肖艷芳, 趙文吉, 朱 琳

(首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室, 北京 100048)

近海水體懸浮物HJ-1號小衛(wèi)星CCD定量反演研究

肖艷芳, 趙文吉, 朱 琳

(首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室, 北京 100048)

基于 HJ-1號小衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù), 開展近海水體懸浮物含量監(jiān)測研究。采用鄰近清潔水體和同日MODIS氣溶膠產(chǎn)品的方法對 CCD輻亮度數(shù)據(jù)進行較精準的大氣校正; 利用得到的水體遙感反射率,結合地面準同步實測懸浮物含量數(shù)據(jù)建立懸浮物反演模型, 獲得研究區(qū)懸浮物的空間分布。模型的相關系數(shù)R2為0.849, 平均誤差為33.0%, 反演結果較為理想。結果表明, HJ-1號小衛(wèi)星作為中國首個災害監(jiān)測小衛(wèi)星星座, 能夠實現(xiàn)定量反演近海水體的懸浮物含量, 對中國近海水體水質的監(jiān)測和治理具有重要意義。

HJ-1號小衛(wèi)星CCD; 近海水體; 大氣校正; 懸浮物

懸浮物濃度是衡量近海水體水質的重要參數(shù)之一, 受漲落潮流、波浪、沿岸流、地形等的共同作用,近海水體懸浮物含量的時空分布變化十分復雜[1]。目前遙感技術是進行系統(tǒng)的、大面積的水文泥沙監(jiān)測,以及研究懸浮物時空分布和變化特征的最重要手段,國內外學者針對不同傳感器開展了大量的研究工作[2-12]。中國于2008年9月成功發(fā)射HJ-1號A, B兩顆光學小衛(wèi)星, 兩星上都裝有寬覆蓋多光譜 CCD可見光相機, 單臺相機幅寬 360 km, 兩臺相機拼幅后幅寬大于 700 km, 可以形成對監(jiān)測區(qū)域的大范圍覆蓋,設置有4個譜段(0.43～0.52, 0.52～0.60,0.63～0.69, 0.76～0.90 μm), 地面像元分辨率優(yōu)于30 m; 兩顆星組網(wǎng)可在48 h內對同一地區(qū)重訪; 超大幅寬和較高的時間分辨率滿足了環(huán)境監(jiān)測實時、快速和大范圍的需求。

本研究以渤海灣曹妃甸附近海域為研究區(qū), 結合野外懸浮物采樣數(shù)據(jù)和實測水體光譜數(shù)據(jù), 探討HJ-1號小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)監(jiān)測近海水體懸浮物濃度的方法, 為推進國產(chǎn)衛(wèi)星在近海水環(huán)境監(jiān)測中的應用提供一定的理論技術支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

曹妃甸位于河北省東北部, 處于渤海灣西北側海域, 該海域主要受渤海潮波系統(tǒng)控制, 屬不規(guī)則半日潮。海域沉積物類型主要由砂、中砂、細砂、粉砂和粉砂質黏土、黏土質粉砂組成, 其中以黏土質粉砂與細粉砂為主[13]。分別于2009年6月13日、22日、23日和 25日在渤海灣的曹妃甸附近海域進行了4個斷面的觀測, 得到4個斷面共44個觀測點的懸浮物濃度和實測光譜數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及實驗樣點布置Fig. 1 Study area and sampling locations

1.1 懸浮物質量濃度數(shù)據(jù)

取表層水樣, 在實驗室中按照《海洋調查規(guī)范》采用濾膜法測量懸浮物質量濃度。所用濾膜為孔徑0.45 μm的醋酸纖維膜, 在真空過濾器中過濾懸浮物水樣, 將濾膜高溫烘干后稱質量得到懸浮物質量濃度。懸浮物質量濃度范圍在2.2 ～208.7 mg/L之間, 梯度變化較大, 其中 58%樣點的懸浮物質量濃度低于20 mg/L, 僅有 12%樣點的懸浮物質量濃度高于100 mg/L, 圖2為懸浮物質量濃度的直方圖分布。

圖2 懸浮物質量濃度直方圖Fig. 2 Histogram of concentrations of suspended sediment

1.2 現(xiàn)場光譜數(shù)據(jù)

利用美國ASD公司生產(chǎn)的光譜儀, 采用水面以上測量法[14]在每個采樣點依次采集標準板、水體、天空光的光譜曲線, 其中每個樣點水體的光譜曲線采集20條。

為了盡量減少天空光直射反射和白帽的影響,在數(shù)據(jù)的后期處理中, 舍棄數(shù)值較高的曲線, 利用較低的幾條曲線進行計算。遙感反射率的計算公式為：

其中,Ssw,Ssky,Sp分別為光譜儀朝向水體、天空和標準板所獲得的輻亮度測量值;r為海表反射率, 根據(jù)測量當天的風速情況, 取r=0.026[14];pρ為標準板反射率。

雖然測量過程中盡量避免無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生, 但是由于天氣原因, 仍有一些樣點無法獲得有效的水體反射率。最終得到33個樣點的水體反射率如圖3所示。

圖3 樣點水體實測遙感反射光譜曲線Fig. 3 Remote sensing reflectance spectra of samples

圖3表現(xiàn)了近海水體光譜的典型特征： 總體上看, 水體在每個波段的反射率都較低, 除在高濃度泥沙水體, 反射率的最大值一般不會超過 0.05; 隨著懸浮物質量濃度的升高, 光譜反射率不斷增加。550～700 nm 有一較寬的反射峰, 峰值位置出現(xiàn)在580 nm 左右, 在這一波段內, 水體反射率相對較高且減小相對平緩; 700 nm 后反射率急劇下降, 波谷位置出現(xiàn)在750 nm附近; 810 nm處出現(xiàn)第二個反射峰。

1.3 HJ-1號小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)及其大氣校正處理

由于水色信息只占衛(wèi)星接收到信號的很小一部分, 因此, 水色信息遙感定量反演的基礎是要進行精確的大氣校正。本文首先得到HJ-1號A星CCD影像的輻亮度數(shù)據(jù), 基于MODIS的同日氣溶膠產(chǎn)品和選取鄰近清潔水體離水輻射為0的方法得到HJ-1號A星CCD影像的水體反射率數(shù)據(jù)[2,15-16]。

不考慮太陽直射反射和海面白帽信號, 衛(wèi)星接收到的總輻亮度為：

其中,Lr為大氣分子Rayleigh散射;La為大氣氣溶膠散射;Lw為離水輻亮度;t為大氣漫射透過率;λ為波長。

Lr可通過下式計算[17]：

La可通過下式計算： 在鄰近海域選取清潔水體,可近似認為Lw(λ4)為 0, 該波段的分子散射Lr可通過上文計算得到, 忽略太陽直射反射, 白帽已修正或忽略, 則有：

根據(jù)前人的研究結果[18], 包含多次散射的La之間具有以下關系：

選取MODIS的兩個近紅外波段(第5和第 6波段)計算得到常數(shù)c, 進一步可求得其他波段的氣溶膠散射。

t的計算：

其中,τoz為臭氧層光學厚度;ta為氣溶膠散射與吸收的透過率, 由于其弱吸收和強烈的前向散射特性, 本文取ta=1.0。

歸一化離水輻亮度Lwn：

遙感反射率Rrs：

其中, 〈F0〉為平均日地距離大氣層外太陽輻照度。

2 近海水體成分反演算法的建立

影像獲取時間為 2009年 6月23日, 選取 6月22日、23日和25日三條剖面的33個采樣點用于建立模型, 懸浮物質量濃度較低時, 水體的反射率受到其他組分的影響也較大, 因此, 選用懸浮物質量濃度大于5 mg/L的26個采樣點。隨機從中抽取6組數(shù)據(jù)用于模型驗證, 剩余 20組數(shù)據(jù)用于模型構建。經(jīng)對比分析, 選取HJ-1號小衛(wèi)星CCD影像的第二波段(0.52～0.60 μm)和第三波段(0.63～0.69 μm)作為懸浮物質量濃度反演的主要波段。建立反演模型：S為懸浮物質量濃度, 單位： mg/L, 相關系數(shù)R2=0.849。圖4顯示了懸浮物質量濃度與水體反射率的關系, 表 1為模型的驗證結果。平均相對誤差33.0%, 最小相對誤差0.65%, 最大相對誤差77.5%。

圖4 懸浮物質量濃度對數(shù)值lnS與水體反射率的關系曲線Fig. 4 Relationship spectra between lnS and reflectance

表1 懸浮物質量濃度實測值、預測值及誤差Tab. 1 Actual values, predictive values and errors

3 懸浮物質量濃度反演及空間分布分析

利用上述模型計算每個像元的懸浮物含量, 將懸浮物含量按照高低分級, 得到曹妃甸附近海域的懸浮物質量濃度的分級圖(圖5)。

由圖5可以看出, (1)總體上看, 懸浮物含量呈現(xiàn)距離海岸越遠含量越低的趨勢, 高懸浮物含量水域主要位于近岸邊灘。絕大部分海域的懸浮物質量濃度不超過20 mg/L。(2)曹妃甸附近海域懸浮物含量普遍不高, 這是因為曹妃甸港區(qū)的大面積圍墾阻擋了波浪向淺灘傳播, 減少了對底質泥沙的擾動, 使得近岸水體的懸浮物濃度大幅降低。

圖5 2009年6月25日懸浮物質量濃度分級圖Fig. 5 Grading map of suspended sediment concentration on June 25, 2009

4 結論

本文通過較為精確的大氣校正, 初步嘗試利用HJ-1號小衛(wèi)星CCD相機數(shù)據(jù)定量反演近海水體懸浮物含量, 基于實測數(shù)據(jù)所建立的懸浮物反演模型能夠較準確地反映研究區(qū)懸浮物含量的分布情況, 模型具有一定的精度, 反演結果與實測數(shù)據(jù)基本吻合。HJ-號小衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù)相對于海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率, 有利于監(jiān)測較小范圍內的懸浮物的分布。同時其較高的時間分辨率在動態(tài)監(jiān)測近海懸浮物空間分布格局變化、天氣原因造成的短期擾動及季節(jié)性差異等方面具有很強的優(yōu)勢。在今后的研究中, 需要進一步改進反演算法, 提高模型的適用性; 同時, 加強利用 HJ-號小衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)監(jiān)測近海水體其他重要水質參數(shù), 如葉綠素a、黃色物質等的研究。

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Quantitative retrieval model of suspended sediment concentration in estuary based on HJ-1 CCD image

XIAO Yan-fang, ZHAO Wen-ji, ZHU Lin
(Key Laboratory of Three Dimension Information Acquisition and Application of Minidtry of Education, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Oct.,20,2010

HJ-1 CCD image; estuary; atmospheric correction; suspended sediment

On the basis of HJ-1 CCD image, remote sensing detection of suspended sediment concentration in estuary was carried out. A method using clean water nearby and the aerosol product relevant to the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) data was adopted to carry out the accurate atmospheric correction. The calculated water reflectance and the measured suspended sediment concentration was used to establish the quantitative retrieval model and get the spatial distribution for suspended sediment concentration in study area. TheR2of this model was 0.849, the mean error was 33.0%, and the result was satisfactory. The study showed that HJ-1 CCD image could be applied to detect the suspended sediment concentration in estuary.

TP79

A

1000-3096(2012)08-0059-05

2010-10-20;

2012-02-27

國家科技支撐計劃重點項目(2007BAH15B02)

肖艷芳(1985-), 女, 山東濰坊人, 博士研究生, 主要從事生態(tài)遙感研究, E-mail： xiaoyanfang2006@126.com

致謝：在野外數(shù)據(jù)獲取工作中, 天津地質調查中心柳福田等人在光譜測量、水質參數(shù)獲取方面做了大量指導工作,同時為本研究提供了懸浮物質量濃度數(shù)據(jù), 在此表示衷心的感謝！

劉珊珊)