許勇，成長春，張鷹，張東

（1.鹽城師范學(xué)院 城市與資源環(huán)境學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；2.江蘇沿海開發(fā)研究院 鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224002；3.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046）

海水中氮磷營養(yǎng)鹽的濃度是制約浮游植物生長最重要的因素，其中能夠直接被浮游植物吸收利用的是可溶性無機氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）和可溶性無機磷 （Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP），可溶性無機氮包括硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨鹽，可溶性無機磷的主要成分是活性磷酸鹽。江蘇沿海地區(qū)長期以來與省內(nèi)蘇南地區(qū)相比經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對滯后，因此這一地區(qū)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求也更加迫切，一些地區(qū)為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過度開發(fā)利用海洋資源，使海洋環(huán)境承受了巨大的壓力。從污染物的角度講，我省近岸海域最主要的污染物是活性磷酸鹽和無機氮，它們的污染分擔(dān)率達(dá)到50%以上（江蘇省環(huán)保廳，2007），從這個角度講，開展對江蘇沿海無機氮磷營養(yǎng)鹽濃度的遙感監(jiān)測具有重要的實踐意義和推廣價值。

1 研究方法

射陽河發(fā)源于建湖縣的射陽湖，是蘇北里下河地區(qū)主要的入海通道，其河口位于射陽縣通海鎮(zhèn)。本研究通過在射陽河口海域現(xiàn)場采集光譜和水樣，分析了該海域DIN和DIP濃度與光譜反射率間的相關(guān)性及這種相關(guān)性所反映的內(nèi)在機理，并用實測光譜重采樣模擬MODIS前4個波段的反射率，根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)牟ǘ谓M合因子建立基于MODIS影像的濃度反演模型。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布圖

1.1 數(shù)據(jù)獲取

野外光譜測量時間為2008年5月29-31日，在射陽河口附近海域進(jìn)行了3個航次的測量和采樣，每天測量的時間為9∶30-14∶30，共在60個測點測量了水體的光譜（最后剔除6個異常測點，共54個樣本）。光譜測量所用光譜儀是ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec地物光譜儀，該儀器測定的光譜范圍為282～1 090 nm，標(biāo)準(zhǔn)板是經(jīng)嚴(yán)格定標(biāo)的反射率為0.3的灰板。在每個樣點上按表面以上測量法規(guī)定的幾何條件分別測取水體、天空光和標(biāo)準(zhǔn)板的DN值各10條，通過下式直接計算遙感反射率：

式中，Sw、Ssky和Sp分別是水體、天空光和標(biāo)準(zhǔn)板的DN值，ρp是經(jīng)嚴(yán)格定標(biāo)后的標(biāo)準(zhǔn)板的半球反射率（Mobley，1999；唐軍武等，2004）。在測量光譜的同時采取水樣，測定其中的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和活性磷酸鹽的濃度，按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》 （GB 17378.4-1998）規(guī)定的方法完成。

此外，由于射陽河口地處江蘇沿海中部，海水中懸浮顆粒（泥沙）含量較高，泥沙是影響該海域水色的主要因素，本次野外采樣測量還采用了光學(xué)后向散射濁度計（OBS-3A）測定了各取樣點表層水體的濁度。對于OBS而言，泥沙濃度與OBS輸出值之間存在著3個轉(zhuǎn)換區(qū)：線性區(qū)、飽和區(qū)和顆粒屏蔽區(qū)，線性區(qū)泥沙濃度的范圍是0～10 kg/m3（Kineke etal，1992），根據(jù)常年實測資料，射陽河口的懸浮泥沙濃度最大不超過11.08 kg/m3，因此在該海域懸浮泥沙濃度與濁度間主要呈線性關(guān)系（Buntetal，1992），而本研究主要探討泥沙濃度與光譜的相關(guān)關(guān)系，并不是要反演泥沙本身的濃度，因此，本研究直接使用OBS輸出的濁度值作為泥沙濃度的指標(biāo)。

本研究使用的MODIS影像為從NASA網(wǎng)站下載的2004-2008年每年夏半年的MODISTerra 1B數(shù)據(jù)，共11景。使用ENVI中的Georeference MODIS模塊進(jìn)行幾何校正，并去除“彎弓”效應(yīng)，大氣校正采用基于直方圖的暗像元法，每個波段減去該波段反射率的最小值，以去除大氣程輻射的影響（祝令亞等，2006）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先，由于在波長小于350 nm和大于900 nm的范圍內(nèi)光譜儀所測得的信號不穩(wěn)定，受噪聲影響比較大，在本研究中剔除了上述范圍內(nèi)測得的遙感反射率。此外，由于最終所建立的遙感反演模型是針對MODIS影像的，因此，對實測的光譜按MODIS的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行光譜重采樣，以模擬MODIS的光譜響應(yīng)特征。重采樣后各波段的反射率按如下公式計算：

其中Ri代表波段i的反射率，λui是波段i的起始波長，λli是波段i的終止波長，R（λ）是波長λ處的反射率，Φi（λ）是波段i在波長λ處的光譜響應(yīng)函數(shù)值（王璐等，2007）。由于MODIS的前7個波段在350～900 nm范圍內(nèi)僅有4個波段，它們分別是第 1波段 （620～670 nm）、第 2波段 （841～876 nm）、第 3波段 （459～479 nm）和第 2波段（545～565 nm），因此，實際采用了經(jīng)重采樣模擬的MODIS的前4個波段用于分析和建模。

對MODIS數(shù)據(jù)反射率的單波段因子和波段組合因子與DIN、DIP的濃度進(jìn)行相關(guān)分析，若Ri（i=1…7）表示MODIS各波段的反射率，分別計算下列各因子（表1）與DIN、DIP濃度間的相關(guān)系數(shù)。

表1 單波段因子和波段組合因子

2 相關(guān)性分析結(jié)果

2.1 實測光譜與DIN、DIP濃度間相關(guān)性分析結(jié)果

從相關(guān)性分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（圖2），DIN、DIP濃度與反射率間的相關(guān)性在近紅外波段較高，相關(guān)系數(shù)超過0.7，而且該海域DIN、DIP濃度與光譜間的相關(guān)性幾乎是一致的，在同一波長上，它們間相關(guān)系數(shù)最大相差不超過0.07，而且它們的相關(guān)系數(shù)曲線在隨波長變化而變化的趨勢上幾乎完全一致。濁度和光譜間的相關(guān)性與DIN、DIP濃度與光譜的相關(guān)性相差不大，這三者在相同的波段上不僅相關(guān)系數(shù)相差不大，而且它們相關(guān)系數(shù)曲線的變化趨勢也基本一致。這都說明在該海域DIN濃度、DIP濃度與懸浮顆粒濃度間存在著緊密的聯(lián)系。

射陽河口附近海域水體混濁，泥沙含量高，目前很多研究表明水體中底部沉積物的再懸浮作用是營養(yǎng)鹽的重要來源，這種再懸浮作用所導(dǎo)致的表層營養(yǎng)鹽濃度的增加是單純擴散作用導(dǎo)致營養(yǎng)鹽濃度增加的數(shù)十倍（Reddy et al，1996；Sondergaard et al，1992；逄勇等，2007）。另一方面，射陽河口和江蘇中部大部分河流一樣，在河口附近有閘，閘門大部分時間處于關(guān)閉狀態(tài)，也就是說在該河口附近，污染物并非時時刻刻都通過河流向海中排放，當(dāng)閘門關(guān)閉時，內(nèi)源性的釋放也就是沉積物再懸浮過程中的釋放成為該海域營養(yǎng)鹽的主要來源，盡管這些營養(yǎng)鹽從根本上講大都來自于陸源的排放。正是由于沉積物的再懸浮過程中的釋放是該海域營養(yǎng)鹽的主要來源，才使得DIN濃度、DIP濃度和濁度與光譜間的相關(guān)性具有高度的一致性，這也使得在該海域反映濁度特征的光譜波段同時也能夠反映DIN和DIP的濃度。

圖2 實測光譜與DIN、DIP濃度 （a）以及與濁度 （b）間的相關(guān)性

2.2 MODIS單波段及波段組合因子與DIN、DIP濃度間相關(guān)性分析結(jié)果

單波段因子與DIN、DIP濃度間的相關(guān)分析結(jié)果表明它們之間的相關(guān)性特征非常相似（圖3），差異僅表現(xiàn)為DIP濃度的相關(guān)系數(shù)略高于DIN濃度的相關(guān)系數(shù)，這一特點與前面實測光譜相關(guān)性分析的結(jié)果是一致的。能夠反映水體混濁程度的第一波段（紅波段）和第二波段（近紅外波段）與DIN濃度、DIP濃度的相關(guān)系數(shù)較高，而且第二波段的相關(guān)系數(shù)高于第一波段的相關(guān)系數(shù)，第三波段（藍(lán)波段）與DIN、DIP濃度間呈輕微的負(fù)相關(guān)，第四波段（綠波段）則與這兩者都沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，上述特點與懸沙水體的光譜特點是吻合的（劉志國等，2006），同時也表明在該海域，能夠表征懸浮顆粒（泥沙）濃度特征的光譜波段也能夠表征DIN和DIP的濃度。

圖3 MODIS單波段因子與DIN、DIP濃度的相關(guān)性

進(jìn)一步通過波段組合因子的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在波段組合因子中 F7、F9、F10和 F12等因子與DIN、DIP濃度相關(guān)性較高，其中因子F9和F10的相關(guān)性比較突出，通過詳細(xì)分析這些因子中與DIN、DIP濃度的相關(guān)系數(shù)高的波段組合，可以發(fā)現(xiàn)由第二波段與其他波段的比值與差值構(gòu)成的因子與DIN、DIP濃度的相關(guān)系數(shù)最高，其中因子F10(2，3)與DIN和DIP濃度相關(guān)性最高，分別達(dá)到0.765和0.826（表2-表3），從總體看，波段組合因子與DIN、DIP濃度的相關(guān)系數(shù)比單波段因子有明顯的提高。

表2 MODIS影像波段組合因子F10與DIN濃度的相關(guān)性

表3 MODIS影像波段組合因子F10與DIP濃度的相關(guān)性

3 模型建立及評價

3.1 DIN、DIP濃度反演模型

根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果，最終選定波段組合因子F10(2，3)用于建模，分別選取線性、二次多項式、三次多項式、指數(shù)、對數(shù)、冪函數(shù)等模型構(gòu)建DIN和DIP濃度的回歸模型。將54個樣本數(shù)據(jù)隨機地分為兩組，其中建模組含40個樣本，檢驗組含14個樣本，用建模組數(shù)據(jù)建立模型，用檢驗組數(shù)據(jù)驗證，通過比較各模型的R2、平均相對精度和均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)從中選擇最合適的DIN和DIP濃度的定量反演模型。

表4 MODIS影像DIN濃度回歸模型及其預(yù)測相對精度比較

表5 MODIS影像DIP濃度回歸模型及其預(yù)測相對精度比較

從建模的結(jié)果來看，DIN濃度的反演模型R2可以達(dá)到0.6以上，各模型預(yù)測的平均相對精度大都在60%左右，各模型在預(yù)測的相對精度方面沒有太大的差別。DIP濃度反演模型的R2大都在0.7以上，各模型在預(yù)測精度方面差別也很小，特別是檢驗組樣本的預(yù)測精度與建模組的預(yù)測精度相差不大，都達(dá)到了60%以上。無論是DIN還是DIP的反演模型，都以因子的三次多項式模型的R2最高，其預(yù)測的平均相對精度也最高。

DIP濃度模型的情況與DIN濃度模型的情況類似，也是因子F10(2，3)的三次多項式模型的RMSE最低，但是該模型建模組和檢驗組RMSE的差距在所有模型中并不是最小，考慮到在該海域DIN濃度和DIP濃度具有共同的來源和釋放機制，而且在數(shù)量上也呈強烈的正相關(guān)，因此，也選擇因子F10(2，3)的三次多項式模型作為最終的DIP濃度定量反演的模型。

3.2 模型精度的評價

通過建立上述模型實測值與預(yù)測值比較的散點圖（圖4-圖5）可以發(fā)現(xiàn)，雖然這兩個模型在所有模型中精度最高，RMSE最小，但是精度依然不令人滿意，尤其是對一些實測濃度較低的樣本有較大的相對誤差，而對濃度較高的樣本相對誤差則較小，這種情況在DIP濃度反演模型中表現(xiàn)得十分明顯，因此有必要將樣本按不同的濃度進(jìn)行分組，分別討論它們的精度和RMSE。考慮到該海域DIN和DIP的平均濃度比海州灣海域要高得多，對于DIN濃度按200μg/L為閾值將所有樣本分為≥200μg/L和＜200μg/L兩組，對于DIP濃度則按20μg/L為閾值將所有樣本分為≥20μg/L和＜20μg/L兩組。按上述分組，分別利用模型（3）和模型（4）計算各分組的平均相對精度和RMSE。

圖5 DIP濃度回歸模型預(yù)測值與實測值比較

從表6和表7中可以發(fā)現(xiàn)，無論是DIN濃度的反演模型還是DIP濃度的反演模型，對于實測濃度相對較高的樣本組，模型預(yù)測精度都超過了70%，而對于濃度較低的樣本組，模型的預(yù)測精度則很不理想。但是由于射陽河口DIN和DIP濃度的均值（在本次野外測量中均值分別為318.47μg/L和46.58μg/L）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了濃度分組的閾值200μg/L和20μg/L，因此，可以認(rèn)為該模型在射陽河口海域具有很高的預(yù)測精度和實際應(yīng)用價值。

表6 不同濃度條件下DIN濃度回歸模型的誤差比較

表7 不同濃度條件下DIP濃度回歸模型的誤差比較

圖6 影像DIN濃度的反演結(jié)果 （單位/mgL）

圖7 MODIS影像DIP濃度的反演結(jié)果 （mgL）

3.3 模型的反演結(jié)果及討論

從反演結(jié)果看（圖6-圖7），在射陽河口附近海域，無論是DIN還是DIP濃度，都是離岸越遠(yuǎn)，濃度越低，這一分布規(guī)律與實際情況完全吻合。在射陽河口附近有一明顯的濃度高值區(qū)，DIN濃度達(dá)到500μg/L以上，DIP濃度達(dá)到80μg/L左右，其濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該海域DIN和DIP濃度的均值，這也反映了河口水體環(huán)境狀況不容樂觀。取2008年5月31日MODIS影像的反演結(jié)果與同步實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，DIN濃度的RMSE為75.15μg/L，DIP濃度的RMSE為6.94μg/L，均遠(yuǎn)小于模型對樣本預(yù)測的RMSE，這不僅證明了模型的有效性，也證明了模型具有良好的實踐應(yīng)用和業(yè)務(wù)化推廣潛力。

4 結(jié)論

DIN和DIP濃度與實測光譜間的相關(guān)性具有相似性，而且它們與濁度和實測光譜間的相關(guān)性也基本一致，這一結(jié)果表明在射陽河口海域，在河口沒有開閘的情況下，DIN和DIP主要來源于沉積物再懸浮過程中的釋放，因此，該海域反映濁度特征的光譜波段同時也能夠反映DIN和DIP的濃度。

在MODIS的波段組合因子F10與DIN、DIP濃度的相關(guān)性最為突出，最終選擇了由因子F10(2，3)構(gòu)建的三次多項式模型作為最終的DIN和DIP濃度定量反演的模型。上述模型預(yù)測的相對精度達(dá)到了60%以上，對于DIN濃度≥200μg/L和DIP濃度≥20μg/L的樣本組，其預(yù)測精度達(dá)到70%以上，而該海域大多數(shù)情況下DIN和DIP濃度都大于200μg/L和20μg/L，這證明所建立的模型具有良好的實際應(yīng)用價值。影像反演的結(jié)果不僅能夠正確地反映DIN、DIP濃度的分布規(guī)律，而且與同步實測數(shù)據(jù)相比，RMSE小于模型對樣本數(shù)據(jù)預(yù)測的RMSE，這進(jìn)一步證明了模型的穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)化應(yīng)用潛力。

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