無人機多光譜遙感反演近海fDOM濃度

劉善偉，武鈺林，許明明，張 杰

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580）

海洋熒光溶解有機物是海洋有色溶解有機物中可產(chǎn)生熒光的組分，其理化性質(zhì)對海洋水色遙感、浮游植物生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能有重要影響。fDOM熒光可作為陸源污染很好的指示劑，此外，fDOM還對海水中許多污染物質(zhì)的形態(tài)、毒性及運移有重要的影響，可作為沿岸水質(zhì)、海洋污染程度評價的代表性參數(shù)[1]。目前，遙感監(jiān)測方法已經(jīng)成功應(yīng)用于內(nèi)陸水體的fDOM濃度反演[2]，但近海區(qū)域水質(zhì)遙感監(jiān)測研究的指標多為葉綠素、濁度、懸浮物等[3-4]，對fDOM濃度反演研究較少。

近海水質(zhì)遙感監(jiān)測中，一般基于衛(wèi)星遙感反射率或海面實測光譜結(jié)合實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建近海、海灣區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)反演模型[5-6]。然而對于水體遙感而言，傳感器所接收到的輻射信號中有90%來自大氣的影響，只有不足10%含有水體信息[7]。因此，水質(zhì)參數(shù)遙感反演的精度很大程度上依賴于衛(wèi)星遙感影像的大氣校正精度。此外，衛(wèi)星遙感受空間分辨率與時間分辨率的限制，難以及時快速地進行水質(zhì)監(jiān)測[8]，而無人機具有機動、靈活、高效等優(yōu)點[9]，且無人機遙感相比于衛(wèi)星遙感無需進行大氣校正，因此，近年來無人機遙感水質(zhì)監(jiān)測研究日益增多[10]。針對小微型湖泊，國內(nèi)外研究者基于無人機多光譜影像反射率構(gòu)建的總磷、懸浮物濃度、濁度等反演模型具有較好的精度，模型決定系數(shù)可達到0.75，為小微型水域污染防治提供了技術(shù)支撐[11-12]。隨著無人機高光譜遙感的發(fā)展，利用實測光譜反射率與實測水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建反演模型具有較高的精度，應(yīng)用于無人機高光譜影像反演的水質(zhì)參數(shù)濃度空間分布與現(xiàn)場觀測結(jié)果趨勢一致[13-14]。國內(nèi)外眾多研究者在無人機水質(zhì)監(jiān)測方面的研究對象主要為河流、湖泊等內(nèi)陸小微型水域水體[11-14]，對近海海域水質(zhì)參數(shù)的反演大多采用衛(wèi)星遙感手段，無人機遙感手段應(yīng)用不夠廣泛。

本文以青島靈山灣為研究區(qū)，以海面實測光譜及實測水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過相關(guān)性分析選取與fDOM濃度相關(guān)性高的波段組合作為特征變量，構(gòu)建多種fDOM濃度反演模型，選擇最佳模型并應(yīng)用于無人機多光譜影像，實現(xiàn)對fDOM濃度的監(jiān)測。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于山東省青島市靈山灣海域（120°05′E—120°10′E，35°50′N—35°55′N），南瀕黃海，多條河流匯入灣內(nèi)，通過地表徑流向近海輸送淡水及陸源物質(zhì)，影響近岸海域的水質(zhì)狀況。綜合考慮研究區(qū)面積和數(shù)據(jù)獲取所需時間，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置兩行四列共8個采樣點，距離海岸線最近的一行與海岸線近乎平行、相距約2 km，行列間距均為2 km。

1.2 實測光譜數(shù)據(jù)

對8個采樣點進行光譜測量獲得實測光譜數(shù)據(jù)，測量時間為2020年7月29日10時至12時，該時間段天氣較晴朗，太陽光線強度大。光譜測量采用水面以上測量法，使用TRIOS水面移動測量系統(tǒng)，保持伸縮桿方向與太陽入射平面135°夾角，使3根傳感器分別有效測量太陽輻照度、海面輻照度和天空輻照度3種參數(shù)，對每個采樣點測量15次光譜取均值，通過Mobley（1999）方法處理計算得到離水輻亮度和遙感反射率等。

1.3 多光譜遙感影像數(shù)據(jù)

海面實測光譜數(shù)據(jù)獲取時，同步采集無人機多光譜數(shù)據(jù)。使用大疆精靈4無人機搭載的多光譜成像儀，航高設(shè)為100 m，空間分辨率約5 cm，包括藍（450 nm±16 nm）、綠（560 nm±16 nm）、紅（650 nm±16 nm）、紅邊（730 nm±16 nm）、近紅外（840 nm±26 nm）5個波段，圖1為海面真彩色合成的無人機多光譜影像。

圖1 真彩色無人機影像

為了評估反演算法的大范圍應(yīng)用能力，還獲取了距離海上實驗日期最近的GF-1 WFV4多光譜影像，過境時間為2020年8月1日，幅寬為820 km，空間分辨率為16 m，有藍光（450～520 nm）、綠光（520～590 nm）、紅光（630～690 nm）以及近紅外（770～890 nm）4個波段，開展了輻射定標、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理工作。

1.4 水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場還同步開展了采樣點的水質(zhì)監(jiān)測工作，每個采樣點利用EXO多參數(shù)水質(zhì)分析儀測量25次并取平均，得到相應(yīng)點的fDOM濃度值。

2 研究方法

2.1 實測光譜歸一化處理

采樣點光譜反射率曲線差異較大的原因除了水質(zhì)參數(shù)不同外，還與太陽角度、天氣變化等因素有關(guān)。光譜歸一化可降低天氣條件和測量角度對反射率的影響，便于比較不同地點、不同時間的測量結(jié)果[15-16]，因此對水體反射率進行歸一化處理，可使在外界環(huán)境變化條件下測量的水體光譜具有可比性。歸一化公式如下。

式中，LN（λi）表示i波段歸一化后的反射率；λi表示i波段的波長；L（λi）表示i波段反射率的初始值；n表示400～900 nm（3.3 nm間隔）范圍內(nèi)包含的波段數(shù)量。

2.2 無人機多光譜輻射定標

相較于衛(wèi)星遙感手段，無人機飛行高度低，獲取的影像范圍小，大氣折射和地球曲率的影響可以忽略，因此無需進行大氣校正，輻射定標后即可得到反射率數(shù)據(jù)[17-18]。

無人機多光譜影像的反射率為入射光強與反射光強的比值。反射光強可認為是影像的像元亮度值，但入射光強需要通過標準標定板定標獲取。主要步驟為：無人機作業(yè)起飛前，將已知反射率的標定板置于無人機多光譜鏡頭下，在作業(yè)環(huán)境中獲取標定板影像，因標定板反射率、標定板影像的反射光強已知，即可得到當前環(huán)境的入射光強。得到入射光強后，即可通過入射光強與反射光強比值的方法計算后續(xù)無人機獲取多光譜影像的反射率。

2.3 實測光譜與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性分析

波段組合因子可以突出水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，使得非特征波段和特征波段不重合的其他水質(zhì)參數(shù)的交叉影響所造成的誤差平均化和隨機化[19]。波段組合中的比值因子能夠突出水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，并有效消除水表面粗糙度和環(huán)境噪聲的干擾。Pearson相關(guān)性分析是從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，研究兩個或多個隨機變量間關(guān)聯(lián)度強弱的方法。以兩個變量為例，相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為-1～1，當r值為負時，代表兩個變量間呈負相關(guān)關(guān)系；當r值為正時，代表兩個變量間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r表達式如下。

式中，yi是第i個采樣點水質(zhì)參數(shù)的濃度；xi是第i個采樣點的反射率。

采用迭代算法，對歸一化后的實測光譜反射率逐一進行比值，與fDOM濃度進行相關(guān)性分析，得到Pearson相關(guān)系數(shù)，選取相關(guān)性高的波段反射率比值因子參與建模。

2.4 模型構(gòu)建與檢驗

水質(zhì)遙感反演模型就是建立水質(zhì)參數(shù)濃度與最佳敏感因子的關(guān)系，將敏感因子作為自變量，水質(zhì)參數(shù)濃度作為因變量，構(gòu)建模型用于水質(zhì)遙感反演[20]，常用的模型是基于統(tǒng)計回歸分析方法建立的，包括多項式、線性、指數(shù)、對數(shù)和多元線性回歸等。在研究區(qū)內(nèi)，根據(jù)采樣點的空間分布及數(shù)量情況，選取一部分實測點用于模型訓(xùn)練，剩下一部分實測點用于模型驗證，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

采用平均相對誤差（Mean Relative Error，MRE）評價模型的反演精度，計算公式如下。

式中，yipre和yi分別為第i個采樣點的fDOM濃度反演值和實測值；n為采樣點數(shù)量。

3 實 驗

3.1 光譜數(shù)據(jù)處理及敏感波段選取

對現(xiàn)場實測光譜進行歸一化處理，歸一化后的水體光譜曲線如圖3所示。由于波段比值可以有效減弱其他環(huán)境因素的干擾，因此對每個波段歸一化后的光譜反射率逐一兩兩進行比值，并與實測fDOM濃度進行Pearson相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分布熱力圖如圖4所示，分析得到相關(guān)性高的波段反射率比值因子為R（452.0）/R（560.9）、R（452.0）/R（650.0），相關(guān)系數(shù)分別為0.858、0.740。

圖3 歸一化水體光譜曲線

圖4 Pearson相關(guān)系數(shù)分布熱力圖

3.2 模型構(gòu)建與檢驗

本文選取6個實測點作為模型訓(xùn)練點，2個實測點作為模型精度檢查點，以實測光譜反射率比值因子為自變量，fDOM濃度為因變量，分別構(gòu)建一元線性、二次多項式、指數(shù)、對數(shù)、冪函數(shù)、多元線性回歸模型，模型參數(shù)如表1所示。

采用決定系數(shù)R2來判斷模型的擬合度，R2的值介于0～1之間，越接近1說明模型擬合度越好。從擬合度看，基于波段比值組合的多元線性回歸模型結(jié)果最好，決定系數(shù)為0.75；其次是R（452.0）/R（560.9）波段比值因子中的二次多項式模型，決定系數(shù)為0.73。從平均相對誤差看，基于波段比值組合的多元線性回歸模型平均相對誤差最低，為8.83%，模型精度最高，與擬合度的比較結(jié)果一致。對其余2個檢查點，計算表1中模型訓(xùn)練精度最高的3種模型（多元線性回歸、二次多項式、冪函數(shù)）驗證集的MRE，結(jié)果如表2所示。其中多元線性回歸模型驗證集MRE最低，為8.76%，二次多項式模型以及冪函數(shù)模型驗證集MRE分別為8.88%和9.15%，均大于前者。綜合考慮，多元線性回歸模型為最優(yōu)模型。

表1 反演模型參數(shù)

表2 模型驗證MRE

3.3 無人機多光譜影像fDOM濃度反演

將多元線性回歸模型用于無人機多光譜數(shù)據(jù)進行fDOM濃度反演，為了進一步驗證模型在該影像上反演的精度，選取與無人機多光譜影像采集時間地點一致的8個采樣點進行驗證，分析影像反演值與實測值的相關(guān)性。通過統(tǒng)計回歸方法得到采樣點影像反演值與實測值的散點圖如圖5所示，各點反演值、實測值及相對誤差結(jié)果如表3所示。

圖5 影像采樣點反演值與實測值散點圖

表3 采樣點反演值與實測值相對誤差

圖中直線為數(shù)據(jù)分布的偏差線，距離偏差線越近的采樣點反演值與實測值越接近，距離偏差線越遠則代表差值越大。反演值與實測值擬合的決定系數(shù)為0.77，8個點基本都分布在偏差線附近，相對誤差最小為3.83%，最大為29.66%，8個點平均相對誤差為16.34%，與衛(wèi)星遙感影像水質(zhì)反演精度相近[21-23]。

3.4 GF-1多光譜影像fDOM濃度反演

將本文所構(gòu)建的多元線性回歸模型應(yīng)用于覆蓋靈山灣海域的GF-1多光譜遙感影像，反演該海域fDOM濃度的空間分布特征。近岸海域fDOM濃度為4 QSU左右，而遠岸海域濃度大部分為2～3 QSU，8個采樣點的fDOM濃度影像反演值與實測值的平均相對誤差為17.35%，整體呈現(xiàn)出近岸高、遠岸低的空間分布特征。沿海一帶是人口的聚集區(qū)，大量高強度的人類活動、隨河流注入靈山灣內(nèi)的富營養(yǎng)水體，再加上海水漲潮時使得水體交換能力變強，沿岸較淺的水體遭受強烈攪動，均會對近海水質(zhì)造成一定的影響；而遠岸海域水體受人類活動和地表徑流的影響較小，海洋環(huán)境相對于近岸較穩(wěn)定，因此fDOM濃度呈現(xiàn)出近岸高于遠岸的空間分布特征。

4 結(jié)論

本文基于海面實測光譜與實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)性分析得到敏感因子，建立線性、指數(shù)、對數(shù)、多項式、多元線性回歸等fDOM濃度反演模型，選擇多元線性回歸模型反演研究區(qū)fDOM濃度，主要結(jié)論如下。

（1）海面實測光譜與fDOM濃度具有較強的相關(guān)性，波段反射率比值因子R（452.0）/R（560.9）、R（452.0）/R（650.0）的相關(guān)系數(shù)為0.858、0.740，構(gòu)建的多元線性回歸模型決定系數(shù)為0.75，平均相對誤差為8.76%。

（2）將海面實測光譜與fDOM濃度構(gòu)建的多元線性回歸模型應(yīng)用于多光譜影像數(shù)據(jù)進行fDOM濃度反演，無人機多光譜影像的fDOM濃度反演值與實測值擬合的決定系數(shù)為0.77，平均相對誤差為16.34%。GF-1多光譜遙感影像反演的fDOM濃度空間分布與海上實測濃度值總體趨勢一致。

與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)相比，無人機多光譜影像數(shù)據(jù)具有高空間分辨率、無需大氣校正、數(shù)據(jù)采集實時靈活等優(yōu)點，在近岸水質(zhì)反演中具有廣闊的應(yīng)用前景。