～1950mg/L 之間[22]，致使杭州灣的水域一直處于高渾濁的狀態(tài)。

2.2 實測數(shù)據(jù)及處理

本文采用定點觀測法和連續(xù)流量觀測相結(jié)合的方法，在2011年12月2?13 日先后對杭州灣的10 個實驗點（4 個定點，6 個走航）進行水體采樣以及光譜測量（圖1）。

圖1 觀測站位分布示意圖Fig. 1 Distribution of observation stations

樣本水體由標準采樣器采集得到，各站點均從站位表層以下約5～10 cm 處進行采樣。光譜數(shù)據(jù)利用手持式ASD 光譜儀和30%反射率的標準板，依據(jù)水面以上測量法[23]獲取各站點的水體光譜數(shù)據(jù)，剔除每個觀測點中偏差較大的異常光譜，計算剩余光譜數(shù)據(jù)的水體遙感反射率（圖2）。懸浮泥沙濃度的測定采取過濾重量法[24]，取一定量的待測水樣，使用直徑為0.45 μm 的醋酸纖維濾膜對水樣進行過濾，將過濾得到的樣品帶回實驗室進行烘干、灼燒、冷卻、稱量分析，計算出各站點的實測懸浮泥沙濃度，最后獲得60 組有效觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，懸浮泥沙濃度范圍大致在155～1800mg/L，與前人研究結(jié)果基本一致。

圖2 實測光譜數(shù)據(jù)Fig. 2 In-situ spectral data

2.3 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

GF-4 衛(wèi)星成像(GF4_IRS_E120.6_N29.0_20160301_L1A0000107806)時間為2016年3月1 日12 時38 分，GOCI 衛(wèi)星成像(COMS_GOCI_L1B_GA_20160301041641)時間為2016年3月1 日12 時28 分，影像均無云。對于海洋水色衛(wèi)星接收到的信號有90%為大氣信號，只有不到10%為海洋信號[25]，為此，需通過大氣校正以減少大氣散射等的影響。在本文中，GOCI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣校正采用He 等[26]提出的渾濁水體紫外大氣校正算法。由于GF-4 衛(wèi)星只有一個近紅外波段（中心波長約為830 nm），缺少渾濁水體大氣校正所需的短波紅外以及藍紫光波段，無法采用基于短波紅外或藍紫光的大氣校正算法。因此GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣校正利用ENVI 的FLAASH 模塊完成。

2.4 模型構(gòu)建

研究中獲取的實測數(shù)據(jù)由手持式光譜數(shù)據(jù)得到，為進行GF-4 衛(wèi)星影像懸浮泥沙反演模型的建模及驗證，需將各站點計算得到的水體遙感反射率轉(zhuǎn)換為等效波段遙感反射率，公式為

式中，Rrs為 等效波段遙感反射率；Rrs(λ)為各站位實測的連續(xù)光譜遙感反射率；Si(λ)為影像各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)。

在目前的研究中，利用指數(shù)模型構(gòu)建懸浮泥沙反演模型較為常見[27–28]，因此本文采用多波段指數(shù)模型構(gòu)建GF-4 衛(wèi)星反演SSC 模型。將實測數(shù)據(jù)分成兩部分，其中2/3（40 對）的數(shù)據(jù)用于建模，1/3（20 對）的數(shù)據(jù)用于評價模型精度。水體光譜在黃光波段（560～590 nm）和近紅外波段（750～900 nm）有兩個反射峰，且反射率波譜曲線隨著泥沙濃度的增加而增大，增幅不同[29]。為探究近紅外波段與可見光波段比值和懸浮泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系，利用GF-4 衛(wèi)星的B2、B3、B4、B5 波段的遙感反射率構(gòu)建不同的遙感因子反演懸浮泥沙濃度模型，計算建模數(shù)據(jù)回歸關(guān)系的決定系數(shù)(R2)，并驗證數(shù)據(jù)計算均方根誤差（RMSE）和平均相對誤差（MRE），用以評價反演模型的優(yōu)劣性。

式中，SSCmodel為計算得到的懸浮泥沙濃度；SSCreg為實測的懸浮泥沙濃度；i為驗證點的數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度分析

研究基于建模組建立GF-4 衛(wèi)星反演的模型，并基于驗證組數(shù)據(jù)，以RMSE 和MRE 為指標確定模型優(yōu)度（圖3）。結(jié)果表明，當遙感因子為Rrs(B5)/Rrs(B2)、Rrs(B5)/Rrs(B3)，這兩種模型反演結(jié)果與實際相差較大，對應(yīng)的MRE 分別為32.0%和24.5%。當遙感因子為Rrs(B5)/Rrs(B4)時，構(gòu)建出的反演模型誤差較小，MRE 為17.2%。因此，將該模型作為本文中應(yīng)用的GF-4 衛(wèi)星反演模型（式（4）），該模型在SSC 濃度低于800mg/L 的水域，反演結(jié)果與實際基本吻合，主要誤差來源于SSC 高于800mg/L 的高渾濁水域。

式中，X為GF-4 衛(wèi)星第5 波段與第4 波段遙感反射率比值。

本文GOCI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)同樣采用指數(shù)模型，根據(jù)以往的相關(guān)研究的經(jīng)驗[17,26,30]和建模嘗試，確定其反演模型（圖3），并計算各模型的反演誤差（表2），計算公式為

式中，X為GOCI 第8 波段與第6 波段遙感反射率比值。

由表2 可知，相較而言，GOCI 衛(wèi)星建模得到的反演模型，與實測數(shù)據(jù)相比，誤差較小，決定系數(shù)相對較高，GF-4 衛(wèi)星建模得到的反演模型RMSE 為223.2mg/L，而GOCI 衛(wèi)星為212.6mg/L。為探究誤差的來源，將實測SSC 按0～500mg/L、500～1000mg/L、1000～2000mg/L 進行分段，并分別計算各區(qū)間的RMSE 與MRE（表3）。由表3 可知，在實測低濃度區(qū)域，GOCI與GF-4 衛(wèi)星模型的誤差均較小，且較為接近。而在實測高濃度區(qū)域，二者算法均存在一定的誤差，且二者之間的誤差也較大。

圖3 GF-4 實測點與建模點懸浮泥沙濃度對比Fig. 3 Comparison of suspended sediment concentration retrived by GF-4 satellitemeasured point andmodeling point

表2 懸浮泥沙濃度反演模型誤差Table 2 Error of different suspended sediment concentration inversionmodels

表3 各區(qū)間反演模型誤差Table 3 Model error of interval inversion

3.2 懸浮泥沙濃度反演結(jié)果分析

利用反演模型對GOCI 和GF-4 衛(wèi)星影像分別進行計算，得到懸浮泥沙濃度結(jié)果及其空間分布（圖4）。從圖中可以看得出，GOCI 及GF-4 衛(wèi)星的杭州灣懸浮泥沙濃度趨勢基本一致。具體表現(xiàn)為：灣頂?shù)臐舛却笥跒晨冢覞舛入S著離岸距離的增加而降低，兩景影像懸浮泥沙濃度的極大值均出現(xiàn)在近岸水域，并且南岸的懸浮泥沙濃度普遍高于北岸，陸地或島嶼周邊的水體懸浮泥沙濃度較高，以其為中心，懸浮泥沙濃度向四周輻散減小，與杭州灣懸浮泥沙實際分布基本一致。

對比兩者的反演結(jié)果，在灣頂、灣口區(qū)域，兩景影像的SSC 大致相同，灣頂區(qū)域反演SSC 在440.8～530.8mg/L 之間，灣口區(qū)域在100.6～243.4mg/L 之間。但在懸浮泥沙濃度較高的南岸區(qū)域，GOCI 衛(wèi)星反演所得的SSC 明顯高于GF-4 衛(wèi)星，GOCI 衛(wèi)星反演的SSC 分布在641.12～1403.9mg/L 之間，而GF-4衛(wèi)星反演的SSC 在646.5～980.1mg/L 之間，且隨SSC增高差異逐漸增大。對比影像總體的反演結(jié)果，GF-4和GOCI 衛(wèi)星反演的懸浮泥沙濃度變化趨于一致，GF-4 衛(wèi)星反演的SSC 大體分布在100.6～980.1mg/L的范圍內(nèi)，而GOCI 衛(wèi)星影像的反演SSC 范圍則大體分布在103.7～1403.9mg/L。

為了驗證GF-4 衛(wèi)星影像反演結(jié)果的可靠性，通過計算兩組影像SSC 的最大值、最小值、平均值，從而對反演結(jié)果進行定量分析（表4）。

由表4 可以看出，GOCI 衛(wèi)星影像反演的SSC 均值為256.8mg/L，而GF-4 衛(wèi)星影像反演的SSC 均值為171.8mg/L。在兩景影像SSC 均值上，GOCI 衛(wèi)星影像的反演結(jié)果較高，由于在低值區(qū)域，GF-4 和GOCI 衛(wèi)星的懸浮泥沙濃度接近，在高值區(qū)，GOCI 衛(wèi)星的懸浮泥沙濃度遠高于GF-4 衛(wèi)星，因此懸浮泥沙平均值的差異可能是由于高值區(qū)GOCI 衛(wèi)星反演濃度較高導(dǎo)致的。

圖4 GF-4（a）和GOCI（b）衛(wèi)星反演懸浮泥沙濃度結(jié)果Fig. 4 Inversion results of suspended sediment concentration retrived by GF-4 satellite (a) and GOCI satellite (b)

表4 杭州灣懸浮泥沙反演結(jié)果（單位：mg/L）Table 4 Inversion results of suspended sediment concentration in the Hangzhou Bay（unit：mg/L）

3.3 星星交叉區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

研究表明，杭州灣內(nèi)動能從灣口至灣頂先減小后增大，水動力條件的不同導(dǎo)致懸浮泥沙的濃度有較大差異[31]。為更好地比較GOCI 和GF-4 衛(wèi)星在不同水動力條件下的懸浮泥沙反演效果，在影像中選取4 個實驗區(qū)域進行對比（圖5），其中區(qū)域A 位于灣頂，水流流速較快，再懸浮能力較強；區(qū)域B 靠近杭州灣南岸，水流流速較慢，水深較淺；區(qū)域C、區(qū)域D 位于灣口的主要潮汐通道上，受水動力條件差異的影響，C 區(qū)域表現(xiàn)為以沖刷作用為主，而D 區(qū)域則表現(xiàn)為淤積[32]。

圖5 懸浮泥沙濃度反演的4 個實驗區(qū)域Fig. 5 Four experimental regions for inversion of suspended sediment concentration

4 個實驗區(qū)域SSC 空間分布特征如圖6 所示（具體數(shù)值見表5），由圖可知，4 個區(qū)域均表現(xiàn)為GOCI衛(wèi)星影像反演的SSC 數(shù)值較高。在遠離灣頂?shù)膮^(qū)域C、區(qū)域D，反演SSC 數(shù)值基本一致，且兩者反演的SSC 數(shù)值相對較低。在SSC 略高的灣頂區(qū)域A，GF-4衛(wèi)星反演的SSC 結(jié)果略低于GOCI 衛(wèi)星。而在SSC最高的區(qū)域B，GOCI 衛(wèi)星反演的SSC 數(shù)值明顯高于GF-4 衛(wèi)星。

圖6 反演得到的4 個實驗區(qū)域的懸浮泥沙濃度箱線圖Fig. 6 Box-plot of suspended sediment concentration in four experimental regions

表5 杭州灣實驗區(qū)域懸浮泥沙濃度（單位：mg/L）Table 5 Suspended sediment concentration of experimental regions in the Hangzhou Bay (unit:mg/L)

表6 大氣校正后GF-4 衛(wèi)星相對GOCI 衛(wèi)星反演的懸浮泥沙濃度平均誤差Table 6 Average error of suspended sediment concentration retrieved by GF-4 satellite relative to GOCI satellite after atmospheric correction

綜上，在SSC 較低的水域，兩者反演的結(jié)果差異較小，在高SSC 區(qū)域，兩者反演的結(jié)果差異增大，且GOCI 衛(wèi)星的反演結(jié)果高于GF-4 衛(wèi)星。一方面，兩種反演模型均為底數(shù)大于1 的指數(shù)模型，其一階導(dǎo)數(shù)隨著自變量的增加而增大，表現(xiàn)為在高值區(qū)兩種數(shù)據(jù)源反演的SSC 差異增大。另一方面，計算GF-4 衛(wèi)星與GOCI 衛(wèi)星的近紅外和紅波段大氣校正后的相對誤差（表6），由表6 可知，GF-4 衛(wèi)星平均反射率高15%，且主要來源于濃度低于500mg/L 的區(qū)域。根據(jù)反演結(jié)果可知，濃度低于500mg/L，GF-4 衛(wèi)星結(jié)果比GOCI 衛(wèi)星高26%，而當水體懸浮泥沙濃度為500～1000mg/L，GF-4 衛(wèi)星結(jié)果較GOCI 衛(wèi)星高11.8%，當濃度大于1000mg/L，GF-4 衛(wèi)星結(jié)果僅高6.7%。結(jié)合模型擬合原理，當GF-4 衛(wèi)星第5 波段在SSC 較低的區(qū)域大氣校正結(jié)果相對偏差較大，而該區(qū)域占杭州灣總體比重較高，模型將盡可能還原水域面積較大的低SSC 水體的真實情況，在此過程中，模型在高值區(qū)誤差會有所擴大，這也是兩種衛(wèi)星在高SSC 水體反演中差異較大的原因。GF-4 衛(wèi)星的大氣校正結(jié)果精度在一定程度上影響了反演結(jié)果的比對，此外，GOCI 衛(wèi)星的校正也對交叉檢驗結(jié)果有一定影響。李軍等[33]指出由于GOCI 衛(wèi)星大氣校正算法在高渾濁水體的精度不足，近紅外波段的離水輻亮度精確不足，導(dǎo)致MODIS 與GOCI 衛(wèi)星的遙感反射率差異會隨著水體渾濁度的增大而增大。盡管GF-4 和GOCI 衛(wèi)星的大氣校正均采用了目前較為主流的算法，但是兩種算法也存在一定不足，考慮為造成杭州灣高SSC 水體反演結(jié)果差異的主要原因。

4 結(jié)論

GF-4 衛(wèi)星具有高時間和高空間分辨率的特點，可以實現(xiàn)對水質(zhì)指示因子懸浮泥沙的動態(tài)監(jiān)測。本研究通過對杭州灣的實測懸浮泥沙數(shù)據(jù)、光譜數(shù)據(jù)以及GF-4 衛(wèi)星影像的分析，得到以下結(jié)論:

（1）通過實測數(shù)據(jù)構(gòu)建基于GF-4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的懸浮泥沙反演模型，該指數(shù)模型的MRE 為17.2%，RMSE 為223.2mg/L，反演精度較高。

（2）利用GOCI 衛(wèi)星影像反演的SSC 結(jié)果進行交叉驗證，分析兩景影像杭州灣SSC 的空間分布情況，并以此來驗證GF-4 衛(wèi)星在懸浮泥沙遙感監(jiān)測精度。結(jié)果表明，在SSC 較低的水域，兩種數(shù)據(jù)源的反演結(jié)果差異較小，但在高SSC 區(qū)的差異隨濃度增高而增大，該誤差考慮來源于大氣校正。

（3）通過與GOCI 衛(wèi)星的對比，研究表明GF-4 衛(wèi)星可以應(yīng)用于近海二類水體的懸浮泥沙監(jiān)測，其結(jié)果基本滿足應(yīng)用需求。