基于HJ-1A CCD影像和ELM模型的太湖葉綠素a預(yù)測(cè)研究

樊廣利，曹紅業(yè)，徐 晉

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127； 2.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710064)

1 研究背景

由于我國(guó)人口密度大和過(guò)度開(kāi)采利用水資源，目前正面臨極為嚴(yán)重的水資源問(wèn)題[1]，并且內(nèi)陸湖泊水資源問(wèn)題目前己經(jīng)成為全球性的問(wèn)題，水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警是水質(zhì)評(píng)估和污染防治的主要依據(jù)[2-3]。傳統(tǒng)方法需要現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)大量觀察站點(diǎn)，具有耗時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的缺點(diǎn)，并且由于傳統(tǒng)方法僅限于時(shí)間尺度和空間尺度，采集的數(shù)據(jù)只是部分河段的水質(zhì)數(shù)據(jù)，只能以點(diǎn)帶面研究整體情況。對(duì)于內(nèi)陸湖泊這樣的大面積水域，傳統(tǒng)的野外采樣-實(shí)驗(yàn)室分析方法難以達(dá)到大范圍、迅速、長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求[4]。特別是對(duì)于太湖等水環(huán)境時(shí)空異質(zhì)性較強(qiáng)的水體，傳統(tǒng)方法的不足尤為突出。

由于遙感技術(shù)具有長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)和快速的水質(zhì)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，甚至可以較為精確地探究傳統(tǒng)方法不可解釋的污染蔓延趨勢(shì)[5]?；谒w中不同材料成分的光譜反射率的差異，以及遠(yuǎn)程傳感器接收的特征信息的差異，利用此技術(shù)可掌握大范圍水域中不同物質(zhì)組成的時(shí)空分布及長(zhǎng)時(shí)間變化規(guī)律[6]。

葉綠素a濃度是反映水體藻類關(guān)鍵的生物指標(biāo)[7-9]。然而目前對(duì)于水質(zhì)較為復(fù)雜的內(nèi)陸湖泊，建立適用性強(qiáng)、精確度高的水體葉綠素反演模型總是困難的。目前，主要有3種方法用于遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)陸水域的葉綠素a濃度，即分析模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗(yàn)或半分析模型[10-12]。

葉綠素a濃度的遙感反演是一個(gè)具有大量不確定性的非線性過(guò)程[13-14]。目前一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法具有優(yōu)秀的非線性近似等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、特征提取、信號(hào)處理和非線性預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，在水質(zhì)遙感反演中具有一定的應(yīng)用[15-22]。BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在水質(zhì)參數(shù)反演等領(lǐng)域已經(jīng)得到了很多應(yīng)用，但是BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度慢，參數(shù)選擇困難，極容易陷入局部極值。極限學(xué)習(xí)機(jī)(extreme learning machine, ELM)是一種全新的單隱層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的機(jī)器學(xué)習(xí)模型[23-24]。與傳統(tǒng)的BP模型相比，ELM模型算法克服了傳統(tǒng)模型訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)和過(guò)擬合等問(wèn)題。同時(shí)，ELM的良好泛化能力也在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

環(huán)境一號(hào)(HJ-1)是我國(guó)首顆用于環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的遙感衛(wèi)星，為水體葉綠素a濃度反演提供了巨大便利。但是目前利用HJ-1進(jìn)行內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研究并不多，特別是水體葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用更是較少。為了驗(yàn)證HJ-1衛(wèi)星應(yīng)用于內(nèi)陸湖泊葉綠素a濃度預(yù)測(cè)的應(yīng)用潛力，本文以內(nèi)陸典型湖泊——太湖為例，基于ELM模型和HJ-1A CCD傳感器進(jìn)行太湖葉綠素a濃度的預(yù)測(cè)，并交叉對(duì)比傳統(tǒng)BP模型和支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)模型。同時(shí)，將ELM模型應(yīng)用于大氣校正后的HJ-1A影像上，獲取整個(gè)太湖湖面葉綠素a濃度的空間分布圖，并細(xì)致分析反演結(jié)果以驗(yàn)證模型有效性。

2 研究區(qū)概況

太湖是我國(guó)第三大內(nèi)陸淡水湖泊，整個(gè)湖面的面積為2 427.8 km2，橫跨江浙兩省，相鄰較近的地市為無(wú)錫、湖州和蘇州等城市。本文選取太湖作為研究區(qū)域，主要考慮到：太湖水體的葉綠素含量很高并且變化較大，適合于反演模型的建立及驗(yàn)證；另外太湖的污染狀況一直受到廣泛關(guān)注，是一直以來(lái)的研究熱點(diǎn)，并且積累了許多歷史數(shù)據(jù)可供參考。研究區(qū)太湖地理位置及采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)太湖地理位置及采樣點(diǎn)分布圖

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

3.1 HJ-1A衛(wèi)星影像介紹

HJ-1A衛(wèi)星于2008年9月6日發(fā)射升空。衛(wèi)星上搭載的傳感器包含可見(jiàn)光和近紅外光共4個(gè)波段，空間分辨率為30 m，成像寬度為360 km×360 km，可以4 d快速實(shí)現(xiàn)地球上同一位置的再次重訪。HJ-1A CCD傳感器參數(shù)及取值如表1所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

分別于2016年7和10月組織人員對(duì)太湖水體進(jìn)行了2次實(shí)地采樣，共采集了48個(gè)水樣樣本(采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1)，野外測(cè)量和記錄的參數(shù)包括采樣點(diǎn)經(jīng)緯度等信息，實(shí)驗(yàn)室采用分光光度法測(cè)試和分析樣本葉綠素a濃度，各采樣點(diǎn)葉綠素a濃度見(jiàn)表2。將48個(gè)有效地面采集點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，分為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和測(cè)試樣本數(shù)據(jù)，其中38個(gè)數(shù)據(jù)用于建模，其余10個(gè)用于評(píng)定模型精度。

表1 HJ-1A CCD傳感器參數(shù)及取值

表2 太湖各采樣點(diǎn)葉綠素a濃度

3.3 遙感影像預(yù)處理

由于本研究直接獲取的數(shù)據(jù)為幾何粗校正的HJ-1A CCD影像，因此需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，主要包括幾何精校正、輻射定標(biāo)和大氣校正。

3.3.1 幾何精校正 在湖面周邊均勻選取明顯地面控制點(diǎn)，采用二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行幾何精校正(校正誤差低于1個(gè)像元)。以消除或減弱影像成像過(guò)程中產(chǎn)生的幾何畸變。影像的投影坐標(biāo)采用UTM投影(通用橫軸墨卡托投影)及WGS-84坐標(biāo)系。

3.3.2 輻射定標(biāo) 衛(wèi)星地面接收站獲取的是無(wú)量綱的HJ-1A CCD影像DN值，然而進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)研究中使用的必須是絕對(duì)輻射亮度值。影像輻射定標(biāo)的目的就是將DN值根據(jù)定標(biāo)公式轉(zhuǎn)換為絕對(duì)輻射亮度值。

L(λ)=Gain·DN+Bias

(1)

式中：L(λ)為衛(wèi)星傳感器入瞳處的絕對(duì)輻射亮度值，W/(m2·sr·μm)；DN為衛(wèi)星傳感器的觀測(cè)記錄值(無(wú)量綱)，Gain和Bias分別為定標(biāo)公式的兩個(gè)系數(shù)，即增益值和偏移值。系數(shù)Gain和Bias的定標(biāo)值如表3所示。

表3 HJ-1A CCD傳感器絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)

3.3.3 大氣校正 由于大氣分子和氣溶膠散射等因素的影響，影像所反映的不是真實(shí)的地物信息，因此必須對(duì)影像進(jìn)行大氣校正處理[25]。本文利用ENVI5.2的FLAASH模型完成大氣校正工作，獲取大氣校正后真實(shí)的反射率圖像。

4 ELM模型建立

4.1 ELM 基本原理

假設(shè)訓(xùn)練樣本由N個(gè)不同的隨機(jī)樣本(xi,ti)組成，其中：

xi=[xi1,xi2,…,xin]T(xi∈Rn)

(2)

ti=[ti1,ti2,…,tim]T(ti∈Rm)

(3)

(4)

(j=1,2,…,N)

式中：wi=[wi1,wi2,…,win]T為輸入節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；βi=[βi1,βi2,…,βim]T為連接第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；wi·xj為權(quán)值wi與樣本xj的內(nèi)積；bi為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的偏置值。

(5)

存在βi、wi和bi，得到：

(6)

也可以表示為如下矩陣形式：

Hβ=T

(7)

式中：H為網(wǎng)絡(luò)的隱層輸出矩陣，可表示為：

(8)

由于通常情況下，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于訓(xùn)練樣本數(shù)目，使得公式(6)的模型難以實(shí)現(xiàn)，則在該模型中應(yīng)加上誤差E，即：

Hβ=T+E

(9)

本文定義一個(gè)平方損失函數(shù)J，其表達(dá)式為：

J=∑(βjg(wi,bi,xj)-tj)

(10)

其矩陣形式可以表示為：

J=(Hβ-T)T(Hβ-T)

(11)

(12)

(13)

其中H*=(HTH)-1HT。

4.2 算法流程

ELM算法通過(guò)如下步驟來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的維度估計(jì)與判定：

(2)模型可以根據(jù)步驟(1)隨機(jī)確定隱層節(jié)點(diǎn)參數(shù)，即權(quán)重值w和隱層節(jié)點(diǎn)偏移值b；

(3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型隱層輸出矩陣H;

網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)重值通過(guò)直接求解線性方程組來(lái)獲得，這正是ELM算法簡(jiǎn)單、快速和高效的原因。

5 結(jié)果與分析

5.1 ELM模型構(gòu)建與檢驗(yàn)

建立用于遙感反演的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型首先確定反演的影響因素，然后確定網(wǎng)絡(luò)輸入層中神經(jīng)元的數(shù)量。ELM模型中的激勵(lì)函數(shù)主要包括Sigmodial函數(shù)、Sine函數(shù)、Hardlim函數(shù)、Triangular Basis函數(shù)和Radial Basis函數(shù)。為了更有效地確定模型參數(shù)并選擇激勵(lì)函數(shù)，本文分別對(duì)上述5個(gè)函數(shù)進(jìn)行了分析，并將隱含層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量初始化為5，將循環(huán)增加至5次，比較分析了不同激勵(lì)函數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)水體葉綠素a反演的影響程度，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同激勵(lì)函數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)水體葉綠素a反演的測(cè)試誤差

由圖2可知，在節(jié)點(diǎn)數(shù)為20之后，徑向基函數(shù)(radial basis)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，在節(jié)點(diǎn)數(shù)為10之后，Sigmodial函數(shù)和Sine函數(shù)開(kāi)始穩(wěn)定，并且RMSE隨著隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Hardlim和triangular basis函數(shù)的測(cè)試誤差波動(dòng)較大。并且徑向基函數(shù)在節(jié)點(diǎn)數(shù)為20之后具有0.7×10-4或更小的測(cè)試誤差，與其他函數(shù)相比誤差最小。

本文選擇38個(gè)采樣點(diǎn)的HJ-1A CCD 波段比值B4/B3作為ELM模型的輸入層，葉綠素a濃度作為輸出層，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，利用該構(gòu)建模型對(duì)剩余10個(gè)驗(yàn)證樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的擬合程度R2高達(dá)0.911 4，均方根誤差RMSE僅為1.327 0 μg/L。

5.2 模型對(duì)比

為對(duì)比驗(yàn)證ELM模型的反演精度，分別利用傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM模型進(jìn)行葉綠素a濃度反演。BP模型相關(guān)參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[26]設(shè)置：隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20，學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.01，計(jì)算步數(shù)最大值設(shè)定為1 000次，最小均方誤差為10-8，網(wǎng)絡(luò)隱含層激活函數(shù)使用“Sigmoid”函數(shù)，具體使用“l(fā)ogsig”函數(shù)，訓(xùn)練時(shí)使用“trainlm”函數(shù)；SVM模型通過(guò)編寫SVMcgForRegress函數(shù)來(lái)查找模型的最佳參數(shù)。選取高斯函數(shù)作為其核函數(shù)，核函數(shù)參數(shù)γ和回歸懲罰系數(shù)均為1，終止判據(jù)設(shè)置為0.001。

與ELM模型反演過(guò)程相似，選擇38個(gè)采樣點(diǎn)HJ-1A CCD 波段比值B4/B3作為模型的輸入層，葉綠素a濃度作為輸出層，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。利用構(gòu)建的模型分別對(duì)剩余10個(gè)驗(yàn)證樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到其預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可知，BP模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的擬合度R2僅為0.366 3，均方根誤差RMSE為3.728 8 μg/L；SVM模型的擬合度略高于BP模型(R2=0.744 8)，均方根誤差比BP模型略低(RMSE=2.132 4 μg/L)?？傮w來(lái)看，SVM模型的預(yù)測(cè)精度略高于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度。

對(duì)3種模型葉綠素a濃度反演結(jié)果的相對(duì)誤差進(jìn)行比較，如表4所示。由表4可見(jiàn)，ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型反演精度優(yōu)于BP和SVM模型，ELM反演結(jié)果的最大相對(duì)誤差為4.60%(序號(hào)4)，而BP和SVM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的最大相對(duì)誤差分別為19.04%和8.67%。另外，通過(guò)計(jì)算表明，ELM模型預(yù)測(cè)樣本的平均相對(duì)誤差MRE=2.65%，小于SVM和BP模型的平均相對(duì)誤差(BP和SVM模型的MRE值分別為6.59%和3.89%)。

不難得出如下結(jié)論，針對(duì)太湖區(qū)域葉綠素a濃度反演，ELM模型與BP和SVM模型相比較而言，其整體性能更優(yōu)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)比ELM模型簡(jiǎn)單，但預(yù)測(cè)精度不如ELM模型，BP模型算法的參數(shù)需要在運(yùn)行過(guò)程中不斷調(diào)整。

圖3 ELM模型的驗(yàn)證結(jié)果 圖4 BP模型的驗(yàn)證結(jié)果 圖5 SVM模型的驗(yàn)證結(jié)果

表4 3種模型Chl-a濃度反演結(jié)果的相對(duì)誤差比較

5.3 太湖葉綠素a濃度反演

本文基于ELM模型結(jié)合HJ-1A CCD影像反演整個(gè)研究區(qū)域葉綠素a濃度，反演結(jié)果如圖6所示。圖6中綠色區(qū)域?yàn)槿~綠素高濃度分布區(qū)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槿~綠素低濃度分布區(qū)。不難發(fā)現(xiàn)，從空間分布上看，太湖的葉綠素a濃度分布不均，其總體上呈現(xiàn)從北向南遞減的趨勢(shì)，太湖的中南部湖區(qū)(圖6中深藍(lán)色區(qū)域)是全湖葉綠素濃度最低的區(qū)域，連片分布于太湖的中部和離岸較遠(yuǎn)的南部區(qū)域，水面較為開(kāi)闊。葉綠素a高濃度區(qū)域主要集中分布在竺山湖、梅梁湖和貢湖3個(gè)區(qū)域，濃度高于70 μg/L，最高的區(qū)域出現(xiàn)在梅梁灣的西入口、竺山灣西沿岸區(qū)、兩灣之間以及太湖西部的靠岸邊區(qū)域，三者的葉綠素a濃度甚至大于100 μg/L。根據(jù)湖泊水庫(kù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，竺山湖和梅梁湖在葉綠素a濃度這一評(píng)價(jià)指標(biāo)上太湖達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。竺山灣和梅梁灣因?yàn)槭苋祟惢顒?dòng)以及外源性營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入等因素的影響成為太湖水華最嚴(yán)重的區(qū)域。東太湖(圖6中灰色部分)的葉綠素a濃度呈現(xiàn)較高的水平，可能是受該區(qū)域豐富的沉水植物和挺水植物所致，其反射光譜特征與藍(lán)藻極為相似，并不能準(zhǔn)確表征該地區(qū)水體的葉綠素a濃度信息，但是反演的結(jié)果不能代表水體葉綠素濃度，因此本文根據(jù)相關(guān)研究對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了掩膜處理[27]。此外在湖的大部分邊緣區(qū)域即與陸地交接處，葉綠素a濃度也偏高，這一方面是由于水華易在岸邊帶堆積，另一方面與岸邊帶的蘆葦分布以及湖邊陸地植被干擾有關(guān)。

研究結(jié)果表明，應(yīng)用遙感技術(shù)可以掌握大范圍的水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化，隨著國(guó)內(nèi)外遙感數(shù)據(jù)源的增多，遙感技術(shù)為太湖葉綠素a濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)提供了便利。近年來(lái)，隨著太湖流域環(huán)境的不斷惡化，更應(yīng)該加強(qiáng)太湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用本文提出的遙感反演模型能夠大大提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率。

圖6 太湖湖面葉綠素a濃度空間分布反演結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)以內(nèi)陸典型湖泊-太湖為例，基于ELM模型和HJ-1A CCD傳感器進(jìn)行太湖葉綠素a濃度的預(yù)測(cè)，并交叉對(duì)比了BP模型和SVM模型的反演結(jié)果。將ELM模型應(yīng)用于大氣校正后的HJ-1A影像上，獲取整個(gè)太湖湖面葉綠素a濃度的空間分布圖。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的BP和SVM模型反演結(jié)果相比，ELM具有更高的預(yù)測(cè)精度。2016年夏季，太湖高濃度葉綠素a主要集中在梅梁灣的西入口、竺山灣西沿岸區(qū)、兩灣之間以及太湖西部的靠岸邊區(qū)域。

(2)為ELM模型在內(nèi)陸湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用做了嘗試性探索研究，說(shuō)明將ELM模型應(yīng)用于湖泊水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)是可行的、有效的，后期的研究中再繼續(xù)獲取水體光譜和水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，以期繼續(xù)提高水質(zhì)參數(shù)業(yè)務(wù)化遙感預(yù)測(cè)精度。

本文僅研究了太湖區(qū)域，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的廣泛性，下一步研究應(yīng)將該模型應(yīng)用于更加廣泛的區(qū)域，以期為內(nèi)陸湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)提供便利。