徐雯佳，楊 斌，田 力，葛超英，徐永利

(1.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021;2.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081)

應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)反演河北省海域葉綠素a濃度

徐雯佳1，2，楊 斌1，田 力1，葛超英1，徐永利2

(1.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021;2.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081)

為了建立更加合理、準(zhǔn)確的葉綠素a遙感反演模型，利用地物光譜儀測(cè)定了河北省海域水面的光譜反射率，分析了光譜反射率與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過MODIS數(shù)據(jù)各波段及波段組合的反射率與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度的相關(guān)分析，確定第1波段(B1)為最佳反演波段，建立了應(yīng)用B1反演葉綠素a濃度的遙感模型，并對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:該模型相關(guān)系數(shù)為0.66，反演結(jié)果均方根誤差為0.48 mg/m3，模型精度優(yōu)于SeaDAS的OC3標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法;該模型反演河北省海域表層水體的葉綠素a濃度有較好的效果。

MODIS;葉綠素a濃度;河北省海域

0 引言

葉綠素a濃度與水體中藻類的種類和數(shù)量等有密切關(guān)系，可以反映浮游植物的現(xiàn)存量，是決定海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要因子［1］，也是評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)海洋水質(zhì)的重要參數(shù)［2］，因此監(jiān)測(cè)葉綠素a濃度對(duì)于掌握海域赤潮和富營養(yǎng)化狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有大范圍、連續(xù)、動(dòng)態(tài)和有效觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，已成為監(jiān)測(cè)海洋葉綠素 a濃度的重要手段［3］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)葉綠素a的光譜特征和利用不同傳感器數(shù)據(jù)建立遙感反演模型進(jìn)行了大量研究。Carder等應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)，以675 nm的浮游植物吸收系數(shù)和400 nm的黃色物質(zhì)吸收系數(shù)為變量，建立了葉綠素a濃度的半分析算法［4］;Letelier等針對(duì)一類水體，使用熒光法，建立了MODIS熒光通道(B13，B14，B15)的葉綠素 a濃度反演模型［5］;Brivio等應(yīng)用TM圖像，利用輻射傳輸模型，對(duì)意大利Garda湖的葉綠素a濃度變化進(jìn)行了研究［6］;呂恒等應(yīng)用TM數(shù)據(jù)，建立了太湖葉綠素a濃度的線性反演模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演模型［7］;陳軍等應(yīng)用TM數(shù)據(jù)，構(gòu)建太湖葉綠素a濃度反演模型，并用數(shù)值模擬方法研究了試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差與水質(zhì)濃度反演模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)之間的關(guān)系［8］。由于研究的水體、使用的遙感數(shù)據(jù)和建模方法都各不相同，現(xiàn)有的反演模型大多在適用性上具有一定的局限性。尤其是二類水體(近海)，由于其自身的光學(xué)特性相對(duì)復(fù)雜［9］，并且不同海域水體的光學(xué)特性存在一定差異，使得該類型水體葉綠素a濃度的遙感監(jiān)測(cè)模型區(qū)域局限性強(qiáng)，普適性不高。河北省海域?qū)儆诙愃w，因此，需要針對(duì)具體海域的水體特點(diǎn)建立特定的葉綠素a濃度反演模型。本文利用2010年5～10月、2011年5月的葉綠素a濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)同步的MODIS遙感數(shù)據(jù)，在分析水體光譜特征與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度關(guān)系的基礎(chǔ)上，選擇最佳波段組合，建立適用于河北省海域葉綠素a濃度的反演模型。

1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

1.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集

葉綠素a濃度的采樣地點(diǎn)為河北省秦皇島海域。本次數(shù)據(jù)采集共設(shè)計(jì)6條樣線，樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 葉綠素a濃度的現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)位(6號(hào)樣線未進(jìn)行光譜測(cè)量，未對(duì)其樣點(diǎn)編號(hào))Fig.1 Sampling points of chlorophyll－a concentration in the field

6號(hào)樣線為固定樣線，其上樣點(diǎn)分別采集于2010年5月19日、8月20日、9月20日和10月 3日;1～5號(hào)樣線為同期樣線，樣點(diǎn)采集于2011年5月2～6日。樣點(diǎn)共計(jì)68個(gè)，剔除異常數(shù)據(jù)和近岸混合像元的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終保留47個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。4號(hào)樣線數(shù)據(jù)設(shè)為反演模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。海水樣本由秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站水質(zhì)檢測(cè)人員使用專用的水樣采集器現(xiàn)場(chǎng)采集并密封低溫保存，所有樣本均在當(dāng)日返航后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范，葉綠素a濃度測(cè)量采用熒光光度法。海上光譜測(cè)量采用美國ASD公司的FieldSpec PRO FR便攜式分光輻射光譜儀，在天空基本無云、水面波動(dòng)較小、船體停止擺動(dòng)的情況下，參照唐軍武等推薦的水面以上光譜測(cè)量法［10］進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣點(diǎn)至少測(cè)量15次，取其平均值作為該點(diǎn)的反射光譜。

1.2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

從國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心獲取了2010年5～10月和2011年5月的L1B級(jí)MODIS數(shù)據(jù)。篩選出與采樣日期準(zhǔn)同步的晴空下的遙感數(shù)據(jù)，其時(shí)相分別為2010年5月19日、8月16日、9月23日、10月4日和2011年5月3日、5月7日。

大氣校正是定量反演葉綠素a濃度的基礎(chǔ)［11］。本文采用輻射傳輸模型中的MODTRAN模型，利用ENVI軟件提供的FLAASH模塊對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，設(shè)置大氣模型和氣溶膠類型等參數(shù)，獲得遙感圖像上各個(gè)像元的反射率。

采用Geographic Lat/Lon投影，結(jié)合MODIS 1B數(shù)據(jù)中自帶的經(jīng)緯度信息對(duì)大氣校正后的MODIS遙感圖像進(jìn)行幾何糾正。糾正后的位置精度達(dá)到0.5 個(gè)像元。

2 水體光譜特征分析

由于水體中葉綠素a的存在，使得其在近紅外波段反射率明顯上升，主反射峰在700～1100 nm波段區(qū)間。各采樣點(diǎn)由于葉綠素a含量不同，使得在近紅外波段的反射峰值表現(xiàn)出較大的差異［12］:葉綠素a濃度越高，近紅外波段的反射峰值越大;葉綠素a在440 nm(藍(lán)波段)和678 nm(紅波段)波長附近都有顯著的吸收，當(dāng)葉綠素a含量較高時(shí)，水體光譜反射曲線在這2個(gè)波段附近出現(xiàn)吸收谷;在685 nm附近，葉綠素 a有明顯的熒光峰［13］，含藻類水體最顯著的光譜特征是在685～715 nm范圍出現(xiàn)反射峰，其存在與否通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類葉綠素的依據(jù)，并且反射峰的位置和峰值是葉綠素 a濃度的指示［14］。

剔除樣點(diǎn)2_9的異常光譜數(shù)據(jù)，制作1～5號(hào)樣線43個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)光譜曲線圖(圖2)。

圖2 實(shí)測(cè)水體光譜特征曲線Fig.2 Spectral characteristics curves of water bodies in the field

可以看到，光譜曲線有2個(gè)明顯的反射峰。550～580 nm處的反射峰是由于葉綠素和胡蘿卜素弱吸收和細(xì)胞的散射作用形成的;675～695 nm范圍反射峰的出現(xiàn)是含藻類水體最顯著的光譜特征。在425～500 nm處由于葉綠素和黃色物質(zhì)的強(qiáng)烈吸收形成吸收谷，在650～670 nm處由于葉綠素的吸收形成吸收谷。所以565 nm和685 nm為葉綠素的反射峰位置，對(duì)應(yīng)MODIS波段的中心波長為551 nm和678 nm，其反射率呈現(xiàn)高值;443 nm和665 nm是葉綠素光譜的2個(gè)吸收谷位置，對(duì)應(yīng)MODIS波段的中心波長為443 nm和667 nm。

3 葉綠素a濃度反演模型

3.1 模型建立與評(píng)價(jià)

分別采用常用的單波段法、比值法、組合法和差值法［15－21］對(duì)葉綠素a濃度敏感的MODIS各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析與算法對(duì)比，選擇相關(guān)性較高的波段作為反演最佳波段。表1為MODIS數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度的相關(guān)分析結(jié)果。

表1 MODIS數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度相關(guān)分析結(jié)果①Tab.1 Results of correlation analysis between MODIS data and measured concentration of chlorophyll－a

根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，以B1，B4及其組合作為因子時(shí)，反演模型相關(guān)系數(shù)較高，由于B4圖像上條帶現(xiàn)象較明顯，所以選取ln B1作為最佳反演因子，構(gòu)建基于MODIS的葉綠素a濃度遙感監(jiān)測(cè)模型，相關(guān)系數(shù)為0.66。通過一元線性回歸分析，建立的模型為

式中:r1為大氣校正后B1的反射率;Chla為葉綠素a濃度。

為了驗(yàn)證模型的反演精度和增加模型的對(duì)比性，本研究采用NASA發(fā)布的海洋數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(SeaDAS 4.7)軟件提供的OC3標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法來反演基于MODIS的葉綠素a濃度。SeaDAS 4.7反演葉綠素a濃度主要是基于生物－光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法(bio－optical algorithm)，算法所依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自全球范圍內(nèi)900多個(gè)海洋觀測(cè)站點(diǎn)。OC3算法計(jì)算公式為［22］

式中:R=lg{max［Rrs(443，488)］/Rrs(551)}，Rrs(λ)為MODIS波長λ的遙感反射率。

將9個(gè)采樣點(diǎn)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)分別代入式(1)(2)，得到葉綠素a濃度的反演值，并與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度進(jìn)行比較分析(圖3)。

圖3 葉綠素a濃度反演值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Comparison between retrieval and measured value of chlorophyll－a concentration

葉綠素a濃度反演結(jié)果及其誤差分別見表2，3。

表2 葉綠素a濃度反演結(jié)果Tab.2 Retrieval results of chlorophyll－a concentration(mg/m3)

表3 葉綠素a濃度反演誤差分析Tab.3 Error analysis of retrieval results of chlorophyll－a concentration (mg/m3)

由圖3、表2和表3可知，新建模型的反演值與葉綠素a濃度的實(shí)測(cè)值較為接近，而OC3算法的反演誤差較大。經(jīng)驗(yàn)證，選擇MODIS第1波段(B1)所建立的反演模型的平均誤差為0.34 mg/m3，均方根誤差為0.48 mg/m3;而OC3算法的平均誤差為6.16 mg/m3，均方根誤差達(dá)到 6.86 mg/m3。這說明雖然二者同為經(jīng)驗(yàn)算法，但本文所建立的反演模型更加適用于河北省海域的葉綠素a濃度遙感監(jiān)測(cè)。這是由于OC3算法所依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)絕大部分來自一類水體、海上氣溶膠濃度較低的海洋觀測(cè)站點(diǎn)，對(duì)于海上氣溶膠濃度普遍偏高的近岸海域，OC3算法的適用性受到限制［22］。可見，對(duì)于不同海域和不同數(shù)據(jù)源應(yīng)該采用不同的反演算法［23］，對(duì)于二類水體建立特定海域的反演模型是必要的。

3.2 結(jié)果與分析

利用新建模型和MODIS數(shù)據(jù)反演2011年5月13日河北省海域的葉綠素a濃度，得到當(dāng)日監(jiān)測(cè)區(qū)的葉綠素a濃度分布(圖4)。

圖4 河北省海域(2011－05－13)葉綠素a濃度遙感反演結(jié)果Fig.4 Retrieval results of chlorophyll－a concentration of Hebei sea area on 13th May，2011

從圖4看出，河北省海域葉綠素a濃度的分布特征表現(xiàn)為南部高于北部，近岸高于遠(yuǎn)岸。近岸海域葉綠素a濃度多為5～7 mg/m3，遠(yuǎn)岸海域多為2～3 mg/m3。葉綠素a濃度較高的海域主要分布在滄州黃驊和天津海域，其中滄州黃驊海域的葉綠素a濃度最高達(dá)到7.5 mg/m3，其原因可能有沿岸海域海水淺、河口處受陸源物質(zhì)排放影響、營養(yǎng)鹽較豐富及藻類含量較高。渤海中部的葉綠素a濃度較低。利用MODIS數(shù)據(jù)反演海面葉綠素a濃度，對(duì)于監(jiān)測(cè)該海域赤潮和富營養(yǎng)化狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

1)在分析光譜反射率與實(shí)測(cè)葉綠素a濃度關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)分析，選擇MODIS的B1作為反演因子，建立河北省海域基于MODIS數(shù)據(jù)的葉綠素a濃度遙感監(jiān)測(cè)模型，均方根誤差為0.48 mg/m3。在河北省海域，該模型反演精度比SeaDAS的OC3標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)算法高，表明對(duì)于二類水體葉綠素a濃度反演，有必要針對(duì)具體海域建立特定的反演模型。新建模型反演的結(jié)果能夠較好地表征河北省海域葉綠素a濃度的分布情況。

2)在河北省海域，665 nm和685 nm是葉綠素a濃度的敏感波長，對(duì)應(yīng)MODIS波段的中心波長為667 nm和678 nm;但無論是高增益還是低增益數(shù)據(jù)，MODIS在此波長處均飽和無數(shù)據(jù)。經(jīng)過大氣校正后的第1波段、第4波段及其波段組合與葉綠素a濃度也具有較好的相關(guān)性，說明應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)反演河北省海域葉綠素a濃度時(shí)，可以利用的波段較多，這為建立遙感監(jiān)測(cè)模型提供了更多選擇。

3)由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，樣點(diǎn)分布相對(duì)集中，數(shù)量相對(duì)較少。此外，海上采樣受天氣限制，而衛(wèi)星又易受云的影響，致使同步數(shù)據(jù)很難獲取。在今后的研究中，需要獲得更多點(diǎn)位的同步數(shù)據(jù)用來修正和完善模型，從而提高河北省海域葉綠素a反演模型的精度和適用性。

志謝:感謝國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的MODIS數(shù)據(jù)及宋慶君在海上光譜測(cè)量中提供的幫助。

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Retrieval of Chlorophyll－a Concentration by Using MODIS Data in Hebei Sea Area

XU Wen － jia1，2，YANG Bin1，TIAN Li1，GE Chao － ying1，XU Yong － li2
(1.Hebei Prospecting Institute of Hydrogeology and Engineering Geological，Shijiazhuang 050021，China;2.Institute of Geological Survey of Hebei Province，Shijiazhuang 050081，China)

In order to build a more reasonable and accurate remote retrieval model than the models used before，the authors measured water spectral reflectance by field spectrometer in sea area of Hebei Province.Based on analyzing the relationship between spectral reflectance and actual measured value of chlorophyll－a concentration，the authors conducted correlation analysis between the reflectance of each band or band combination of MODIS data and measured value of chlorophyll－ a concentration.The result shows that the best inversion band is B1.Then the remote sensing monitoring model of chlorophyll－ a concentration was built by using B1 of MODIS data.The retrieval results and corresponding actual measured results were compared with each other at last.The results show that the correlation coefficient of this model is 0.66 and the root mean square error of inversion result is 0.48 mg/m3.The precision of this retrieval model is better than OC3 standard empirical algorithm of SeaDAS.Therefore，the model could be employed to retrieve chlorophyll－a concentration of surface water of Hebei sea area effectively by using MODIS data.

MODIS;chlorophyll－a concentration;Hebei sea area

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0152－05

2011－12－02;

2012－03－08

河北省國土資源廳基礎(chǔ)類項(xiàng)目“基于國家海洋衛(wèi)星河北海洋水色水溫等環(huán)境要素遙感監(jiān)測(cè)”(編號(hào):2011995559)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.25

徐雯佳(1983－)，女，碩士，工程師，目前主要從事遙感應(yīng)用工作。E－mail:jiajiawen1227@163.com。

(責(zé)任編輯:邢 宇)