基于多源遙感數(shù)據(jù)的大襟島海域葉綠素 a反演及富營養(yǎng)化評價

熊一璇，麻書暢，張霄宇*,2，3，黃國容，陳嘉星，韓亞超

(1.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 海南研究院，海南 三亞 572000；3.浙江大學(xué) 海洋研究院，浙江 舟山 316021；4.中國地質(zhì)調(diào)查局 自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

廣東江門大襟島海域是中國國家一級保護動物中華白海豚的第二大集中分布區(qū)域。該海域養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，也是重要的捕魚場所，具有突出的生態(tài)、旅游和文化價值[1-2]。隨著珠江三角洲經(jīng)濟高速發(fā)展，水環(huán)境污染和富營養(yǎng)化程度日益加重[3]，可能對中華白海豚以及其它水生生物生存帶來潛在的威脅[4]。因此，監(jiān)測該海域環(huán)境污染狀況、評價生態(tài)健康對于保護中華白海豚具有重要的現(xiàn)實意義。

葉綠素a(Chl-a)質(zhì)量濃度是表征水體富營養(yǎng)化程度的一個重要參數(shù)[5]。由于Chl-a具有特征的光學(xué)活性，通過分析不同Chl-a質(zhì)量濃度水體與水體反射率之間的關(guān)系，可以構(gòu)建水體中Chl-a的遙感反演模型并反演獲得Chl-a質(zhì)量濃度[6-7]。

航空高光譜具有高機動性、高光譜分辨率和高空間分辨率的“三高”特點，在河口、近海及內(nèi)陸水體監(jiān)測等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[8-9]。航空高光譜影像的覆蓋面積相對較小，飛行成本較高，衛(wèi)星遙感大面積觀測能力可以為其提供背景信息。本次研究基于中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心提供的大襟島海域的CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager，集成機載光譜成像儀)高光譜實驗飛行數(shù)據(jù)，開展研究區(qū)域Chl-a定量反演算法及其分布特征研究，同時結(jié)合MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)影像提供的珠江口Chl-a的大面積分布特征背景信息，開展基于多光譜遙感獲取Chl-a質(zhì)量濃度信息的研究海域富營養(yǎng)化評價，快速有效地開展對該海域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及影響因素分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東江門黃茅海喇叭狀河口灣大襟島海域，研究范圍為112°59′30″E—113°04′00″E，21°46′00″N—21°53′00″N(圖1)。黃茅海位于珠江口西面，上接銀洲湖，聯(lián)通西江和潭江，是崖門和虎跳門泄洪納潮的通道，呈NWN—SES的走向。黃茅海灣口至灣頂南北長約40 km，灣頂東西寬約1.9 km，中部寬約17 km，灣口南端寬約35 km(臺山赤溪至高欄島)。黃茅海河口灣的灣頂通過崖門連接著聯(lián)通崖門水道的銀州湖，崖門寬僅580 m，是一個典型的基巖峽口。漲潮時潮水通過基巖峽口進入銀州湖，形成漲潮射流；落潮時潮水通過狹窄的基巖峽口流入河口灣，形成落潮射流，從而形成獨特的崖門漲、落潮雙向射流[10]。研究海域東鄰珠江口，因此珠江水系的徑流輸沙量對本區(qū)影響較大。

圖1 大襟島周邊海域以及采樣點站位布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sea area around Dajin Island and the layout of sampling stations(圖b在標(biāo)準(zhǔn)地圖(審圖號：GS(2019)3266號)基礎(chǔ)上繪制而成，底圖無修改。)(Fig.b is drawn on the basis of the standard map (map review number: GS(2019)No.3266), and the base map has not been modified.)

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 CASI航空遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

2.1.1 航空遙感數(shù)據(jù)

本研究采用的航空高光譜遙感數(shù)據(jù)由加拿大Itres公司生產(chǎn)的CASI 1500h獲取，具體參數(shù)見表1。

表1 CASI 1500h和MODIS傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of CASI 1500h and MODIS

中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心于2018 年7 月 11 日下午15:00—17:00在珠江口黃茅海大襟島海域開展了航空飛行實驗，飛行高度為400 m。獲取的影像寬5.27 km，長13.64 km，該數(shù)據(jù)的真彩色合成圖(R636.791，G536.666，B436.583)見圖2。

圖2 研究區(qū)CASI原始數(shù)據(jù)真彩色合成圖(R636.791，G536.666，B436.583)Fig.2 True color synthesis of CASI image in study area(R636.791，G536.666，B436.583)

2.1.2 幾何校正

在海岸帶航空遙感測量時，由于水體非靜止且水面沒有任何明顯標(biāo)志性地物，無法使用傳統(tǒng)的空中三角測量方法。因此，本次研究基于全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS)/慣性測量單元(inertial measurement unit， IMU)輔助的航空線陣推掃式成像技術(shù)，在航空遙感作業(yè)前對CASI 1500h 型高光譜儀進行陸地幾何檢校，從而確保數(shù)據(jù)的幾何精度[11]。

2.1.3 大氣校正

ENVI軟件自帶的FLAASH 大氣校正模塊可以有效地消除大氣和光照等因素對地物反射的影響，從而還原地物的真實反射率[12]。本次研究采用FLAASH大氣校正模塊對CASI航空遙感影像進行處理。

2.1.4 水體邊界提取

本次研究采用水體歸一化指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)、閾值分割和人工判別的方法進行水體邊界提取。CASI的NDWI計算公式為

NDWICASI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中：Green為綠光波段反射率，NIR為近紅外波段反射率。本研究經(jīng)比較后采用B13波段(550.968 nm)和B44波段(994.250 nm)進行水體邊界提取。NDWICASI>0表示為水域，NDWICASI<0表示為陸地。

研究區(qū)域近島基巖附近的水體有明顯的白帽現(xiàn)象。受山體陰影的影響，大襟島背光側(cè)水體與周邊海水呈現(xiàn)截然不同的光譜特征。因此，在開展水體邊界提取的同時，剔除了這部分干擾信息。

2.2 MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)及預(yù)處理

為了配合機載航空遙感，根據(jù)潮位和時相相近原則，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，選用了2018-07-25 T 02:50:00成像的MODIS 1B數(shù)據(jù)：MOD02HKM.A2018206.0250.061.2018206133950。HKM數(shù)據(jù)為MODIS的合成數(shù)據(jù)，MODIS影像的幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正以及圖像裁剪等均由ENVI 5.3軟件完成。經(jīng)預(yù)處理并裁剪后的珠江口海域影像如圖3所示，圖像清晰，水體紋理豐富，可以用于下一步的圖像處理和算法反演。

圖3 裁剪后珠江口海域的MODIS影像Fig.3 Pearl River Estuary image from MODIS after clipping

本次研究利用NDWI來提取遙感影像中的水體邊界，MODIS的NDWI計算公式如下

NDWIMODIS=(B4-B2)/(B4+B2)

(2)

式中：B2和B4分別對應(yīng)MODIS的第2波段和第4波段的遙感反射率。

2.3 實測Chl-a數(shù)據(jù)

受到實際飛行條件的限制，本次研究未能開展同步觀測。對不同季節(jié)、潮汐條件下的珠江口水動力條件以及懸浮泥沙、Chl-a的含量和分布特征進行研究表明，研究海域所處西江口的懸浮泥沙含量及其分布相對穩(wěn)定，季節(jié)性變化不顯著[13-14]，準(zhǔn)同步觀測可行。根據(jù)準(zhǔn)同步的原則，選取了與航空飛行同潮時的時間段進行海上實測。

2018年10月中旬在大襟島海域開展了為期3 d的水樣采集和光譜實測。結(jié)合海域水動力特點和已有的水質(zhì)參數(shù)分布特征信息，由陸至海一共布設(shè)了37個站位，其中24個站位位于CASI數(shù)據(jù)覆蓋的范圍內(nèi)。分別從大襟島東北部、防波堤外、南灣村南部取16個站點：T13、T15、T16、T18、T22、T20、T25、T26、T28、T29、T32、T33、T34、T35、T36、T37進行模型構(gòu)建，確保用于構(gòu)建模型的站位能盡可能地反映研究海域內(nèi)水色參數(shù)的范圍；取T14、T17、T21、T23、T24、T27、T30、T31站點用于精度校驗；選取T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T19等13個站位用于MODIS數(shù)據(jù)反演的水色參數(shù)精度校驗，具體站位布設(shè)如圖1所示。由于船只無法進入養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)未布設(shè)站位。

嚴(yán)格按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.7—2007)[15]規(guī)定，在海表0.5 m 處采集水樣，在實驗室完成對水樣的過濾、萃取，采用分光光度法獲得了Chl-a質(zhì)量濃度，實測結(jié)果見表2。

表2 站位分布經(jīng)緯度以及各站位實測Chl-a質(zhì)量濃度Tab.2 Longitude and latitude of sampling stations and measured Chl-a concentration

續(xù)表2

2.4 海表面光譜測量與處理

大襟島海域水體屬于典型二類水體，本次實驗采用海表面法進行水體表面光譜測量[16]。采用的設(shè)備為荷蘭Avantes公司的AvaField-2便攜式高光譜地物光譜儀，在每個采樣點至少進行3次測量，每次至少檢測10條光譜曲線，同時觀測天空光和白板的輻射值，遙感反射率用以下公式計算獲得：

Rrs=[(Lu-Lsρf)Rp]/(πLp)

(3)

式中：Rrs是遙感反射率；Lu是水面上行輻亮度；Ls為天空光的輻亮度；ρf為水面菲涅爾系數(shù)，取經(jīng)驗值 0.02；Rp為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率；Lp為標(biāo)準(zhǔn)板的上行輻亮度。將獲得的光譜進行重采樣，使其分辨率為 1 nm。海上實測采集的光譜往往含有較大的噪聲，因此，采用小波變換方法去噪(圖4)。去噪前后的水體光譜曲線信噪比(Signal-to-noise ratio)的均方根誤差為21.82，去噪效果比較好[17]。

圖4 去噪后大襟島海域?qū)崪y水體光譜曲線圖(以T22站點為例)Fig.4 Spectrum measured in water body around Dajin Island after denoising (taking T22 station as an example)

3 基于遙感影像的水色參數(shù)反演及精度校驗

本次研究基于經(jīng)驗法，通過實測水體Chl-a質(zhì)量濃度，選出實測水體光譜中與之相關(guān)性最高的波段或波段組合，以該波段或波段組合作為因變量，構(gòu)建反演模型，對Chl-a質(zhì)量濃度進行反演(表3)。

表3 基于實測數(shù)據(jù)構(gòu)建的Chl-a質(zhì)量濃度反演模型Tab.3 Retrieval models of Chl-a concentration based on in-situ measurements

然后選取CASI和MODIS中的相應(yīng)波段，基于單波段、波段比值和光譜微分法分別采用線性、多項式進行擬合，從而構(gòu)建適用于CASI和MODIS的Chl-a質(zhì)量濃度反演模型。將3種模型分別用于CASI和MODIS數(shù)據(jù)進行Chl-a質(zhì)量濃度反演，并采用實測值進行校驗，最終選取最佳反演模型，獲得研究海域Chl-a質(zhì)量濃度的空間分布。

3.1 基于CASI數(shù)據(jù)的Chl-a反演及精度校驗

根據(jù)實測光譜和Chl-a質(zhì)量濃度的相關(guān)性分析篩選了基于單波段、波段比值和一階微分3種波段組合方式，并用于CASI數(shù)據(jù)。通過與實測Chl-a質(zhì)量濃度之間的線性、指數(shù)型、對數(shù)型、二次型擬合關(guān)系，構(gòu)建大襟島海域Chl-a質(zhì)量濃度的反演模型。

進一步對單波段模型、波段比值模型以及一階微分模型3種模型的 CASI 數(shù)據(jù)反演結(jié)果進行校驗比較，Chl-a反演值跟實測值的相對誤差如表4所示。

表4 基于CASI數(shù)據(jù)采用不同模型反演Chl-a質(zhì)量濃度的誤差統(tǒng)計分析表Tab.4 Errors analysis of Chl-a concentration inversion by different models based on CASI data

總體而言，單波段模型、波段比值模型和一階微分模型的反演結(jié)果和實測數(shù)據(jù)均具有顯著相關(guān)性(p<0.01)，波段比值模型反演結(jié)果的平均相對誤差(14.58%)和均方根誤差(0.36 μg/L)都相對更低。因此本次研究選用波段比值模型用于CASI數(shù)據(jù)反演，具體公式為

Chl-aCASI=0.960 1×[Rrs(622)/(Rrs(851)]+0.073 9

(4)

式中：Rrs(622)、Rrs(851)分別代表CASI數(shù)據(jù)中心波長為622 nm和851 nm的遙感反射率。

由CASI數(shù)據(jù)反演結(jié)果(圖5)可見，大襟島附近海域Chl-a質(zhì)量濃度在0.19～4.4 μg/L范圍內(nèi)波動，質(zhì)量濃度較低，在研究海域內(nèi)分布均勻。

圖5 大襟島海域Chl-a質(zhì)量濃度CASI數(shù)據(jù)反演圖Fig.5 Retrieval of Chl-a concentration from CASI in Dajin Island

3.2 基于MODIS數(shù)據(jù)的Chl-a反演及精度校驗

為了保持和航空遙感反演模型的一致性，本研究中MODIS數(shù)據(jù)也采用了波段比值模型進行Chl-a質(zhì)量濃度反演：

Chl-aMODIS=0.911 7×[Rrs(645)/Rrs(858)+0.064 8]

(5)

式中：Rrs(645)代表MODIS數(shù)據(jù)紅光波段(中心波長為645 nm)的遙感反射率，Rrs(858 nm)代表MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段(中心波長為858 nm)的遙感反射率。

對MODIS數(shù)據(jù)反演結(jié)果進行精度校驗(表5)表明，所有站位的相對誤差均在30%以內(nèi)，最大誤差為29%，最小誤差為4%，平均誤差為17%。

表5 基于波段比值模型的MODIS數(shù)據(jù)Chl-a反演模型誤差統(tǒng)計分析表Tab.5 Error analysis of Chl-a concentration obtained by bands ratio model based on MODIS data

總體而言，反演結(jié)果和實測數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性(p<0.01)，反演精度在合理誤差范圍內(nèi)，表明本次研究構(gòu)建的波段比值模型可以較好地對廣東江門大襟島海域的Chl-a質(zhì)量濃度進行反演，并且MODIS數(shù)據(jù)具有較好的可移植性。反演結(jié)果如圖6所示。

圖6 珠江口Chl-a質(zhì)量濃度MODIS數(shù)據(jù)反演圖Fig.6 Retrieval of Chl-a concentration from MODIS in Pearl River Estuary

對MODIS反演的Chl-a數(shù)據(jù)分析表明：珠江口海域內(nèi)Chl-a質(zhì)量濃度在0～8 μg/L范圍內(nèi)波動，隨著離岸距離的增加，Chl-a質(zhì)量濃度逐漸增高?？傮w表現(xiàn)為近岸質(zhì)量濃度低，遠(yuǎn)岸質(zhì)量濃度高；河口內(nèi)質(zhì)量濃度低，河口外質(zhì)量濃度高的特點。Chl-a質(zhì)量濃度高值區(qū)呈現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)的分布特點。MODIS反演獲得的大襟島附近海域Chl-a質(zhì)量濃度與CASI反演結(jié)果一致，處于較低水平。

4 大襟島海域水體富營養(yǎng)化評價及影響因素分析

基于CASI機載高光譜數(shù)據(jù)獲得的Chl-a質(zhì)量濃度反演結(jié)果對大襟島海域的水質(zhì)進行了評價，并結(jié)合MODIS的Chl-a反演結(jié)果對影響大襟島海域水體富營養(yǎng)化的可能因素進行了分析。

4.1 大襟島海域富營養(yǎng)化評價

Chl-a質(zhì)量濃度是表征水體富營養(yǎng)化的主要參數(shù)，以Chl-a質(zhì)量濃度為標(biāo)準(zhǔn)來計算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，可以用于評價水體的富營養(yǎng)化狀況[18-19]，計算公式如下

TSI=10×{6-[2.04-0.68ln(Chl-a)]/ln2}

(6)

式中：TSI代表卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Chl-a代表Chl-a質(zhì)量濃度，單位：μg/L。按照TSI與水體營養(yǎng)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字將營養(yǎng)狀態(tài)分為4個等級，即貧營養(yǎng)(TSI<40)、中營養(yǎng)(40≤TSI<50)、富營養(yǎng)(50≤TSI<70)和極度富營養(yǎng)(TSI≥70)。根據(jù)CASI Chl-a質(zhì)量濃度反演結(jié)果，獲得的研究海域富營養(yǎng)化指數(shù)評價結(jié)果如圖7所示，基于CASI反演獲得的Chl-a質(zhì)量濃度，研究海域處于貧營養(yǎng)化和中營養(yǎng)化水平。

圖7 大襟島海域富營養(yǎng)化評價圖Fig.7 Eutrophication assessment of Dajin Island

4.2 大襟島海域營養(yǎng)狀態(tài)影響因素分析

為了確保評價的客觀性，進一步分析了MODIS數(shù)據(jù)反演的Chl-a在珠江口的整體分布特征，發(fā)現(xiàn)珠江口的Chl-a隨著離岸距離的增加而逐漸增高，并且Chl-a質(zhì)量濃度高值區(qū)呈現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)的分布特點，與沿岸流在柯氏力的影響下表現(xiàn)為順時針方向流動的特點一致。由此判斷，珠江口外局部海域Chl-a質(zhì)量濃度增高可能是攜帶大量陸域營養(yǎng)物質(zhì)的地表徑流向海洋輸送過程中咸淡水充分混合，在適宜的溫度、鹽度和營養(yǎng)鹽條件下浮游植物大量生長繁殖而造成的。黃國容 等[20]根據(jù)MODIS反演懸浮泥沙結(jié)果也認(rèn)為大襟島海域的水環(huán)境受到來自黃茅海西岸的陸源輸入影響較大。黃茅海的陸源輸入物向海運輸?shù)倪^程中，在經(jīng)過大襟島海域時會出現(xiàn)明顯的分支現(xiàn)象，部分沿岸流在河口海域自西北向東南向海運輸并與徑流主軸匯合，而沿岸流主體則沿著大襟島自東北向西南向海運輸。大襟島的東北和西北海域受到了明顯的陸源輸入影響。

由于富營養(yǎng)化的影響因素和狀態(tài)表征之間的關(guān)系十分復(fù)雜，即使是同一類型水體，具有同樣的營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度，由于溫度、鹽度、濁度等的差異，在不同時間和空間上其表現(xiàn)出來的富營養(yǎng)化狀態(tài)也可能相差十分懸殊。大襟島附近海域水體渾濁度較高，水動力條件復(fù)雜，研究海域Chl-a的質(zhì)量濃度和空間分布特點是同時受陸域輸入、陸海交互過程、水動力環(huán)境以及水體理化環(huán)境的深刻影響的綜合表現(xiàn)。

5 結(jié)論

本次研究以中華白海豚棲息地——廣東江門大襟島海域為研究區(qū)，以機載高光譜影像CASI為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實測數(shù)據(jù)構(gòu)建了研究區(qū)域Chl-a的定量反演模型，基于反演的結(jié)果對大襟島海域水體富營養(yǎng)化進行了評價，并對大襟島海域營養(yǎng)狀態(tài)的影響因素進行了分析。主要結(jié)論如下：

(1)波段比值模型可以較好地反演出研究海域的Chl-a質(zhì)量濃度，研究海域Chl-a質(zhì)量濃度為0.1～ 4.4 μg/L，整體分布比較均勻，而且含量較低。

(2)大襟島海域水體總體表現(xiàn)為低至中等營養(yǎng)水平，北部養(yǎng)殖區(qū)沒有呈現(xiàn)出明顯的富營養(yǎng)化。

(3)結(jié)合MODIS遙感影像分析表明，隨著離岸距離的增加，珠江口的Chl-a分布呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。由此判斷，大襟島海域較低的葉綠素含量可能與該海域復(fù)雜水動力環(huán)境和高濁度有關(guān)。