基于水體時空穩(wěn)定特性的輻射一致性校正方法

聞 亮，李 瀾，高鳴遠(yuǎn)，崔玉瑩，王曉瑩

（1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；3.上海盛圖遙感工程技術(shù)有限公司，上海 201800；4.青島海爾科技有限公司，山東 青島 266101）

1 概述

衛(wèi)星遙感的發(fā)展彌補(bǔ)了常規(guī)觀測方法的不足，為大范圍、高頻率、長周期的應(yīng)用監(jiān)測提供了可能。近年來，隨著衛(wèi)星種類和數(shù)量的快速增加，多源遙感數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用已成為研究熱點。在某些遙感領(lǐng)域，對傳感器的時間、空間、光譜、輻射分辨率有著較高的要求。尤其在水環(huán)境定量遙感監(jiān)測方面，由于受多重因素的綜合影響，表現(xiàn)出高度的時空異質(zhì)特點，同時水體光學(xué)特性復(fù)雜，輻射信號傳輸過程受大氣、陸表、水表信號影響嚴(yán)重，因此傳統(tǒng)的水色遙感應(yīng)用受到了極大的限制［1］。

多源遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用和分析已成為化解遙感影像時空分辨率矛盾、解決遙感數(shù)據(jù)時空不連續(xù)問題的重要策略之一，為水環(huán)境定量遙感監(jiān)測提供了應(yīng)用潛力。然而，由于多個傳感器具有不同的輻射傳輸特性，在觀測同一目標(biāo)地物時，不同傳感器接收到的輻射信號可能不一致。對水體來說，水體的低輻射性會增大傳感器輻射不一致性帶來的誤差。因此，對多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性校正是多源遙感衛(wèi)星協(xié)同應(yīng)用、優(yōu)勢互補(bǔ)的重要前提。

目前，針對陸地遙感應(yīng)用的多源遙感數(shù)據(jù)輻射一致性研究較多，且趨于成熟。鐘函笑等［2］以Landsat8 OLI和Sentinel 2 MSI為例探究山地多源遙感影像間的輻射一致性，為多源影像在山區(qū)的協(xié)同應(yīng)用提供理論支持；梁麗等［3］以中巴經(jīng)濟(jì)走廊區(qū)域為研究區(qū)，提出了一種基于線性擬合提取不變目標(biāo)區(qū)域的方法，實現(xiàn)了DMSP/OLS影像間、DMSP/OLS與NPP/VIIRS2種數(shù)據(jù)間的相互校正；伊丕源等［4］提出了顧及時間因子的航空高光譜影像相對輻射歸一化校正方法，提高了同名地物的光譜一致性；黃莉婷［5］以目標(biāo)影像GF-1 PMS1、基準(zhǔn)影像Sentinel-2B MSI為例，通過控制未變化集的線性關(guān)系、采用正則化IR-MAD規(guī)則逐步篩選不變特征點，獲得輻射歸一化方程。

然而，目前針對水環(huán)境定量遙感應(yīng)用中的一致性校正方法研究較少。水體區(qū)域作為一種暗目標(biāo)信號，其有效輻射信號（離水輻亮度）僅占傳感器總信號的10%左右［6］。這為多源遙感監(jiān)測水環(huán)境的方法和技術(shù)提出了更高的要求。

2 數(shù)據(jù)與方法

以太湖32個監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析水環(huán)境關(guān)鍵因子的穩(wěn)定性并進(jìn)行水體穩(wěn)定特性篩選。以Landsat 8和Sentinel 2數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行多源遙感數(shù)據(jù)輻射一致性校正研究，該方法的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于水體時空穩(wěn)定特性的一致性校正方法技術(shù)路線

2.1 實測數(shù)據(jù)

太湖位于江蘇省南部，是我國五大淡水湖之一。獲取時間跨度為2019年1月至2021年2月，監(jiān)測站點數(shù)量為32個的采樣數(shù)據(jù)，其中包括透明度、DO、pH值、NH3-N、TN、CODMn、TP、Chl-a等8項水環(huán)境關(guān)鍵因子，采樣點分布情況如圖2所示。

圖2 采樣點分布情況

2.2 遙感數(shù)據(jù)

Landsat-8衛(wèi)星是美國陸地衛(wèi)星計劃的第八顆衛(wèi)星，攜帶陸地成像儀（Operational Land Imager，OLI）和 熱 紅 外 傳 感 器（Thermal Infrared Sensor，TIRS）。數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍很廣，包括諸如：研究全球變化、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、資源管理、地理學(xué)、制圖、水質(zhì)、海岸研究等領(lǐng)域。

Sentinel-2衛(wèi)星是高分辨率多光譜成像衛(wèi)星，攜帶一枚多光譜成像儀（MSI），用于陸地監(jiān)測，可提供植被、土壤和水覆蓋、內(nèi)陸水路及海岸區(qū)域等圖像，還可用于緊急救援服務(wù)，分為2A和2B兩顆衛(wèi)星。Sentinel-2衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)表，見表1。

表1 原混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

2.3 研究方法

基于成像時間差閾值D可以自由選擇，本研究選擇D為5，并選擇以日期為20200908的OLI影像和20200905的MSI影像為例，介紹基于水體時空穩(wěn)定特性的一致性校正方法。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：遙感圖像預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正。這里的大氣校正均選擇FLAASH模型，參數(shù)設(shè)置一致。

（2）水環(huán)境關(guān)鍵因子穩(wěn)定性分析：分析32個監(jiān)測站點的水質(zhì)變化的穩(wěn)定性，各站點的水環(huán)境關(guān)鍵因子指標(biāo)穩(wěn)定性分析如圖3所示。

圖3 各站點的水環(huán)境關(guān)鍵因子指標(biāo)穩(wěn)定分析

（3）穩(wěn)定特性水體篩選：選擇所有關(guān)鍵因子指標(biāo)，計算綜合穩(wěn)定性指標(biāo)，綜合穩(wěn)定性指標(biāo)ICS計算公式如公式（1）所示，即

式中：Ci為第i個環(huán)境因子的穩(wěn)定性指標(biāo)；n為總體需要考慮的環(huán)境因子數(shù)量，本研究僅考慮透明度、pH、DO、CODMn、TN、TP、NH3-N、Chl-a8種環(huán)境因子，因此n=8；σi為該環(huán)境因子的月度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為該環(huán)境因子的月度數(shù)據(jù)平均值。最終計算得到的各監(jiān)測站點的綜合穩(wěn)定性指標(biāo)如圖4。

圖4 各站點的綜合穩(wěn)定性指標(biāo)

（4）一致性校正系數(shù)計算：將各監(jiān)測站點的綜合穩(wěn)定性指標(biāo)值按從小到大進(jìn)行排序，選擇前k個最小的地面監(jiān)測站點為穩(wěn)定性水體進(jìn)行一致性校正。最后選擇的穩(wěn)定性水體的名稱和經(jīng)緯度如表2所示。

表2 穩(wěn)定性水體名稱及經(jīng)緯度

在選擇的OLI和MSI圖像上，根據(jù)經(jīng)緯度選擇同名區(qū)域，采用線性模型進(jìn)行輻射一致性校正，線性模型如公式（2）所示，即

式中：r和R分別為一致性校正前后的反射率，Sentinel-2的1，2，3，9波段與Landsat-8的1，2，3，4，5波段中心波長和帶寬均接近，以此為例實現(xiàn)Landsat-8和Sentiel-2的輻射一致性校正。

3 結(jié)果與分析

基于水體時空穩(wěn)定特性，以O(shè)LI和MSI為例，實現(xiàn)輻射一致性校正，對各監(jiān)測點校正前后反射率值進(jìn)行密度散點圖統(tǒng)計和線性擬合定量分析，最終得到的各波段校正結(jié)果如圖5。

圖5分別展示了深藍(lán)、藍(lán)光、綠光、紅光、近紅外波段的統(tǒng)計結(jié)果。從圖5可以看出，5個波段的校正模型的斜率值均大于1，截距值均大于0，表示校正后各波段反射率值均高于校正前各波段反射率值。近紅外波段的模型擬合度低于其他四波段，誤差較大。各波段校正前后反射率擬合模型見公式（3）～（7）。

4 結(jié)論

本文提出一種基于水體時空穩(wěn)定特性的一致性校正方法，即通過分析太湖32個采樣點的監(jiān)測數(shù)據(jù)的水環(huán)境關(guān)鍵因子的穩(wěn)定性，從而進(jìn)行水體穩(wěn)定特性篩選，再以Landsat-8和Sentinel-2數(shù)據(jù)為例，綜合水體穩(wěn)定特性，進(jìn)行多源遙感數(shù)據(jù)輻射一致性校正研究。

本研究最終構(gòu)建了深藍(lán)、藍(lán)光、綠光、紅光、近紅外這5個波段的一致性校正算法模型，實現(xiàn)了輻射一致性校正，為多源遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用和分析提供了新的方法。（1）提出了水環(huán)境關(guān)鍵因子穩(wěn)定性分析與穩(wěn)定水體篩選方法，通過分析各站點水環(huán)境關(guān)鍵因子的穩(wěn)定性，計算綜合穩(wěn)定性指標(biāo)，選擇k個綜合穩(wěn)定性指標(biāo)最小的站點作為穩(wěn)定特性水體；（2）基于線性回歸方程法構(gòu)建校正模型，對各監(jiān)測點校正前后反射率值進(jìn)行密度散點圖統(tǒng)計和線性擬合定量分析，建立擬合度最高的各波段一致性校正模型。

圖5 各波段輻射一致性校正模型