胥 為，周云軒，沈 芳，田 波，于 鵬

華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

0 引言

鹽沼植被是濱海濕地的重要組成部分，具有海岸侵蝕防護(hù)、生物棲息地支持、水質(zhì)凈化和碳匯等多種生態(tài)服務(wù)功能[1]。受灘涂圍墾、海平面上升、外來(lái)物種入侵等因素影響，我國(guó)典型河口海岸帶區(qū)域本土鹽沼植被處于不斷快速動(dòng)態(tài)變化中。如長(zhǎng)江河口自1980年人工引種美國(guó)互花米草以來(lái)，2015年其分布面積已達(dá)約6 200 hm2，它快速擴(kuò)散并侵占了土著植被如蘆葦鹽沼植被的生境，給海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能帶來(lái)了強(qiáng)烈影響。對(duì)河口海岸帶區(qū)域鹽沼濕地植被種類、空間分布和外來(lái)鹽沼植被擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用遙感與野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，特別是利用多時(shí)相、多分辨率光學(xué)遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，利用植被指數(shù)等進(jìn)行鹽沼植被遙感識(shí)別提取。諸多研究[2-4]表明，利用光學(xué)遙感影像進(jìn)行鹽沼植被的精準(zhǔn)識(shí)別需要大量的先驗(yàn)知識(shí)，并輔以野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查修正。而且利用光學(xué)遙感影像進(jìn)行鹽沼濕地植被監(jiān)測(cè)存在著許多局限和不足，主要有：我國(guó)大部分沿海潮灘地區(qū)高概率出現(xiàn)的云層覆蓋和惡劣天氣等因素，加大了獲取高質(zhì)量多時(shí)相的光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)的難度；因光學(xué)影像波長(zhǎng)短，對(duì)植被冠層缺乏穿透能力，這使得大部分鹽沼植被在其生長(zhǎng)季節(jié)對(duì)光譜響應(yīng)的相似度高，導(dǎo)致不同植被類型和混生鹽沼植被空間邊界區(qū)分效果不佳；由于潮灘地帶通達(dá)性差，實(shí)地調(diào)查修驗(yàn)存在成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題，降低了利用光學(xué)遙感影像實(shí)施年際尺度，甚至更小時(shí)間尺度的鹽沼植被動(dòng)態(tài)變化精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的可行性。

合成空間雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，雷達(dá)波長(zhǎng)一般在厘米級(jí)，可穿透云雨霧，不受天氣和時(shí)間的影響，具有全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)。SAR回波信號(hào)對(duì)物體的介電特性，特別是對(duì)植被葉片含水量和土壤濕度變化敏感[5]，能提供光學(xué)遙感影像所缺乏的對(duì)植被冠層的穿透性，使植被葉冠以下的信息也能被利用，可以彌補(bǔ)光學(xué)遙感在鹽沼植被監(jiān)測(cè)中的不足[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用SAR影像在鹽沼濕地植被提取方面取得了不少研究成果。王安琪等[5]結(jié)合Landsat TM(thematic mapper)、長(zhǎng)波段PALSAR(phased array type L-band synthetic aperture radar)及多時(shí)相ENVISAT ASAR(advanced synthetic aperture radar)影像，利用決策樹(shù)的方法，對(duì)東北地區(qū)三江平原內(nèi)的沼澤濕地植被進(jìn)行了識(shí)別，所得到的分類精度整體較高。Townsend等[7]利用多季相的RADARSAT影像，對(duì)美國(guó)卡羅萊納州東北部Roanoke河流域及其周圍的濕地進(jìn)行了制圖。Kwoun等[8]利用多時(shí)相ERS-1/2和Radarsat-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采取相對(duì)輻射定標(biāo)的方法，區(qū)分了Louisiana州海岸濕地的多種森林和沼澤植被類型;研究表明，單獨(dú)利用一景SAR影像在識(shí)別植被類型時(shí)效果并不理想，而多時(shí)相、多極化、多來(lái)源影像結(jié)合是利用SAR影像進(jìn)行濕地植被監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

哨兵一號(hào)A衛(wèi)星(Sentinel-1A)于2014年4月3號(hào)發(fā)射升空，屬于歐空局(ESA)哥白尼計(jì)劃中的地球觀測(cè)衛(wèi)星，是對(duì)2014年4月8號(hào)失聯(lián)的ENVISAT衛(wèi)星的繼承。本研究以長(zhǎng)江河口崇明東灘南部為研究區(qū)域，利用2016年11個(gè)時(shí)相的Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，研究蘆葦鹽沼植物在一個(gè)完整年度內(nèi)不同生長(zhǎng)季節(jié)的雷達(dá)后向散射系數(shù)變化特征，并以此為依據(jù)對(duì)蘆葦?shù)姆植夹畔⑦M(jìn)行提取，探究Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江口濕地植被監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景。

1 研究區(qū)域概況

崇明東灘位于崇明島最東端的長(zhǎng)江河口入海處，由長(zhǎng)江徑流攜帶的泥沙沉積而成，是長(zhǎng)江口規(guī)模最大、發(fā)育最完善的河口型潮灘之一[9]，被列入國(guó)際重要濕地名錄，也是國(guó)家級(jí)鳥(niǎo)類自然保護(hù)區(qū)、國(guó)際亞太遷徙鳥(niǎo)類重要停歇地[10]。本文研究區(qū)域位于崇明東灘南部(圖1)，是典型的河口型淤泥質(zhì)潮灘。區(qū)域內(nèi)多年平均潮差2.6 m，最大潮差4.6～6.0 m。潮溝發(fā)育豐富，主要分布在潮間帶上部或高潮灘部位，由岸向海呈樹(shù)枝狀擴(kuò)張態(tài)勢(shì)[11]。研究區(qū)域內(nèi)主要鹽沼植被類型包括蘆葦群落、白茅群落和海三棱藨草群落等，蘆葦?shù)淖畲笾旮呖蛇_(dá)4.0 m，白茅和海三棱藨草的最高株高一般低于0.6 m[12]。在植被生長(zhǎng)周期內(nèi)，當(dāng)年11月至翌年的4月為東灘植被的枯萎期，其余時(shí)段為生長(zhǎng)綠葉期。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星采用4種極化(VV(vertical transmit/vertical receive)、VH(vertical transmit/horizontal receive)、HV(horizontal transmit/ vertical receive)和HH(horizontal transmit/ horizontal receive))C波段工作模式，重訪周期為12 d，2016年4月Sentinel-1B衛(wèi)星發(fā)射升空以后，重返周期縮短至6 d，具有重訪時(shí)間短和數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布快速的特點(diǎn)[13]。該雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括4種模式，分別是寬刈幅模式(IW)、條帶模式(SM)、超寬刈幅(EW)和波模式(WV)。本文選取Sentinel-1A衛(wèi)星的IW模式一級(jí)產(chǎn)品(Level-1)中的地距格式(GRDH)影像，所有影像極化方式均為VV+VH極化。影像獲取時(shí)間跨度為2016年3月—2016年12月，共11景影像(表1)，衛(wèi)星運(yùn)行軌道為上行，過(guò)境時(shí)間為當(dāng)日17:54。下載的影像數(shù)據(jù)已進(jìn)行過(guò)多視處理，分辨率為10 m×10 m[13]。

Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)(metadata)中包含了衛(wèi)星軌道向量，其精確度一般不高，需要后續(xù)發(fā)布的精確軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。由于雷達(dá)波具有相干波的本質(zhì)，Sentinel-1A衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不可避免地具有椒鹽噪點(diǎn)(salt and pepper noise)[14]，降低了SAR影像的圖像質(zhì)量。濾波處理可以有效地減少椒鹽噪點(diǎn)對(duì)SAR影像的不良影響。為盡量保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)和紋理特征，本文選擇中值濾波法進(jìn)行濾波處理，濾波窗口設(shè)置為9×9。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理主要利用ESA開(kāi)發(fā)的SNAP軟件平臺(tái)。完整的數(shù)據(jù)處理流程為：1)應(yīng)用軌道數(shù)據(jù)(apply orbit file)；2)輻射定標(biāo)(radiometric calibration)；3)濾波處理(speckle filtering)；4)地形校正(range-doppler terrain correction)；5)波段合成(layer stacking)。圖2是2016-06-08 Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星原始影像數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)。由圖2可以看出，Sentinel-1A原始影像經(jīng)預(yù)處理后，椒鹽噪點(diǎn)得到較好的抑制，影像的幾何特征吻合真實(shí)地理坐標(biāo)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

Table1ListofSentinel-1AimagesinChongmingDongtanarea

影像編號(hào)時(shí)間當(dāng)日天氣潮位/cm12016-03-28多云17922016-04-21陰7732016-05-15中雨轉(zhuǎn)小雨27642016-06-08小雨18852016-07-26晴33362016-08-19晴10772016-09-12多云30482016-10-06多云23592016-10-30陰94102016-11-11晴240112016-12-05多云263

在本論文研究開(kāi)展期間，筆者分別于2016年11月和12月前往研究區(qū)域進(jìn)行野外調(diào)查工作，獲取用于提取結(jié)果精度驗(yàn)證的野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在野外調(diào)查過(guò)程中，利用GPS(儀器誤差為±10 m)獲取采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，詳細(xì)記錄觀測(cè)點(diǎn)及其周圍的植被類型、植被平均高程等數(shù)據(jù)。圖3為地物類型驗(yàn)證點(diǎn)分布圖。

2.2 鹽沼植被的后向散射機(jī)制

在有植被的潮灘區(qū)域，SAR衛(wèi)星發(fā)射的雷達(dá)波與地表和植被同時(shí)發(fā)生作用。雷達(dá)回波的大小不僅取決于目標(biāo)物的尺寸、密度、形狀和介電常數(shù)等，也與SAR衛(wèi)星本身的系統(tǒng)特征有關(guān)，如雷達(dá)入射角、極化方式和波長(zhǎng)等[15]。雷達(dá)波對(duì)植被冠層的穿透性與波長(zhǎng)有很大關(guān)系，如波長(zhǎng)較長(zhǎng)的L波段可以穿透茂密的灌木林和森林，而C波段則最有利于識(shí)別植被下方有水體的草本植被[7]。

圖2 Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像預(yù)處理前(a)、后(b)對(duì)比圖Fig.2 Images before(a) and after(b) pre-processing of the Sentinel-1A SAR

在潮間帶鹽沼濕地，雷達(dá)波的散射機(jī)制大致可以分為四大類：面散射(surface scattering)、體散射(volume scattering)、鏡面散射(specular scattering)及二次回波散射(double bounce scattering)。圖4解釋了雷達(dá)波在不同水位下與不同蓋度和高度的草本植被相互作用機(jī)理。當(dāng)潮灘水位很高、植被幾乎被完全淹沒(méi)時(shí)，大部分雷達(dá)波將直接從水面反射出去，造成影像的后向散射強(qiáng)度極低(圖4a)；當(dāng)植被部分被淹沒(méi)且植被露出水面的枝稈部分足夠大、植被的蓋度較低時(shí)，C波段雷達(dá)波能較好地穿透植被冠層，并在枝稈和水面之間發(fā)生二次回波散射，在SAR影像上表現(xiàn)為后向散射強(qiáng)度很高的亮白部分(圖4b)；當(dāng)植被蓋度很高且枝稈部分被淹沒(méi)時(shí)，C波段雷達(dá)波能部分穿透植被冠層，但不能抵達(dá)水面，這時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生面散射和體散射(圖4c)?？傊?，鹽沼植被的蓋度、高度以及潮灘水位的高低決定了不同雷達(dá)散射機(jī)制的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，幾種雷達(dá)散射機(jī)制可能同時(shí)發(fā)生，占比重最大的稱為主導(dǎo)散射機(jī)制(dominant scattering mechanism)。因?yàn)槔走_(dá)散射方式為后向散射(即入射波與反射波方向一致)，故當(dāng)上述散射機(jī)制分別占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，雷達(dá)影像象元的后向散射系數(shù)大小關(guān)系一般滿足二次回波散射>體散射/面散射>鏡面散射。

圖3 驗(yàn)證點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution map of the verification points

a.鏡面散射；b. 二次回波散射；c. 體散射/面散射。圖4 研究區(qū)雷達(dá)波與鹽沼植被作用機(jī)理圖Fig.4 Illustration of mechanism between the radar wave and vegetation in the study area

2.3 鹽沼植被雷達(dá)后向散射強(qiáng)度變化分析

為比較蘆葦、白茅和海三棱藨草、水體、光灘的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度時(shí)相變化差異，通過(guò)高分辨航空遙感影像數(shù)據(jù)分析，結(jié)合地面現(xiàn)場(chǎng)植被考察，在Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像上選取不同地物類型的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，研究不同地物在一個(gè)植物生長(zhǎng)周期內(nèi)的后向散射強(qiáng)度變化特征。由于區(qū)域內(nèi)海三棱藨草和白茅的株高明顯低于蘆葦，在分析時(shí)將二者歸為一類。調(diào)查共選擇了32個(gè)樣方，對(duì)4種地物類型分別提取705、533、552、541個(gè)數(shù)據(jù)像元，利用ENVITM軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，相較于VH極化方式，Sentinel-1A雷達(dá)數(shù)據(jù)VV極化方式的4種主要地物類型的后向散射強(qiáng)度整體更高，差別更為顯著。對(duì)4種地物在VV極化方式下雷達(dá)反射強(qiáng)度的分析表明：所有時(shí)相內(nèi)水體和潮溝以及光灘的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度整體偏低；蘆葦后向散射強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在4月，其值為-3.6 dB，最低值出現(xiàn)在6月，其值為-12.0 dB。從6月到10月，蘆葦?shù)暮笙蛏⑸鋸?qiáng)度低于或接近于白茅和海三棱藨草，其原因在于該時(shí)間段為蘆葦?shù)木G葉期，植被葉冠茂密，雷達(dá)波主要發(fā)生了體散射/面散射；而在蘆葦?shù)目?落葉期，大部分C波段雷達(dá)波可以穿透冠層，發(fā)生了二次回波散射，此時(shí)的后向散射強(qiáng)度值高于其他地物。

圖5 研究區(qū)2016年4種主要地物后向散射強(qiáng)度時(shí)相變化圖Fig.5 Temporal variation of the back-scattering intensity of the land features of 2016 in the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 蘆葦鹽沼植被分布識(shí)別

由圖5可以看出，3、4月蘆葦?shù)暮笙蛏⑸鋸?qiáng)度與其他地物差異最為顯著，且明顯高于其他地物，可用作蘆葦鹽沼植被的識(shí)別提取。2016-03-28 Sentinel-1A衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻潮位為179 cm，屬于中高潮位，而2016-04-21時(shí)潮位為78 cm，屬于低潮位。在利用4月低潮位雷達(dá)影像分析提取時(shí)，靠近堤壩處的部分蘆葦由于所處位置海拔相對(duì)高，未被水淹沒(méi)發(fā)生二次回波散射，不能有效識(shí)別。當(dāng)單獨(dú)使用3月中高潮位雷達(dá)影像時(shí)，靠近堤壩處的蘆葦能較好地提取出來(lái)，但其他區(qū)域的部分蘆葦處于被淹沒(méi)狀態(tài)，發(fā)生了鏡面散射，難以被準(zhǔn)確區(qū)分；因此使用單一時(shí)相影像進(jìn)行蘆葦識(shí)別提取效果并不理想?？紤]到潮位高低對(duì)植被散射機(jī)制的影響，綜合利用不同潮位下的影像能達(dá)到更好的識(shí)別效果。利用SNAP軟件波段運(yùn)算(band math)的功能，計(jì)算3、4月兩景Sentinel-1A影像的像元最大值，所得影像每個(gè)像元的后向散射強(qiáng)度為3、4月影像的較高值。利用閾值分割法提取蘆葦?shù)姆植夹畔ⅲ瑒澐珠撝禐?8.86 dB，高于該值的像元即識(shí)別為蘆葦。提取結(jié)果如圖6所示。利用此前采集的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合Google Earth高清衛(wèi)星影像，隨機(jī)均勻選取驗(yàn)證點(diǎn)，驗(yàn)證點(diǎn)總數(shù)為89，對(duì)本文的蘆葦鹽沼植被提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，蘆葦鹽沼植被的提取精度為88.7%。

圖6 研究區(qū)蘆葦鹽沼植被空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of the phragmites australis in the study area

3.2 后向散射強(qiáng)度與NDVI相關(guān)性分析

利用無(wú)云霧覆蓋的2016-5-20 Landsat 8 OLI(operational land imager ，陸地成像儀)影像，計(jì)算研究區(qū)域的歸一化植被指數(shù)(INDV)(圖7a)。將波段運(yùn)算后的SAR影像進(jìn)行重采樣，重采樣后SAR影像的分辨率與Landsat 8影像分辨率一致，為30 m×30 m(圖7b)。利用ENVITM軟件進(jìn)行波段合成，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具Compute Statistics對(duì)兩個(gè)波段進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，兩者為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.78。

圖7 研究區(qū)INDV圖像(a)和3、4月雷達(dá)影像波段組合運(yùn)算后圖像(b)Fig.7 Image of INDV(a) and SAR image of March and April after band math(b)in the study area

4 結(jié)論與展望

1)蘆葦枯/落葉期的Sentinel-1A雷達(dá)影像對(duì)于蘆葦?shù)淖R(shí)別最有效，在植被提取的過(guò)程中需要充分考慮潮汐水位對(duì)鹽沼植被雷達(dá)散射機(jī)制的影響。綜合利用不同潮位情況下的雷達(dá)影像，提取效果精度更高。

2)通過(guò)雷達(dá)后向散射強(qiáng)度影像與相近時(shí)相的光學(xué)遙感影像歸一化植被指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者呈良好的正相關(guān)關(guān)系。

3)對(duì)Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星在潮灘鹽沼植被識(shí)別提取的應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究區(qū)分低矮鹽沼植被的在雷達(dá)反射上的特征判據(jù)。

4)目前在長(zhǎng)江河口獲取的Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅為雙極化模式，需要進(jìn)一步研究鹽沼植被全極化雷達(dá)的散射特征。如何有效結(jié)合光學(xué)遙感影像進(jìn)行鹽沼植被時(shí)空動(dòng)態(tài)演變精準(zhǔn)識(shí)別、植被生物量定量估算及鹽沼植被生物地球化學(xué)過(guò)程循環(huán)，將是雷達(dá)衛(wèi)星海岸帶應(yīng)用的重要研究方向。