內(nèi)陸河道表層水體反射光譜的走航觀測研究

王春娟，周 斌*，鄭瑤瑤，于之鋒

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.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121 3.杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 311121

引 言

水體光譜觀測是水體光學(xué)性質(zhì)、水色遙感反演建模等研究不可或缺的基礎(chǔ)性工作之一。常規(guī)的水體光譜測量多以傾斜觀測為主，即以Mobley等[1-3]的研究推薦采用(40°,135°)(即光譜儀觀測平面與太陽入射平面的夾角φ為135°(背向太陽方向)，光譜儀觀測與海面法線方向的夾角θ為40°)的觀測幾何進(jìn)行水體光譜觀測。該觀測幾何被認(rèn)為能最大程度地減小船體自身以及太陽直射反射的影響。

現(xiàn)場水體光譜連續(xù)觀測能夠獲取不同地方時(shí)(太陽角度發(fā)生變化)的大樣本水體反射光譜，豐富對(duì)水體二向反射特征的認(rèn)識(shí)，并建立更精確的反演模型，在水色遙感研究中具有極其重要的作用。目前多采用浮標(biāo)[4]或航次站位[5]進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)觀測獲取水體光譜數(shù)據(jù)，但浮標(biāo)觀測限于空間位置，無法獲取整個(gè)更廣泛水域的光譜信息。限于河道寬度、河道走向、岸線遮蔽等條件，采用走航傾斜觀測方式，需不斷調(diào)整觀測位置和方位，也難以實(shí)施連續(xù)走航觀測。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于垂直觀測幾何方式的內(nèi)陸河道表層水體反射光譜連續(xù)走航快速觀測方法，并通過時(shí)空匹配技術(shù)獲取整個(gè)河道的全波長遙感反射率數(shù)據(jù)。

陳立雄[6]等通過對(duì)不同觀測幾何的對(duì)比分析，認(rèn)為垂直測量的光譜反射率計(jì)算可以消除大部分不確定因素，完全符合做反演模型的構(gòu)建及水質(zhì)光譜特性研究。且多數(shù)衛(wèi)星傳感器的觀測天頂角都接近于0，也就是近乎垂直觀測，可見垂直觀測是一種可行的測量方式。所以針對(duì)內(nèi)陸河道的特殊性，本研究采用垂直觀測來進(jìn)行內(nèi)陸河道的連續(xù)觀測，垂直觀測無需調(diào)整測量角度，測量的一致性能夠保證且穩(wěn)定性較好。

為了探討快速連續(xù)走航的可行性，以典型內(nèi)陸二類水體——杭州西小江為研究對(duì)象，使用水面之上測量法的垂直觀測幾何分別對(duì)水體反射光、天空光和灰板進(jìn)行連續(xù)走航觀測，然后利用計(jì)算獲得的水體遙感反射率對(duì)西小江的水體光譜特性進(jìn)行分析；并以遙感反射率數(shù)據(jù)與衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的時(shí)間-空間匹配結(jié)果為基礎(chǔ)，通過將其與Sentinel-2B影像數(shù)據(jù)做對(duì)比，探討垂直走航觀測產(chǎn)生的大樣本地面實(shí)測反射率數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證衛(wèi)星影像遙感反射率產(chǎn)品的可行性。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)

杭州西小江位于浙江省東部，源自杭州市蕭山區(qū)臨浦鎮(zhèn)的麻溪村，流經(jīng)臨浦、所前、新塘、衙前等鎮(zhèn)(街道)，在紹興市錢清鎮(zhèn)匯入杭甬運(yùn)河，至紹興三江附近入錢塘江，為典型的內(nèi)陸二類水體。其中杭州段(含杭甬運(yùn)河重合段)起自臨浦鎮(zhèn)白鹿塘村，終至錢清鎮(zhèn)西小江大橋北，長29.75 km，水域面積2.40 km2，常水位3.98 m[7]。西小江水域支流眾多，是整個(gè)蜀山平原水資源載體，以及防汛排澇的主要承載。隨著杭甬運(yùn)河改造，以及“浙東引水”工程的建設(shè)，西小江在航運(yùn)、防洪等方面的作用逐步加強(qiáng)。實(shí)測的西小江河段位于東經(jīng)120°21′—120°23′，北緯30°9′—30°10′之間，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及觀測位置圖Fig.1 Study area and observation sites

1.2 數(shù)據(jù)獲取

于2020年8月21日8:30—9:30，用三臺(tái)ASD便攜式野外光譜儀FiledSpec HandHeld 2 Pro，按照規(guī)劃在圖1所示河段中沿河道中心進(jìn)行快速連續(xù)的河道表層水體反射光譜的走航觀測。ASD便攜式野外光譜儀FiledSpec HandHeld 2 Pro擁有超高的靈敏度和高出標(biāo)準(zhǔn)型5倍以上的信噪比，且測量時(shí)間短，非常適用于二類水體的快速遙感研究，其波長范圍為325～1 075 nm。

與觀測水體光譜數(shù)據(jù)同步，利用英國Aquaread公司生產(chǎn)的AP-2000多參數(shù)水質(zhì)傳感器及德國TriOS公司生產(chǎn)的熒光計(jì)系列水質(zhì)分析儀采集水質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)。其中AP-2000多參數(shù)水質(zhì)傳感器攜帶了水溫、pH、濁度(turbidity)等多個(gè)探頭，熒光劑系列水質(zhì)儀包括葉綠素(chlorophyll，Chl)、藍(lán)藻(cyanobacteria ，Cyno)、黃色物質(zhì)(colored dissolved organic matter,CDOM)熒光計(jì)。本研究選用濁度、葉綠素濃度、黃色物質(zhì)濃度來作為水色分析參數(shù)。

2 水體反射光譜測量方法

在考慮二類水體水面之上測量法的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)陸河道的特殊性進(jìn)行實(shí)測光譜儀的安置，用于實(shí)現(xiàn)水體反射光譜連續(xù)走航觀測。要選擇水面風(fēng)浪較小時(shí)進(jìn)行觀測，船體應(yīng)避免搖晃，且以勻速在河道中間行駛，盡量避免岸線遮蔽物本身和陰影對(duì)觀測的影響。

由于型號(hào)、感光元件響應(yīng)、外接光纖等的差異，實(shí)測前須對(duì)前期已經(jīng)進(jìn)行過光學(xué)標(biāo)定的光譜儀再次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)反射板標(biāo)定，得到三臺(tái)光譜儀之間的互校系數(shù)，用于后續(xù)遙感反射率的計(jì)算，以便減少上述因素產(chǎn)生的一致性偏差。

光譜采集期間，風(fēng)力小于5級(jí)，太陽周圍90°立體角內(nèi)無淡云、卷云、濃積云等，光照穩(wěn)定，河面也無大的波浪。用光譜儀在船體向陽面采用垂直幾何觀測進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)灰板、天空光和水面反射光的同步觀測，水面反射光觀測按水面之上法的要求進(jìn)行安置，探頭支架要置于船頭，伸出船舷外，根據(jù)吃水線上方船體的高度及光纖探頭角度，確定伸出船舷外的長度，以保證不受船體影響。采用1.5 m的探頭支架，將測量天空光和水面反射光的光纖探頭以180°的豎直方向固定，滿足離水面一定距離、無遮蔽物、光線充足等觀測條件，且觀測時(shí)間避開太陽天頂角較小的午間時(shí)段，以減少太陽耀光的影響。光譜實(shí)測幾何示意圖如圖2所示。

圖2 河道水體反射光譜的垂直觀測幾何示意圖Fig.2 Vertical viewing geometry of reflectance spectral measurement of river water

3 水面反射光譜數(shù)據(jù)處理及時(shí)空匹配方法

3.1 異常值剔除

選擇特征波長依次查看參考板光譜、天空光光譜和水體反射光光譜三者的突變值，并進(jìn)行對(duì)比，以剔除由于河道上方的橋梁遮蔽所引起的異常值。同時(shí)，剔除受太陽耀光影響的異常水體反射光光譜及其對(duì)應(yīng)的參考灰板光譜和天空光光譜。

3.2 水體遙感反射率計(jì)算

計(jì)算遙感反射率公式如式(1)

(1)

式(1)中，Lw，Lsky和Es分別為光譜儀面向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)的測量值，ρp為經(jīng)過嚴(yán)格定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)板反射率，ρ為氣-水界面對(duì)天空光的反射率，依據(jù)Mobley[8]的研究，ρ取0.020，α和β為實(shí)測前根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的互交系數(shù)。

3.3 水體遙感反射率的時(shí)間-空間匹配

3.3.1 時(shí)間匹配

將光譜儀觀測時(shí)間設(shè)置為固定時(shí)間間隔，但由于光譜儀記錄存在數(shù)據(jù)延遲等現(xiàn)象，光譜數(shù)據(jù)并未嚴(yán)格依據(jù)所設(shè)定的固定時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，因此需要進(jìn)行時(shí)間匹配處理。具體操作為，對(duì)于缺乏光譜數(shù)據(jù)記錄的時(shí)刻，采用其前后時(shí)刻的兩條光譜數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行插值處理，對(duì)于存在多條光譜數(shù)據(jù)記錄的時(shí)刻，則以該時(shí)刻內(nèi)的多條光譜數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行替代處理，由此獲得固定時(shí)間間隔的光譜數(shù)據(jù)結(jié)果，達(dá)到時(shí)間上連續(xù)觀測的目的。在本次西小江河道觀測中所設(shè)定的時(shí)間間隔為1 s。

3.3.2 空間匹配

利用連續(xù)觀測的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，按照光譜數(shù)據(jù)時(shí)間同步處理后的時(shí)間間隔，插值出同步的時(shí)間間隔經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和內(nèi)陸河道表層水體遙感反射率數(shù)據(jù)的時(shí)間-空間匹配，得到在時(shí)空上連續(xù)的內(nèi)陸河道表層水體遙感反射率。

4 結(jié)果與討論

4.1 西小江河道表層遙感反射率計(jì)算結(jié)果

本次測量共獲得933條數(shù)據(jù)，經(jīng)過異常值剔除、計(jì)算和時(shí)空匹配，得到西小江所測河段699秒連續(xù)的水體遙感反射率光譜。由于350 nm之前和900 nm之后的遙感反射率的值都比較小，且受噪聲影響比較大，因此僅顯示350～900 nm之間的光譜，后續(xù)的討論也都是基于此波長范圍進(jìn)行。限于篇幅，無法展示全部的光譜，選擇了其中12條反射率光譜進(jìn)行展示(圖3)，這12條反射光譜是從早上8點(diǎn)50分30秒到9點(diǎn)01分30秒每隔1 s測量一次得到的遙感反射率曲線。圖4分別為400，440，550，628，645，676，706，748和869 nm這九個(gè)特征波長的走航觀測反射曲線。時(shí)空匹配后得到特征波長處在時(shí)空上連續(xù)的內(nèi)陸河道表層水體遙感反射率如圖5所示。

圖3 時(shí)間上連續(xù)的遙感反射光譜曲線Fig.3 Continuous-time remote sensing reflectance spectral curves

圖4 特征波長處的遙感反射光譜曲線Fig.4 Remote sensing reflectance spectral curves at characteristic wavelengths

圖5 時(shí)空匹配后的河道遙感反射率Fig.5 Remote sensing reflectance of river water after spatio-temporal matching

4.2 西小江河道表層遙感反射率分析

由圖3、圖4可以看出，西小江所測河段遙感反射率從藍(lán)波段到黃波段逐漸增加，在570 nm附近形成反射峰，然后隨著波長的增加遙感反射率減小，在650 nm附近出現(xiàn)微小峰值，在705 nm附近出現(xiàn)熒光峰，在810 nm附近出現(xiàn)泥沙后向散射峰[9]，這些都是典型的二類水體波譜特征。

水體光譜特征是由水中各種物質(zhì)對(duì)太陽光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定的，反映了水體本身和水體中所含物質(zhì)的綜合信息，影響水體信息的成分主要分為葉綠素、無機(jī)懸浮物和黃色物質(zhì)三種。

葉綠素的光譜特征主要體現(xiàn)在550～710 nm之間，由圖3、圖4看出，在570 nm附近形成反射峰，這是由于葉綠素的吸收系數(shù)在此波長附近達(dá)到最小值，以及藻類植物細(xì)胞壁的散射作用形成[10]，該反射峰與色素組成有關(guān)；在665 nm附近的吸收谷是由于葉綠素a在該處的強(qiáng)烈吸收形成；在705 nm附近的反射峰是由于水和葉綠素的吸收系數(shù)在該處達(dá)到最小，以及浮游植物色素的的熒光效應(yīng)，該反射峰是含藻類水體最顯著的光譜特征[11]，這也正是大多數(shù)模型采用665和705 nm建立反演算法來反演葉綠素濃度[12-13]的原因，對(duì)實(shí)測葉綠素濃度和實(shí)測遙感反射率進(jìn)行建模如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在665和705 nm的確定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.889和0.884，可見二者有較好的關(guān)聯(lián)性。

圖6 實(shí)測葉綠素濃度與實(shí)測遙感反射率之間的線性相關(guān)圖Fig.6 Linear relationship between measured chlorophyll concentration and measured remote sensing reflectance

在典型二類水體中，懸浮泥沙使得遙感反射率具有雙峰特性，第一反射峰在600～700 nm，第二反射峰在760～820 nm，在含沙量較低時(shí)，第一反射峰值高于第二反射峰值[14]。由圖3、圖4看出，在650 nm附近和810 nm附近出現(xiàn)峰值，滿足雙峰特性，且650 nm附近的反射峰值高于810 nm附近的反射峰值，說明西小江含沙量較低。水體濁度、懸浮泥沙濃度和透明度這三個(gè)變量密切相關(guān)，因無懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)，故在本研究中，用濁度替代懸浮泥沙濃度進(jìn)行定量分析；因AP-2000多參數(shù)水質(zhì)傳感器濁度探頭獲取的濁度數(shù)據(jù)僅為每分鐘的，所以以較合理時(shí)間段的遙感反射率均值與濁度做匹配處理，二者相關(guān)性建模如圖7所示，發(fā)現(xiàn)650和810 nm的確定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.993和0.903，雖因數(shù)據(jù)量少，存在一定的誤差，但也反映出二者關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

圖7 實(shí)測濁度與實(shí)測遙感反射率之間的線性相關(guān)圖Fig.7 Linear relationship between measured turbidity and measured remote sensing reflectance

400和440 nm都曾被選為表征CDOM濃度的參數(shù)。實(shí)測CDOM濃度和遙感反射率的線性建模如圖8所示，發(fā)現(xiàn)其在400和440 nm的確定系數(shù)R2僅為為0.257和0.254，可見其二者關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。由此可見，西小江水體遙感反射率主要受葉綠素濃度和濁度的影響，受黃色物質(zhì)的影響較小。

圖8 實(shí)測CDOM濃度與實(shí)測遙感反射率之間的線性相關(guān)圖Fig.8 Linear relationship between measured CDOM concentration and measured remote sensing reflectance

由時(shí)空匹配后的河道水體遙感反射率圖5可以看出，遙感反射率在各個(gè)特征波長處的變化較一致，僅有數(shù)值上的差別。此數(shù)據(jù)可用于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的校正與建模，為此用Sentinel-2B衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

4.3 遙感數(shù)據(jù)處理與分析

本研究所使用的是下載于歐空局(ESA)(獲取地址：https://scihub.copernicus.eu/)的2020年8月16日幾乎無云的Sentinel-2B L1C和L2A數(shù)據(jù)。Sentinel-2星座有S2-A和S2-B兩顆衛(wèi)星，分別搭載一枚多光譜成像儀(MSI)，可觀測從可見光到近紅外的13個(gè)光譜帶，空間分辨率分別為10，20和60 m[15]。L1C數(shù)據(jù)是經(jīng)過正射校正和幾何精校正處理的大氣表觀反射率數(shù)據(jù)，L2A數(shù)據(jù)是經(jīng)過幾何精校正和輻射定標(biāo)處理的遙感反射率數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)過Sen2Cor大氣校正處理。

使用Sentinel-2B的光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)實(shí)測光譜進(jìn)行等效光譜模擬，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)波段的等效遙感反射率，選用10 m空間分辨率的B3(560 nm)，B4(665 nm)，B8(842 nm)和20 m分辨率的B5(705 nm)，B6(740 nm)，B7(783 nm)和B8A(865 nm)七個(gè)波段的等效遙感反射率與經(jīng)過Sen2Cor大氣校正的L2A數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并選擇所測時(shí)段中最為穩(wěn)定的每分鐘30秒處的值(共84個(gè)值)進(jìn)行建模，建模結(jié)果如圖9(a)。由圖9(a)明顯看出，相較于實(shí)測獲得的水體遙感反射率，基于Sen2Cor的大氣校正后的L2A數(shù)據(jù)除少數(shù)特例外，整體存在明顯高估現(xiàn)象，其主要原因是Sen2Cor處理器的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)為陸地，水體區(qū)域會(huì)因?yàn)槿照债a(chǎn)生太陽反射。本研究還通過L1C數(shù)據(jù)反推輻射亮度，再用ENVI5.3進(jìn)行FLAASH大氣校正獲取了Sentinel-2遙感反射率數(shù)據(jù)，如式(2)

(2)

式(2)中，Lλ為輻射亮度，單位為W·(m2·sr·μm)-1；ρλ為大氣表觀反射率，單位為sr-1；d為日地距離，單位為天文單位；ESUNλ為太陽輻照度，單位為W·(m2·μm)-1；θ為太陽高度角，單位為(°)。

計(jì)算結(jié)果與地面實(shí)測光譜反射率進(jìn)行建模分析，建模方式與圖9(a)相同，其結(jié)果見圖9(b)。由圖9(b)可以看出，F(xiàn)LAASH大氣校正后的RMSE=0.0059，R2=0.808?？梢娖渑cSen2Cor校正結(jié)果(RMSE=0.0030，R2=0.906)都有較高的確定系數(shù)R2。雖然確定系數(shù)R2都相對(duì)較高，但由圖9明顯看出，基于Sen2Cor的大氣校正結(jié)果存在高估現(xiàn)象，基于FLAASH的大氣校正結(jié)果在小于0.02 sr-1時(shí)也存在高估，此時(shí)RMSE為0.002 7，R2達(dá)到了0.887，但在大于0.02 sr-1時(shí)則明顯低估,這其中固然有數(shù)據(jù)獲取時(shí)間不一致的因素，但也說明現(xiàn)有的大氣校正方法用在大樣本實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，表現(xiàn)并不理想，有關(guān)河道水體衛(wèi)星影像的大氣校正需要更多的研究。

圖9 (a)實(shí)測遙感反射率與Sen2Cor大氣校正后的Sentinel-2B遙感反射率之間的相關(guān)性；(b)實(shí)測遙感反射率與FLAASH大氣校正后的Sentinel-2B遙感反射率之間的相關(guān)性Fig.9 (a)The relationship between measured remote sensing reflectance and Sentinel-2B remote sensing reflectance after Sen2Cor at mospheric correction；(b)the relationship between measured remote sensing reflectance and Sentinel-2B remote sensing reflectance after FLAASH atmospheric correction

5 結(jié) 論

針對(duì)目前傾斜定點(diǎn)連續(xù)觀測的不足，提出了一種基于連續(xù)走航快速觀測的內(nèi)陸河道表層水體反射光譜測量方法，并以西小江部分河段實(shí)測遙感反射率數(shù)據(jù)和Sentinel-2B遙感反射率數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1)用本研究提出的方法獲取西小江部分河段的遙感反射率，根據(jù)光譜特性曲線的特征，分別對(duì)西小江河道的葉綠素濃度和懸浮泥沙進(jìn)行定性分析，其結(jié)果符合二類水體的典型波譜特征；

(2)對(duì)實(shí)測遙感反射率與實(shí)測葉綠素濃度、濁度和黃色物質(zhì)濃度進(jìn)行光學(xué)參數(shù)建模，發(fā)現(xiàn)葉綠素濃度、濁度與實(shí)測遙感反射率的關(guān)聯(lián)很強(qiáng)，葉綠素濃度在波長665和705 nm處與實(shí)測遙感反射率的相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到了0.889和0.884。濁度在波長650和810 nm處與實(shí)測遙感反射率的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.993和0.903。而黃色物質(zhì)濃度與實(shí)測遙感反射率的相關(guān)性不強(qiáng)，即使在最能體現(xiàn)黃色物質(zhì)的400和440 nm處，其與實(shí)測遙感反射率的相關(guān)系數(shù)R2也只有0.257和0.254。說明西小江所測河道的遙感反射率主要受葉綠素濃度和濁度的影響；

(3)Sentinel-2的觀測天頂角接近于0，近乎于垂直觀測。使用Sentinel-2B的光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)實(shí)測光譜進(jìn)行等效光譜模擬，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)波段的等效遙感反射率，反演結(jié)果與Sen2Cor大氣校正的L2A數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)存在高估現(xiàn)象。同時(shí)又用Sentinel-2B的大氣表觀反射率反推輻射亮度，然后用FLAASH大氣校正獲取Sentinel-2B遙感反射率數(shù)據(jù)，其結(jié)果顯示，在小于0.02 sr-1時(shí)高估，大于0.02 sr-1時(shí)明顯低估。因此可用本研究提出的連續(xù)走航快速觀測方法獲取遙感反射率用于垂直觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)反演和校正。