基于同期光學(xué)與微波遙感的茅尾海及其入海口水體懸浮物反演

丁波， 李偉， 胡克

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，煙臺(tái) 264011； 3.新瑪科技(北京)有限公司，北京 100085)

0 引言

懸浮物是指懸浮于海水中的固態(tài)物質(zhì)，包括有機(jī)成分(如碳水化合物、蛋白質(zhì)、生物殘骸、排泄物和分解物等)和無(wú)機(jī)組分(如陸源礦物顆粒、懸浮泥沙、黏土以及人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的顆粒和溶解物等)[1-2]。懸浮物濃度是衡量近海海水清澈度和其他成分的重要參數(shù)，尤其是位于海灣、河流入?？?、近海等區(qū)域，受陸源物質(zhì)、人類(lèi)活動(dòng)和海洋動(dòng)力等因素的影響[3]，較高的懸浮物濃度極大地降低了光線的穿透能力，不僅直接影響了水體生態(tài)條件比如浮游生物繁育[4-5]、生蠔養(yǎng)殖、魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)，以及污染物擴(kuò)散等[6]，同時(shí)也影響著河口變化及海岸帶沖淤過(guò)程。懸浮物濃度高低，在光學(xué)遙感上表現(xiàn)為光譜反射率、水體清澈度和水色等光學(xué)特性[7-8]； 而在微波遙感上反映為后向散射系數(shù)、粗糙程度和介電常數(shù)等特征。

懸浮物的監(jiān)測(cè)方法主要包括常規(guī)實(shí)地調(diào)查和遙感反演。常規(guī)方法是乘船逐點(diǎn)采樣-化驗(yàn)成分-分析數(shù)據(jù)[9]，這種方法調(diào)查速度慢、周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且只能獲得在時(shí)間、空間分布上都很離散的少量點(diǎn)數(shù)據(jù)。遙感反演得益于衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，傳感器具有快速、高效且重訪周期短等優(yōu)勢(shì)，能夠快速獲取任一區(qū)域內(nèi)水體遙感影像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其懸浮物的空間分布和動(dòng)態(tài)變化，克服了常規(guī)方法的不足，因此受到廣泛關(guān)注。

光學(xué)遙感懸浮物反演理論依據(jù)是水體的光譜反射率，不同物質(zhì)成分的水體擁有不同的光譜反射率，一般來(lái)說(shuō)，純水的光譜反射率較低，而懸浮物的光譜反射率較高[10-12]。過(guò)去的20 a里，眾多的學(xué)者在懸浮物濃度反演方面開(kāi)展了大量的研究工作并取得了可觀的研究成果，反演算法涵蓋從單波段[7,13]到多波段[2, 13-17]，從低分辨率[2, 14-16, 18-20]到高分辨率[8,12,17,21]。而微波遙感反演懸浮物的理論核心是SAR圖像的后向散射系數(shù)，一個(gè)包含物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)(也包含渾濁水體或懸浮物)表面細(xì)節(jié)(粗糙度、幾何形態(tài)、復(fù)介電常數(shù)等)的基本量[22-23]。根據(jù)大量學(xué)者的研究，近海懸浮物濃度影響了海水的組分、粒徑以及海水渾濁度等物理屬性，而海水的組分和粒徑跟水體的后向散射系數(shù)有密切的關(guān)系并對(duì)其產(chǎn)生著影響，這一特征最終在雷達(dá)影像上得到一定的反映[24-28]。

近些年來(lái)，學(xué)者更多利用多光譜遙感開(kāi)展各類(lèi)水體的懸浮物濃度反演，而較少利用微波遙感開(kāi)展相關(guān)研究。本文針對(duì)同一目標(biāo)海域，利用2種同時(shí)期獲取的不同類(lèi)型的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)源(GF-1C和GF-3)開(kāi)展懸浮物遙感反演分析，并結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，討論并分析了2種反演結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

茅尾海地處廣西欽州灣，是一個(gè)半封閉內(nèi)海(N21°30′～21° 55′,E108°25′～108°45′)，由一條狹窄的水道與北部灣相連(圖1)。潟湖海岸線長(zhǎng)約120 km，東西寬約14 km，南北縱深約17 km，面積約134 km2。平均水深為0.1～5 m，最深處可達(dá)29 m。

圖1 研究區(qū)域與野外采樣點(diǎn)分布

茅尾海上游匯集大欖江、欽江和茅嶺江等3條常年性河流，均發(fā)源于上游山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層主要包括： 下層為下古生界志留系，表層為覆蓋較厚的第四系，3條主要河流每年通過(guò)徑流為茅尾海輸入大量陸源泥沙。茅尾海內(nèi)海常年海面平靜，泥沙充沛，餌料豐富，是廣西重要的海洋牧場(chǎng)，也是中國(guó)著名的生蠔養(yǎng)殖基地，同時(shí)兼有對(duì)蝦、青蟹、魚(yú)類(lèi)及貝類(lèi)養(yǎng)殖； 因其內(nèi)海海域開(kāi)闊，島嶼眾多，也是風(fēng)景優(yōu)美的旅游勝地。茅尾海入?？趦蓚?cè)分布著2處重要的基礎(chǔ)設(shè)施： 東側(cè)為欽州港，包含多個(gè)人工島和防護(hù)堤，西側(cè)為防城港核電站，修建了2條短的平行防沙堤和進(jìn)水通道，以及2條狹長(zhǎng)的排水通道。

1.2 采樣數(shù)據(jù)

水樣采集嚴(yán)格按照海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行[29]。研究區(qū)內(nèi)水樣采集點(diǎn)共計(jì)15處，具體分布如圖1。樣品采集時(shí)間為2019年9月18—20日上午8: 00～10: 00，潮汐資料顯示該時(shí)間段處于高潮期。每個(gè)采樣點(diǎn)均采集3份樣品，采樣深度(水面向下)分別為0～0.5 m，5 m，10 m，樣品經(jīng)由專(zhuān)門(mén)的樣品箱封存，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行濃度測(cè)試。最終共計(jì)45份樣品按計(jì)劃進(jìn)行了送檢并測(cè)試分析，具體分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)懸浮物濃度野外采樣數(shù)據(jù)

1.3 遙感數(shù)據(jù)集

高分專(zhuān)項(xiàng)是我國(guó)于2010年5月經(jīng)由國(guó)務(wù)院審議并批準(zhǔn)實(shí)施的高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)之一[30]，目前已發(fā)射了14個(gè)衛(wèi)星系列(GF-1—GF-14)，傳感器類(lèi)型從光學(xué)到雷達(dá)，軌道從太陽(yáng)同步到地球同步，拍攝能力從全色、多光譜到高光譜等，構(gòu)成了一個(gè)具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率能力的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，其中7個(gè)衛(wèi)星系列已投入民用。

GF-1是高分專(zhuān)項(xiàng)的首發(fā)光學(xué)遙感衛(wèi)星，包括后續(xù)發(fā)射的姊妹星GF-1B,C,D，全色影像空間分辨率為2 m； 多光譜影像空間分辨率為8 m，光譜范圍包括藍(lán)光波段(0.45～0.52 μm)、綠光波段(0.52～0.59 μm)、紅光波段(0.63～0.69 μm)以及近紅外波段(0.77～0.89 μm)。GF-3是我國(guó)首顆C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture Radar,SAR)衛(wèi)星，傳感器包括12種成像模式，能夠高時(shí)效地實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用模式下獲取1～500 m空間分辨率、10～650 km幅寬的微波遙感數(shù)據(jù)。本文所用數(shù)據(jù)具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)遙感影像詳細(xì)信息

上述2類(lèi)數(shù)據(jù)均可用于懸浮物濃度反演。根據(jù)GF-1和GF-3的數(shù)據(jù)覆蓋同步性，最終選取時(shí)相為2019年9月份的GF-1多光譜影像和GF-3 SAR影像各1景作為研究區(qū)懸浮物反演遙感源數(shù)據(jù)。同時(shí)收集了區(qū)內(nèi)的地形數(shù)據(jù)及衛(wèi)星參數(shù)信息作為輔助數(shù)據(jù)，為影像預(yù)處理提供基礎(chǔ)參考。

2 研究方法

2.1 光學(xué)遙感懸浮物水體提取

一般來(lái)說(shuō)，懸浮物濃度與其光學(xué)屬性在不同水域有著較大的差異，但在光譜特征上表現(xiàn)出一致的“雙峰”特性[26, 31-32]。圖2表明，懸浮物光譜“雙峰”敏感波段范圍主要集中在620～720 nm和790～840 nm光譜范圍，這與GF-1多光譜波段的紅光波段和近紅外波段光譜范圍高度契合。

(a) 實(shí)測(cè)光譜曲線(b) GF-1光譜曲線

懸浮物濃度CTSM與多光譜反射率Rrs存在較好的相關(guān)性[17，32-33]，本文基于已有成熟的理論算法，利用影像上的水體紅光波段和近紅外波段的光譜反射率采用雙波段比值，進(jìn)而等效獲得Rrs，并求取相關(guān)系數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用統(tǒng)計(jì)回歸模型開(kāi)展光學(xué)遙感懸浮物反演。計(jì)算公式為：

(1)

ρi=GainDNi+Bias，

(2)

式中：ρR和ρNIR分別為GF-1的紅光波段和近紅外波段反射率；Gain和Bias分別為增益和偏差。

2.2 微波遙感懸浮物水體提取

根據(jù)雷達(dá)工作原理，自然界大多數(shù)地物均可以視為粗糙程度不同的粗糙表面，在雷達(dá)上表現(xiàn)為地物的后向散射回波強(qiáng)度，圖像上呈現(xiàn)出不同的灰度值，常用后向散射截面積σ或后向散射系數(shù)σ0來(lái)表達(dá)，其公式為：

σ0=f(λ，θ，P,φ,ε,Γ1,Γ2,V)，

(3)

式中：λ為波長(zhǎng)；θ為入射角；Ρ為極化方式；φ為方位角；ε為復(fù)介電常數(shù)；Γ1為表面粗糙度；Γ2為次表面粗糙度；V為體散射系數(shù)。

1)降噪處理(多視與濾波)。斑點(diǎn)噪聲是SAR系統(tǒng)的固有缺陷，對(duì)SAR圖像在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的目標(biāo)識(shí)別、信息提取和分類(lèi)等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響和干擾。地距分辨率是指方位向和距離向相同的地面分辨率。為了得到地距分辨率同時(shí)減少SAR圖像的噪聲干擾，需要對(duì)原始SAR圖像進(jìn)行多視和濾波處理。計(jì)算公式為：

(4)

式中：Rgrr為地距分辨率；r為斜距分辨率。由于距離分辨率隨入射角的變化而變化，多視處理盡管提升了數(shù)據(jù)的輻射分辨率，但降低了SAR數(shù)據(jù)的空間分辨率。

SAR濾波的方法有多種，且均形成了較為成熟的算法，比如SIGMA濾波[34-35]、LEE濾波[36-37]、Gamma-map 濾波[38]和小波分析[39-40]等。本文采用Gamma-map 濾波算法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)GF-3 SAR圖像進(jìn)行濾波處理。

2)SAR圖像水體提取。研究表明，Cloude-Pottier 算法[41]是當(dāng)前一種極為有效的極化信息提取方法。根據(jù)特征向量原理，利用Cloude-Pottier 分解算法可得到極化熵Hpe、散射角α和各向異性度或反熵A這3個(gè)特征參數(shù)值[42-43]，其計(jì)算公式分別為：

(5)

α=P1α1+P2α2+P3α3，

(6)

(7)

(8)

式中：αi為第i個(gè)散射機(jī)制類(lèi)型；Pi為第i個(gè)散射機(jī)制發(fā)生概率；χi為極化相干矩陣的特征值。

基于VH+VV增強(qiáng)后向散射強(qiáng)度圖反映出的水體懸浮物濃度微弱信息，再利用已有現(xiàn)狀海岸線進(jìn)行海陸分割，提取目標(biāo)水體的基礎(chǔ)上，采用Hpe-α對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行空間重分類(lèi)[44]，最終獲取了目標(biāo)海域懸浮物濃度灰度圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸模型建立

將2019年9月實(shí)測(cè)的15組采樣數(shù)據(jù)按懸浮物濃度值大小進(jìn)行重排并編號(hào)，偶數(shù)序號(hào)(7組數(shù)據(jù))分為一組用于建模； 奇數(shù)序號(hào)(8組數(shù)據(jù))分為另一組進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用本文方法將獲得的等效光譜反射率作為自變量，實(shí)測(cè)懸浮物濃度作為因變量進(jìn)行回歸分析。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三次多項(xiàng)式擬合效果最好(圖3)。圖3(a)為基于GF-1C光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)懸浮物濃度建立的回歸模型，相關(guān)系數(shù)R2為0.88，圖3(b)為GF-3微波遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)懸浮物濃度建立的回歸模型，其相關(guān)系數(shù)R2相對(duì)偏低，僅為0.61。

(a) 光學(xué)遙感擬合三次多項(xiàng)式 (b) 微波遙感擬合三次多項(xiàng)式

3.2 模型驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)反演模型的精確度，采用均方根誤差Δrmse和平均相對(duì)誤差Δmrpe這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別對(duì)已建立的2種回歸模型進(jìn)行評(píng)價(jià)[14, 20]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

(9)

(10)

式中：xr,i為第i點(diǎn)懸浮物濃度反演值；xm,i為第i點(diǎn)懸浮物濃度測(cè)量值。

基于已建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將2種反演模型分析得到的懸浮物濃度與另外8組采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證與評(píng)估，如表3所示。精度結(jié)果表明，GF-1C懸浮物反演精度(均方根誤差為130.25 mg/L，平均相對(duì)誤差為9.65%)明顯好于GF-3懸浮物反演結(jié)果(均方根誤差為230.87 mg/L，平均相對(duì)誤差高達(dá)15.13%)。由于與10號(hào)驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)應(yīng)的GF-3反演值出現(xiàn)異常，原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該處存在壞點(diǎn)，故該異常點(diǎn)在對(duì)GF-3反演懸浮物精度評(píng)價(jià)時(shí)不參與驗(yàn)證。

表3 反演模型精度驗(yàn)證

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 研究區(qū)懸浮物分布規(guī)律

根據(jù)已建立的懸浮物反演理論模型，分別對(duì)研究區(qū)內(nèi)2種數(shù)據(jù)源的懸浮物分布進(jìn)行了反演。圖4結(jié)果表明，2種方法反演出的結(jié)果具有高度的相似性和一致性： 茅尾海內(nèi)海及入海口兩側(cè)懸浮物濃度總體較高，均超過(guò)1 000 mg/L，其分布規(guī)律呈現(xiàn)由東北向西南依次遞減。結(jié)合研究區(qū)同季節(jié)歷史資料[45]分析其原因： 在茅尾海內(nèi)海上游3條主要河流每年向其注入泥沙量高達(dá)60萬(wàn)t，而在連接外海通道處分布著大量的天然島嶼和人工養(yǎng)殖蠔排蠔樁，嚴(yán)重阻礙了內(nèi)海水體與北部灣海域的水體交換； 而在茅尾海入?？?，懸浮物濃度分布表現(xiàn)為兩側(cè)偏高，中間偏低，原因在于入?？谥胁亢Ｓ蛎磕甓歼M(jìn)行人工航道清淤，但兩側(cè)人為活動(dòng)和船只進(jìn)出對(duì)水體擾動(dòng)頻繁，泥沙沉積過(guò)程和海洋動(dòng)力作用如洋流、潮汐等在該區(qū)域的影響微弱。

(a) 光學(xué)遙感提取結(jié)果 (b) 微波遙感提取結(jié)果

3.3.2 反演結(jié)果對(duì)比

根據(jù)反演結(jié)果，將懸浮物濃度進(jìn)一步劃分為3個(gè)區(qū)間： <1 100 mg/L，[1 100，1 200) mg/L，≥1 200 mg/L，分別代表懸浮物濃度低、中、高3個(gè)等級(jí)，再將實(shí)測(cè)點(diǎn)分布與懸浮物濃度等級(jí)區(qū)間進(jìn)行相對(duì)位置關(guān)系討論，如圖5所示。

(a) 光學(xué)遙感結(jié)果對(duì)比 (b) 微波遙感結(jié)果對(duì)比

從精度評(píng)價(jià)結(jié)果看，研究區(qū)懸浮物濃度光學(xué)遙感反演結(jié)果精度(90.35%)明顯高于微波遙感反演結(jié)果(84.87%)，表明光學(xué)遙感反演結(jié)果要明顯好于微波遙感反演結(jié)果。

1)從反演效果(圖4)看，光學(xué)遙感反演結(jié)果灰度值過(guò)渡均勻，噪聲點(diǎn)較少，效果明顯好于微波遙感反演結(jié)果。

2)從反演結(jié)果分區(qū)和實(shí)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置(圖5)看，光學(xué)遙感反演結(jié)果高值區(qū)和低值區(qū)與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合，僅在懸浮物濃度中值區(qū)，存在1處錯(cuò)誤； 而微波遙感反演結(jié)果各個(gè)濃度分區(qū)與實(shí)測(cè)點(diǎn)均存在偏差，其中反演結(jié)果中值區(qū)和低值區(qū)各有1處錯(cuò)誤，而在高值區(qū)有2處錯(cuò)誤。

3)從取樣時(shí)間和衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時(shí)間節(jié)點(diǎn)看，由于不同傳感器對(duì)同一區(qū)域數(shù)據(jù)獲取時(shí)間以及野外取樣時(shí)間三者無(wú)法保證高度一致,光學(xué)遙感反演結(jié)果精度要高于微波遙感反演結(jié)果，這與取樣時(shí)間和光學(xué)遙感影像獲取時(shí)間間隔(6～8 d)要小于和微波影像獲取時(shí)間間隔(14～16 d)存在一定的相關(guān)性。

4 結(jié)論

近海及海灣地區(qū)懸浮物濃度的分布對(duì)于海岸帶綜合地質(zhì)研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。利用遙感技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地反演其分布特征，本文利用2種不同的遙感數(shù)據(jù)源，采用不同的提取算法，并結(jié)合同期實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地反演了茅尾海及其入?？趹腋∥锏姆植?。從技術(shù)方法看，2種手段均能準(zhǔn)確地反演茅尾海懸浮物的分布特征，且反演結(jié)果表現(xiàn)出了高度的一致性； 從反演結(jié)果看，光學(xué)遙感反演結(jié)果要優(yōu)于微波遙感反演結(jié)果，但微波遙感反演突破了光學(xué)遙感反演諸多的干擾因素，是光學(xué)遙感反演的有力技術(shù)補(bǔ)充。

另外，需要指出的是，由于野外取樣數(shù)據(jù)有限，反演結(jié)果的準(zhǔn)確性需要更多野外采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。