基于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星HSI數(shù)據(jù)的太湖葉綠素遙感監(jiān)測(cè)研究

殷守敬 周亞明 孟斌 王楠 李建

(1 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094) (2 國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094) (3 南京信息工程大學(xué) 遙感與測(cè)繪工程學(xué)院，南京 210066)

內(nèi)陸河湖水環(huán)境狀況對(duì)周邊居民的飲水安全、農(nóng)業(yè)灌溉和漁業(yè)經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。隨著流域工業(yè)發(fā)展、污染排放增長(zhǎng)和土地利用變化，湖泊水體營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷不斷增加，導(dǎo)致很多湖泊出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。葉綠素a(Chl-a)是一個(gè)非常重要的水環(huán)境參數(shù)，通常被選作估算湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度和初級(jí)生產(chǎn)力的指標(biāo)[1]。因此，快速獲取湖泊水體Chl-a濃度對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估非常重要。

傳統(tǒng)的Chl-a監(jiān)測(cè)方法是建立在合適的點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。測(cè)量站點(diǎn)的數(shù)量有限，影響了更精細(xì)的空間尺度的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。因此，遙感數(shù)據(jù)的大區(qū)域覆蓋能力使得其在Chl-a監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。相繼有很多學(xué)者利用遙感手段反演大面積湖泊的Chl-a濃度。文獻(xiàn)[2]使用從200多期MERIS圖像中得到的Chl-a圖來(lái)比較2003-2009年間歐洲近阿爾卑斯地區(qū)12個(gè)湖泊的水質(zhì)。文獻(xiàn)[3]建立了基于MERIS和MODIS可見(jiàn)光-近紅外通道的葉綠素反演模型，并在太湖水體Chl-a濃度反演取得了較高的精度?；陉懙匦l(wèi)星(Lansat)專題繪圖儀(TM)和增強(qiáng)型專題繪圖儀(ETM+)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[4]利用一階導(dǎo)數(shù)模型實(shí)現(xiàn)了鄱陽(yáng)Chl-a濃度監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[5]利用高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星的藍(lán)光和紅光波段，構(gòu)建波段比值模型、波峰波谷模型和一階微分模型來(lái)反演Chl-a濃度；文獻(xiàn)[6]基于太湖實(shí)測(cè)Chl-a濃度數(shù)據(jù)以及同步環(huán)境減災(zāi)一號(hào)B衛(wèi)星CCD多光譜影像,綜合比較4種機(jī)器學(xué)習(xí)模型(隨機(jī)森林RF，支持向量回歸SVR，反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BPANN，深度學(xué)習(xí)DL)反演太湖Chl-a濃度的精度、穩(wěn)定性及魯棒性。目前的研究多利用多光譜的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行水色參數(shù)反演，往往無(wú)法對(duì)復(fù)雜內(nèi)陸水體實(shí)現(xiàn)高精度的葉綠素反演。而高光譜數(shù)據(jù)，由于其波段數(shù)多，波段更窄，包含更多更準(zhǔn)確的光譜信息，非常適合于水色參數(shù)反演。而如何利用高光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行水色參數(shù)反演已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)方向[7]。

基于《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》(2015—2025)，根據(jù)國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等重大應(yīng)用需求，兼顧國(guó)土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地震等其他行業(yè)業(yè)務(wù)需求，我國(guó)于2020年9月27日成功發(fā)射環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B(HJ-2A/B)衛(wèi)星。衛(wèi)星載荷包括16 m多光譜、48 m/96 m高光譜和48 m/96 m紅外傳感器。HJ-2A/B衛(wèi)星高光譜成像儀(HSI)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)大大補(bǔ)充了我國(guó)高光譜數(shù)據(jù)的覆蓋能力，其在我國(guó)內(nèi)陸湖泊的葉綠素定量反演和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的能力亟待評(píng)估。

因此，本研究針對(duì)葉綠素Chl-a定量遙感監(jiān)測(cè)的需求，選擇我國(guó)典型內(nèi)陸湖泊——太湖為研究區(qū)域，結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)同步的哨兵-2衛(wèi)星多光譜(Sentinel-2 MSI)數(shù)據(jù)，研究適用于太湖Chl-a的定量遙感反演模型和算法，對(duì)比分析HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)的定量監(jiān)測(cè)能力，為HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)的水環(huán)境定量遙感應(yīng)用提供建議和支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 太湖

太湖位于長(zhǎng)江三角洲，是我國(guó)的五大淡水湖之一，水面面積約2338 km2。太湖流域是我國(guó)人口最密集、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化程度最高的地區(qū)之一。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)資源的過(guò)度消耗，導(dǎo)致太湖流域水污染與富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出,大部分水體處于輕度和中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。2007年5月間的太湖藍(lán)藻暴發(fā)事件, 更加引起了人們對(duì)太湖水環(huán)境安全問(wèn)題的關(guān)注[8]。目前遙感技術(shù)在太湖葉綠素的監(jiān)測(cè)多利用MODIS[9]、Landsat等數(shù)據(jù)[10]研究其典型水環(huán)境要素時(shí)空變化，高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究相對(duì)較少。

1.2 HJ-2A/B HSI 數(shù)據(jù)

HJ-2A/B衛(wèi)星軌道類型是太陽(yáng)同步回歸軌道，高度為644.547 2 km，降交點(diǎn)地方時(shí)是10:30AM。單星每軌可成像，每天最多可成像14次、最多累計(jì)成像100 min。HSI衛(wèi)星數(shù)據(jù)星下點(diǎn)地面像元分辨率≤48 m(0.45～0.92 μm)，譜段數(shù)≥100(0.45～0.92 μm)，平均光譜分辨率優(yōu)于5 nm，量化等級(jí)為12 bit。詳細(xì)載荷參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HJ-2A/B HSI載荷技術(shù)指標(biāo)Table 1 HJ-2A/B HSI load technical specifications

為了進(jìn)一步交叉驗(yàn)證HJ-2A/B HSI的反射率數(shù)據(jù)和水環(huán)境參數(shù)產(chǎn)品的質(zhì)量，選擇了準(zhǔn)同步的2021年1月14日Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉對(duì)比驗(yàn)證。由于Sentinel-2 MSI傳感器為多光譜數(shù)據(jù)，因此根據(jù)其藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外波段的中心波長(zhǎng)480 nm、560 nm、655 nm和865 nm，選擇HJ-2A/B HSI的對(duì)應(yīng)波段。

1.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)遙感反射率和水質(zhì)參數(shù)反演的精度，選擇了與HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)成像日期相同、時(shí)間接近的2021年1月20日12時(shí)太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，包含8個(gè)站點(diǎn)的濁度和葉綠素觀測(cè)值，該觀測(cè)數(shù)據(jù)集主要用于現(xiàn)有水質(zhì)參數(shù)反演模型的參數(shù)率，以提高模型精度。具體站點(diǎn)分布和觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖1和表2所示。

圖1 太湖影像及實(shí)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Taihu Lake images and distribution of field measurement sites

表2 太湖地面同步觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of synchronous ground-based observation data of Taihu Lake

提取并分析了太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的HJ-2A/B HSI遙感反射率(Rrs, sr-1)數(shù)據(jù)，如圖2所示?？傮w來(lái)看，Rrs在可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)域變化很大。光譜的最大值在550 nm、690 nm處。在最大值和710 nm之間有一個(gè)明顯的急劇下降；然后反射光譜略微下降到最小值。在這個(gè)波段(600～700 nm)區(qū)間，與浮游植物生物量有關(guān)的典型特征，如由于最大紅光吸收而在670 nm處出現(xiàn)的最小值和由于Chl-a熒光而在683 nm處出現(xiàn)的最大值，在一些光譜中一般不存在或不明顯。

圖2 HJ-2A/B HSI傳感器水體反射率數(shù)據(jù) Fig.2 HJ-2A/B HSI sensor water reflectance data

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)幾何精糾正

以經(jīng)過(guò)幾何精糾正的Landsat-8衛(wèi)星OLI圖像為基準(zhǔn)，選擇控制點(diǎn)，對(duì)48 m HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精糾正?？刂泣c(diǎn)數(shù)量為20～30個(gè)，空間上均勻分布，影像的配準(zhǔn)精度在1個(gè)像元以內(nèi)。

2)大氣校正

對(duì)HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和大氣校正。其中輻射校正的參數(shù)為系統(tǒng)發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)，大氣校正方法采用FLAASH方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI反射率數(shù)據(jù)一致性分析

圖3給出了HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI在4個(gè)對(duì)應(yīng)波段的反射率數(shù)據(jù)散點(diǎn)對(duì)比?？梢钥闯鯤J-2A/B HSI反射率數(shù)據(jù)與Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)存在一定的聚集關(guān)系，但相關(guān)性隨波段產(chǎn)生變化(見(jiàn)表3)。在藍(lán)光480 nm和近紅外波段865 nm與Sentinel-2 MSI遙感數(shù)據(jù)相關(guān)性較小，相關(guān)性分別為0.61和0.59，而在560 nm和655 nm波段兩者的相關(guān)性分別為0.80和0.83，高于藍(lán)光和近紅外波段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中對(duì)相關(guān)系數(shù)的定義，相關(guān)系數(shù)0.8～1.0為極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6為中等程度相關(guān)，0.2～0.4為弱相關(guān)，0.0～0.2為極弱相關(guān)或無(wú)相關(guān)。

圖3 HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI對(duì)應(yīng)波段遙感反射率交叉驗(yàn)證圖Fig.3 Cross-validation of HJ-2A/B HSI and Sentinel-2 MSI in corresponding band of remote sensing reflectance

表3 HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI對(duì)應(yīng)波段遙感反射率統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 3 Comparison of remote sensing reflectance statistics between HJ-2A/B HSI and Sentinel-2 MSI in corresponding bands

而根據(jù)圖2所示站點(diǎn)反射率數(shù)據(jù)曲線，可以發(fā)現(xiàn)HJ-2A/B HSI傳感器在藍(lán)光波段反射率數(shù)據(jù)較不穩(wěn)定，推測(cè)原因可能是圖像噪聲、輻射定標(biāo)或大氣校正的影響。由于水體紅外波段的輻射信號(hào)較弱，更易受到傳感器噪聲的影響(信噪比較低)，因此導(dǎo)致HJ-2A/B HSI傳感器數(shù)據(jù)目前在兩端波段范圍內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量仍需進(jìn)一步改進(jìn)的問(wèn)題。

2.2 HJ-2A/B HSI葉綠素反演模型

針對(duì)葉綠素a濃度反演的建模需求，由于現(xiàn)階段可獲取的HJ-2A/B HSI與地面同步觀測(cè)數(shù)據(jù)仍較少，無(wú)法應(yīng)用傳統(tǒng)的建模方法。因此，參數(shù)反演模型均采用了太湖區(qū)域已有的研究和應(yīng)用模型，同時(shí)考慮HJ-2A/B HSI影像的各波段數(shù)據(jù)質(zhì)量和穩(wěn)定性，以現(xiàn)有的8個(gè)站點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)作為輸入來(lái)率定模型參數(shù)，盡可能的提高模型精度。

基于HSI數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型為

Cchla=0.250 7×

(1)

基于Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)的葉綠素a反演模型為

(2)

式中：RRrs(720)，RRrs(690)，RRrs(709)，RRrs(665)分別表示對(duì)應(yīng)中心波段的遙感反射率數(shù)據(jù)，單位為sr-1，葉綠素濃度單位為mg/L。

圖4和圖5分別為HJ-2A/B HSI和Sentinel-2 MSI在太湖的葉綠素反演結(jié)果和模型精度驗(yàn)證結(jié)果。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，HSI葉綠素a反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.29，模型的預(yù)測(cè)誤差(MAPE)為37.5%，均方根誤差(RMSE)為0.007 8 mg/L。因此針對(duì)目前的HJ-2A/B HSI反射率產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量如條帶噪聲、光譜曲線跳躍不平滑等問(wèn)題仍需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)由于目前階段可用于葉綠素反演建模的地面同步數(shù)據(jù)較為有限，因此針對(duì)葉綠素的監(jiān)測(cè)能力仍需在影像數(shù)據(jù)質(zhì)量、輻射定標(biāo)/大氣校正精度，以及葉綠素模型精度方面進(jìn)一步改進(jìn)完善。

圖4 HJ-2A/B HSI葉綠素反演精度驗(yàn)證圖Fig.4 Validation of the accuracy of HJ-2A/B HSI chlorophyll inversion

圖5 葉綠素反演對(duì)比圖Fig.5 Comparison of chlorophyll inversion

2.3 HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI葉綠素產(chǎn)品一致性評(píng)價(jià)

對(duì)比葉綠素a濃度的空間分布(圖6)，可以看出HJ-2A/B HSI影像數(shù)據(jù)與Sentinel-2 MSI影像提取葉綠素濃度整體空間趨勢(shì)可保持基本一致，尤其是考慮兩者的成像時(shí)間差異，整體的產(chǎn)品在定性表達(dá)上滿足基本應(yīng)用需求。

但HSI和OLI兩者在葉綠素產(chǎn)品精度上仍存在兩點(diǎn)顯著差異，首先在產(chǎn)品數(shù)據(jù)濃度范圍上，HSI葉綠素產(chǎn)品濃度整體高于OLI產(chǎn)品，兩者的線性回歸斜率為0.02，相關(guān)系數(shù)約為0.17，相關(guān)性偏弱。另一個(gè)著差異為HSI的葉綠素產(chǎn)品的空間細(xì)節(jié)變化更為詳細(xì)，反演獲得的葉綠素產(chǎn)品更加平滑。

圖6 HJ-2A/B HSI與Sentinel-2 MSI葉綠素反演對(duì)比圖Fig.6 Comparison of HJ-2A/B HSI and Sentinel-2 MSI chlorophyll inversion

圖7 葉綠素統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.7 Histogram of chlorophyll statistics

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水環(huán)境定量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力問(wèn)題，結(jié)合太湖地面觀測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)同步的Sentinel-2 MSI傳感器數(shù)據(jù)，綜合對(duì)比分析了HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性， 初步構(gòu)建了提出了HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)的葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)方法, 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析, 其精度符合II類水體葉綠素濃度的反演要求。對(duì)比分析HJ-2A/B HSI遙感反射率數(shù)據(jù)和葉綠素產(chǎn)品數(shù)據(jù)的初步成果看，利用該其監(jiān)測(cè)內(nèi)陸湖泊水體葉綠素濃度的時(shí)空分布與變化具有可行性。但本文僅是初步研究結(jié)果, 在后期的研究中還需補(bǔ)充觀測(cè), 探討適用于HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)的大氣校正和參數(shù)反演模型，充分發(fā)揮HJ-2A/B HSI數(shù)據(jù)在內(nèi)陸湖泊水體中的遙感監(jiān)測(cè)潛力。