基于高分1號(hào)遙感數(shù)據(jù)港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊?/h1>
2020-10-27 08:59:46劉大召陳仔豪程永存
廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào) 2020年6期 關(guān)鍵詞：模型
劉大召，李 卓，陳仔豪，程永存
基于高分1號(hào)遙感數(shù)據(jù)港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊?/p>
劉大召1,2，李 卓2，陳仔豪2，程永存3
（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江）南海資源大數(shù)據(jù)中心//2. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；3. 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195）
【】研究港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊憽＠?019年冬季珠江口海域的出海調(diào)查數(shù)據(jù)和高分1號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模型，分析大橋?qū)腋∧嗌晨臻g分布的影響。高分1號(hào)衛(wèi)星的4個(gè)波段中，第4波段與懸浮泥沙濃度的確定系數(shù)最高，線性模型的確定系數(shù)達(dá)到0.58，而4波段組合模型的效果最好，確定系數(shù)可以達(dá)到0.74；大橋?qū)腋∧嗌车妮斶\(yùn)有比較明顯阻滯作用，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度的差值最高達(dá)7 mg/L。港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌车目臻g分布有比較明顯的影響。
珠江口；高分1號(hào)；懸浮泥沙；遙感
懸浮泥沙輸運(yùn)是河口海域自然調(diào)整中的關(guān)鍵問(wèn)題，入海泥沙通量直接對(duì)河口海岸地區(qū)灘地圍墾、漁業(yè)生產(chǎn)、水資源、河口海岸工程和航道工程等產(chǎn)生影響；同時(shí)，細(xì)顆粒懸浮泥沙又是污染物的重要載體，泥沙輸運(yùn)對(duì)污染物的遷移和循環(huán)也起重要作用。因此，對(duì)河口區(qū)域懸浮泥沙的分布和輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行認(rèn)真而細(xì)致的理論研究，充分揭示其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅可以為河口區(qū)潛在的地貌演變等提供分析依據(jù)，而且對(duì)保護(hù)河口海域的海洋生態(tài)環(huán)境也有著深刻而重要的意義。
遙感是進(jìn)行懸浮泥沙監(jiān)測(cè)的一種重要手段，較多學(xué)者選擇珠江口作為研究區(qū)域，利用遙感手段對(duì)懸浮泥沙空間分布進(jìn)行分析，一部分學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模式[1-6]，也有學(xué)者利用長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)分析珠江口海域懸浮泥沙的時(shí)空分布變化[7-10]。
國(guó)內(nèi)已有學(xué)者研究了杭州灣跨海大橋?qū)贾轂澈Ｓ驊腋∧嗌车目臻g分布的影響，研究結(jié)果表明，杭州灣大橋兩側(cè)的懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)出一定的梯度特征，表現(xiàn)為大橋上游濃度高，下游濃度相對(duì)較低[11-12]。港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門(mén)的超大型跨海通道，橫跨珠江口伶仃洋海域，全長(zhǎng)55 km，是世界最長(zhǎng)的跨海大橋，于2018年10月建成投入使用，目前還沒(méi)基于遙感數(shù)據(jù)的大橋?qū)?shí)際工程海域影響的研究報(bào)道。本研究利用2019年冬季港珠澳大橋海域的海上調(diào)查數(shù)據(jù)和高分一號(hào)遙感數(shù)據(jù)研究大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌晨臻g分布的影響，掌握大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌晨臻g分布影響的范圍及程度，為深入研究大橋?qū)Ｑ蟓h(huán)境的影響提供基礎(chǔ)。
1 研究區(qū)域及實(shí)驗(yàn)方案
珠江口是一個(gè)復(fù)合型的三角洲，由西、北江三角洲，東江角洲及獨(dú)流入海的潭江等小河組合而成，面積約為2.68萬(wàn)km2。在長(zhǎng)期徑流、潮流與徑流挾沙的作用下，河汊密如蛛網(wǎng)，水鄉(xiāng)四通八達(dá)，形成“三江匯集，八口分流”的珠江尾閭的復(fù)雜形狀[6]。珠江河口區(qū)是一個(gè)動(dòng)力過(guò)程極其復(fù)雜的系統(tǒng)。在徑流、潮汐、季風(fēng)、沿岸流和南海暖流等綜合作用下，形成珠江徑流、珠江口沖淡水（由外海水與上游淡水在河口地區(qū)相互摻混后形成）和外海水團(tuán)3種不同性質(zhì)水團(tuán)。該地區(qū)人口密布、經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)影響通過(guò)河口地區(qū)向近海傳遞，引起諸如富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮、生物多樣性減少、海岸侵蝕、海水入侵、入海物質(zhì)變化規(guī)律失調(diào)等一系列嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。對(duì)珠江口懸浮泥沙輸運(yùn)規(guī)律研究是認(rèn)識(shí)河口地區(qū)環(huán)境演變規(guī)律的基礎(chǔ)，并將為珠江口綜合整治提供科學(xué)依據(jù)。
本研究區(qū)域?yàn)楦壑榘拇髽蚋浇Ｓ?，相關(guān)站位設(shè)置如圖1所示。2020年1月15－16日組織了針對(duì)港珠澳大橋附近海域的海上調(diào)查航次，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：CTD測(cè)量水溫、鹽度、水深；光譜儀對(duì)海水表觀光學(xué)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；水質(zhì)儀測(cè)量水深、水溫、鹽度、溶解氧、壓強(qiáng)、PH、黃色物質(zhì)吸收系數(shù)、懸浮物濃度、葉綠素濃度；后向散射儀測(cè)量海水的后向散射系數(shù)；實(shí)驗(yàn)室分析葉綠素-a濃度、懸浮泥沙濃度。
圖1 研究區(qū)域及站位設(shè)置
在本研究中，水體遙感反射率的測(cè)量采用的是水面以上測(cè)量法，儀器是 KOT_CruiseAOP走航式水體表觀光譜觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)物見(jiàn)圖2。
圖2 走航式水體表觀光譜觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)物
KOT_CruiseAOP有3個(gè)通道，分別測(cè)量天空光漫反射輻亮度，海面入射的輻亮度和水體的離水輻亮度，3個(gè)通道同步進(jìn)行測(cè)量。KOT_CruiseAOP系統(tǒng)中的觀測(cè)幾何智能調(diào)整平臺(tái)，采用了自穩(wěn)設(shè)計(jì)、能夠智能調(diào)整觀測(cè)幾何，利用GPS 的位置和時(shí)間信息得到該位置的天頂角，結(jié)合姿態(tài)傳感器和平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器進(jìn)行全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)精確控制傳感器所需的測(cè)量角度，從而達(dá)到智能調(diào)整觀測(cè)的作用。結(jié)合攝像頭平行記錄所測(cè)環(huán)境，利用實(shí)時(shí)拍攝的照片判別耀斑、浪花等干擾，有效辨別異常數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
利用三通道的水面之上測(cè)量法，可通過(guò)公式推導(dǎo)出水體的遙感反射率，
rs= (w-sky)/s，
其中，w為離水輻亮度，sky為天空光輻亮度，為氣-水界面對(duì)天空光的反射系數(shù)，s為海面入射輻亮度。
本研究懸浮泥濃度采用過(guò)濾稱(chēng)重法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范海水分析部分的懸浮物濃度測(cè)量方法，即現(xiàn)場(chǎng)采集水樣并過(guò)濾，將濾膜帶回實(shí)驗(yàn)室采用質(zhì)量法進(jìn)行測(cè)量。
2 數(shù)據(jù)和方法
2.1 遙感數(shù)據(jù)
本研究采用高分一號(hào)影像數(shù)據(jù)，其空間分辨率高，遙感視場(chǎng)廣闊，并且通過(guò)多個(gè)相機(jī)的組合，可達(dá)到大面積觀測(cè)的目的等，具體有效載荷參數(shù)如表1所示。采用的是2019年10月2號(hào)的PMS1數(shù)據(jù)（影像號(hào)：GF1_PMS1_E113.7_N22.2_20191002_L1A0004280161和GF1_PMS1_E113. 8_ N22.4_20191002_L1A000428），兩景影像云量稀少，成像清晰，易于進(jìn)行懸浮泥沙濃度的遙感反演。
表1 高分一號(hào)有效載荷參數(shù)
2.2 遙感專(zhuān)題圖的制作
生成遙感專(zhuān)題圖的技術(shù)路線如圖3所示。主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：輻射定標(biāo)、大氣校正、選擇運(yùn)算模型、波段運(yùn)算、分組繪制類(lèi)別、條帶渲染、添加出圖元素、設(shè)置出圖分辨率進(jìn)行輸出等過(guò)程，其中前6步在envi5.3進(jìn)行處理，最后兩步在arcgis9.3中進(jìn)行處理。其中輻射定標(biāo)利用GF-1的ENVI插件自動(dòng)完成；大氣校正采用ENVI自帶Flaash大氣校正模塊進(jìn)行，設(shè)置相關(guān)大氣參數(shù)，遙感數(shù)據(jù)的參數(shù)；在ENVI中利用建立的懸浮泥沙的遙感反演模型，采用波段運(yùn)算方法的懸浮泥沙的遙感分布圖，根據(jù)懸浮泥沙濃度的實(shí)際情況，選擇合適分組標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遙感分布圖進(jìn)行密度分割，并選擇合適的條帶進(jìn)行渲染；最后將遙感圖導(dǎo)入到arcgis中，添加經(jīng)緯度、比例尺、指北針等制圖元素，選擇合適的分辨率輸出遙感專(zhuān)題圖。
圖3 遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線
3 結(jié)果與分析
3.1 光譜數(shù)據(jù)
圖4可見(jiàn)，320 nm至580 nm范圍，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率呈線性增長(zhǎng)，形成左側(cè)反射肩，580 nm左右達(dá)到最大值；580 nm至700 nm，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率緩慢下降，形成一個(gè)反射臺(tái)；700 nm至720 nm，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率快速下降，形成右側(cè)反射肩；720 nm以后，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率呈緩慢下降趨勢(shì)，除個(gè)別站位外，遙感反射率的值整體較低。2肩1平臺(tái)的光譜特征與前人對(duì)珠江口海域光譜特征的研究結(jié)果非常吻合[4]。本研究中810 nm附近懸浮泥沙形成的第二反射峰不明顯，這可能是因?yàn)楸敬纬龊Ｕ{(diào)查實(shí)驗(yàn)是在冬季進(jìn)行，所有站點(diǎn)的懸浮泥沙濃度都偏低。
圖4 研究區(qū)域海水光譜
3.2 懸浮泥沙遙感反演模型
遙感反演模型的建立是遙感反演懸浮泥沙濃度中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在分析水體光譜特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合高分一號(hào)衛(wèi)星傳感器的波段設(shè)置和各個(gè)波段的響應(yīng)函數(shù)，利用實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)模擬傳感器各個(gè)波段的光譜，從中選取對(duì)泥沙濃度響應(yīng)敏感的波段或波段組合，建立波段或波段組合與水體懸浮泥沙濃度之間的統(tǒng)計(jì)回歸遙感反演模型。珠江口冬季航次有27個(gè)站位的數(shù)據(jù)，為保證模型的可靠性，其中3/4的數(shù)據(jù)用來(lái)建模，剩余數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。最后對(duì)建立的所有模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取穩(wěn)定性好、精度高的模型應(yīng)用于相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，遙感反演研究區(qū)域懸浮泥沙濃度的分布，生成單軌的懸浮泥沙分布遙感圖像產(chǎn)品。表2是高分1號(hào)4個(gè)波段與懸浮泥沙濃度的確定系數(shù)，可以看出隨著波段波長(zhǎng)的增加確定系數(shù)呈增大的趨勢(shì)，以第4波段（中心波長(zhǎng)：830 nm）與懸浮泥沙的確定系數(shù)最好，線性模型的確定系數(shù)達(dá)到0.58。通過(guò)不同波段的多種組合，可以減少一些環(huán)境因素的影響，提高反演精度，使結(jié)果更加合理，單個(gè)波段的反射率難以全面反映不同懸浮泥沙濃度的光譜信息[11]，因此，以B4為基礎(chǔ)，考察了B4與其他波段組合模型的反演精度。主要波段組合及采用的模型如表3所示，可以看到波段組合從一定程度上可以提高模型的擬合效果，其中以4波段模型的效果最好，確定系數(shù)2可以達(dá)到0.74。
表2 珠江口單波段遙感反演模型的確定系數(shù)
表3 珠江口懸浮泥沙遙感反演模型匯總
鑒于4波段的線性模型和二次模型的相關(guān)性相關(guān)不明顯，本研究選擇4波段的線性模型作為珠江口海域的懸浮泥沙濃度的遙感反演模型，圖5為本模型懸浮濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感反演數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。驗(yàn)證數(shù)據(jù)的選取按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布情況，從小到大按均勻的間隔選取，本實(shí)驗(yàn)共25個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇其中的6個(gè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可以看出驗(yàn)證數(shù)據(jù)比較均勻的分布在擬合線的兩側(cè)。
圖5 反演模型驗(yàn)證散點(diǎn)
3.3 懸浮泥沙的空間分布
從圖6可以看到，懸浮泥沙濃度整體分布格局呈東北-西南走向的條帶狀分布，與珠江口海域西岸平行，向東南方向逐級(jí)降低[13]。受徑流、潮流、波浪、沿岸流和陸架環(huán)流等影響，珠江口海域泥沙運(yùn)移規(guī)律非常復(fù)雜，近岸區(qū)域泥沙主要向南和西南運(yùn)移，這主要是珠江沖淡水受科氏力影響[14]，從而導(dǎo)致澳門(mén)與珠?？诎陡浇纬珊Ｓ蚋邼舛葢腋∧嗌撤植紟АＴ谥榻瓋?nèi)東人工島西側(cè)有一條明顯的低懸浮泥沙濃度窄帶，這塊區(qū)域分布著珠江的主航道-伶仃西航道，航道平均水深在10 m以上，懸浮泥沙受再懸浮的影響較小，因此，懸浮泥沙平均質(zhì)量濃度在12 mg/L以下。從分布圖可以看到盡管東西兩個(gè)人工島相距6.2 km，其間采用沉管，但還是可以看到，大橋兩側(cè)懸浮泥沙的空間分布仍然存在一定差異。珠江河口懸浮泥沙顆粒較細(xì)，風(fēng)致水體表層與次表層的湍流混合可引發(fā)懸浮泥沙垂向輸運(yùn)，從而增大表層懸浮泥沙的濃度[15]。港珠澳大橋一共224個(gè)橋墩，橋塔7座，東西人工島各長(zhǎng)約625 m，珠江河口懸浮泥沙顆粒較細(xì)，容易受到大橋阻滯作用的影響，造成大橋上游（北側(cè)）和下游（南側(cè)）懸浮泥沙的空間分布有較大差異。
圖6 2019年10月2日大橋附近懸浮泥沙的分布(GF1-PMS)
為分析大橋?qū)腋∧嗌车淖饔?，沿河流的徑向設(shè)置了4個(gè)斷面，如圖7所示。其中最左側(cè)的第1斷面位于珠江東岸的高濃度懸浮泥沙區(qū)域，由于受大橋阻滯作用的影響，上游海域懸浮泥沙的自組織能力增強(qiáng)，懸浮泥沙的質(zhì)量濃度在23 ~ 26 mg/L區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)，而在大橋附近懸浮泥沙的質(zhì)量濃度從25 mg/L跳變到18 mg/L，差值為7 mg/L；第2斷面位于珠江青州航道海域，青州航道橋是港珠澳大橋項(xiàng)目中跨度最大的通航孔橋，跨度為458 m，而橋墩之間的跨度為110 m，相比較橋墩對(duì)懸浮泥沙空間分布的影響，青州通航孔橋的影響要小得多，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度變化不大；第3斷面位于珠江的主航道-伶仃西航道，可以看到懸浮泥沙的分布基本沒(méi)有受到大橋影響，懸浮泥沙的質(zhì)量濃度在11 mg/L左右波動(dòng)；第4斷面位于港珠澳大橋東人島附近，東人島東西寬度約625 m，對(duì)懸浮泥沙的空間分布有較大影響，大橋附近懸浮泥沙的濃度從15 mg/L跳變到12 mg/L，差值為3 mg/L，大橋上游 1 000 m與下游1 000 m的懸浮泥沙濃度的差值約為8 mg/L。
4 結(jié)論
本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)、懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)和GF-1號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究了港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊懀饕Y(jié)論如下：
港珠澳大橋的存在從一定程度上阻滯了珠江口海域懸浮泥沙徑向的輸運(yùn)，從而造成大橋兩側(cè)懸浮泥沙的空間分布有比較明顯的差異。在珠江東部懸浮泥沙高濃度區(qū)和東人工島附近，港珠澳大橋?qū)腋∧嗌车目臻g分布影響比較明顯，存在大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度跳變的現(xiàn)象，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度最大的差值為7 mg/L,而珠江的主航道和青州航道海域，港珠澳大橋?qū)腋∧嗌晨臻g分布的影響較小。
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Influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the Distribution of Suspended Sediment in the Pearl River Estuary
LIU Da-zhao1,2, LI Zhuo2, CHEN Zi-hao2,CHEN Yong-cun3
（1.,//2.,,524088,; 3.,,100195,）
To study the influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.Based on the investigation data of the Pearl River Estuary in winter 2019 and the remote sensing data of GF-1 satellite, the remote sensing inversion model of the suspended sediment in the Pearl River estuary is established, and the influence of the bridge on the spatial distribution of the suspended sediment is analyzed.Among the four bands of GF-1 satellite, the determination coefficient of band 4 and suspended sediment concentration is the highest, the determination coefficient of the linear model is 0.58, and the combination model of 4 bands is the best, the determination coefficient can be 0.74; the bridge has an obvious blocking effect on the transport of suspended sediment, and the highest difference of suspended sediment concentration on both sides of the bridge is 7 mg/L.The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge has some influence on the spatial distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.
Pearl River Estuary;GF-1;suspended ediment;remote sensing
TP79
A
1673-9159（2020）06-0089-07
10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.011
劉大召，李卓，陳仔豪，等. 基于高分1號(hào)遙感數(shù)據(jù)港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊慬J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（6）：89-95.
2020-06-22
南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江）資助項(xiàng)目（ZJW-2019-08）; 廣東省級(jí)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)（海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，GDNRC[2020]050）
劉大召（1972－），男，博士，副教授，研究方向?yàn)楹Ｑ笏b感。Email:llddz@163.com
（責(zé)任編輯：劉嶺）
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劉大召，李 卓，陳仔豪，程永存
基于高分1號(hào)遙感數(shù)據(jù)港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊?/p>
劉大召1,2，李 卓2，陳仔豪2，程永存3
（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江）南海資源大數(shù)據(jù)中心//2. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；3. 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195）
【】研究港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊憽＠?019年冬季珠江口海域的出海調(diào)查數(shù)據(jù)和高分1號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模型，分析大橋?qū)腋∧嗌晨臻g分布的影響。高分1號(hào)衛(wèi)星的4個(gè)波段中，第4波段與懸浮泥沙濃度的確定系數(shù)最高，線性模型的確定系數(shù)達(dá)到0.58，而4波段組合模型的效果最好，確定系數(shù)可以達(dá)到0.74；大橋?qū)腋∧嗌车妮斶\(yùn)有比較明顯阻滯作用，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度的差值最高達(dá)7 mg/L。港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌车目臻g分布有比較明顯的影響。
珠江口；高分1號(hào)；懸浮泥沙；遙感
懸浮泥沙輸運(yùn)是河口海域自然調(diào)整中的關(guān)鍵問(wèn)題，入海泥沙通量直接對(duì)河口海岸地區(qū)灘地圍墾、漁業(yè)生產(chǎn)、水資源、河口海岸工程和航道工程等產(chǎn)生影響；同時(shí)，細(xì)顆粒懸浮泥沙又是污染物的重要載體，泥沙輸運(yùn)對(duì)污染物的遷移和循環(huán)也起重要作用。因此，對(duì)河口區(qū)域懸浮泥沙的分布和輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行認(rèn)真而細(xì)致的理論研究，充分揭示其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅可以為河口區(qū)潛在的地貌演變等提供分析依據(jù)，而且對(duì)保護(hù)河口海域的海洋生態(tài)環(huán)境也有著深刻而重要的意義。
遙感是進(jìn)行懸浮泥沙監(jiān)測(cè)的一種重要手段，較多學(xué)者選擇珠江口作為研究區(qū)域，利用遙感手段對(duì)懸浮泥沙空間分布進(jìn)行分析，一部分學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)建立珠江口海域懸浮泥沙的遙感反演模式[1-6]，也有學(xué)者利用長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)分析珠江口海域懸浮泥沙的時(shí)空分布變化[7-10]。
國(guó)內(nèi)已有學(xué)者研究了杭州灣跨海大橋?qū)贾轂澈Ｓ驊腋∧嗌车目臻g分布的影響，研究結(jié)果表明，杭州灣大橋兩側(cè)的懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)出一定的梯度特征，表現(xiàn)為大橋上游濃度高，下游濃度相對(duì)較低[11-12]。港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門(mén)的超大型跨海通道，橫跨珠江口伶仃洋海域，全長(zhǎng)55 km，是世界最長(zhǎng)的跨海大橋，于2018年10月建成投入使用，目前還沒(méi)基于遙感數(shù)據(jù)的大橋?qū)?shí)際工程海域影響的研究報(bào)道。本研究利用2019年冬季港珠澳大橋海域的海上調(diào)查數(shù)據(jù)和高分一號(hào)遙感數(shù)據(jù)研究大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌晨臻g分布的影響，掌握大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌晨臻g分布影響的范圍及程度，為深入研究大橋?qū)Ｑ蟓h(huán)境的影響提供基礎(chǔ)。
1 研究區(qū)域及實(shí)驗(yàn)方案
珠江口是一個(gè)復(fù)合型的三角洲，由西、北江三角洲，東江角洲及獨(dú)流入海的潭江等小河組合而成，面積約為2.68萬(wàn)km2。在長(zhǎng)期徑流、潮流與徑流挾沙的作用下，河汊密如蛛網(wǎng)，水鄉(xiāng)四通八達(dá)，形成“三江匯集，八口分流”的珠江尾閭的復(fù)雜形狀[6]。珠江河口區(qū)是一個(gè)動(dòng)力過(guò)程極其復(fù)雜的系統(tǒng)。在徑流、潮汐、季風(fēng)、沿岸流和南海暖流等綜合作用下，形成珠江徑流、珠江口沖淡水（由外海水與上游淡水在河口地區(qū)相互摻混后形成）和外海水團(tuán)3種不同性質(zhì)水團(tuán)。該地區(qū)人口密布、經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)影響通過(guò)河口地區(qū)向近海傳遞，引起諸如富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮、生物多樣性減少、海岸侵蝕、海水入侵、入海物質(zhì)變化規(guī)律失調(diào)等一系列嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。對(duì)珠江口懸浮泥沙輸運(yùn)規(guī)律研究是認(rèn)識(shí)河口地區(qū)環(huán)境演變規(guī)律的基礎(chǔ)，并將為珠江口綜合整治提供科學(xué)依據(jù)。
本研究區(qū)域?yàn)楦壑榘拇髽蚋浇Ｓ?，相關(guān)站位設(shè)置如圖1所示。2020年1月15－16日組織了針對(duì)港珠澳大橋附近海域的海上調(diào)查航次，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：CTD測(cè)量水溫、鹽度、水深；光譜儀對(duì)海水表觀光學(xué)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；水質(zhì)儀測(cè)量水深、水溫、鹽度、溶解氧、壓強(qiáng)、PH、黃色物質(zhì)吸收系數(shù)、懸浮物濃度、葉綠素濃度；后向散射儀測(cè)量海水的后向散射系數(shù)；實(shí)驗(yàn)室分析葉綠素-a濃度、懸浮泥沙濃度。
圖1 研究區(qū)域及站位設(shè)置
在本研究中，水體遙感反射率的測(cè)量采用的是水面以上測(cè)量法，儀器是 KOT_CruiseAOP走航式水體表觀光譜觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)物見(jiàn)圖2。
圖2 走航式水體表觀光譜觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)物
KOT_CruiseAOP有3個(gè)通道，分別測(cè)量天空光漫反射輻亮度，海面入射的輻亮度和水體的離水輻亮度，3個(gè)通道同步進(jìn)行測(cè)量。KOT_CruiseAOP系統(tǒng)中的觀測(cè)幾何智能調(diào)整平臺(tái)，采用了自穩(wěn)設(shè)計(jì)、能夠智能調(diào)整觀測(cè)幾何，利用GPS 的位置和時(shí)間信息得到該位置的天頂角，結(jié)合姿態(tài)傳感器和平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器進(jìn)行全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)精確控制傳感器所需的測(cè)量角度，從而達(dá)到智能調(diào)整觀測(cè)的作用。結(jié)合攝像頭平行記錄所測(cè)環(huán)境，利用實(shí)時(shí)拍攝的照片判別耀斑、浪花等干擾，有效辨別異常數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
利用三通道的水面之上測(cè)量法，可通過(guò)公式推導(dǎo)出水體的遙感反射率，
rs= (w-sky)/s，
其中，w為離水輻亮度，sky為天空光輻亮度，為氣-水界面對(duì)天空光的反射系數(shù)，s為海面入射輻亮度。
本研究懸浮泥濃度采用過(guò)濾稱(chēng)重法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范海水分析部分的懸浮物濃度測(cè)量方法，即現(xiàn)場(chǎng)采集水樣并過(guò)濾，將濾膜帶回實(shí)驗(yàn)室采用質(zhì)量法進(jìn)行測(cè)量。
2 數(shù)據(jù)和方法
2.1 遙感數(shù)據(jù)
本研究采用高分一號(hào)影像數(shù)據(jù)，其空間分辨率高，遙感視場(chǎng)廣闊，并且通過(guò)多個(gè)相機(jī)的組合，可達(dá)到大面積觀測(cè)的目的等，具體有效載荷參數(shù)如表1所示。采用的是2019年10月2號(hào)的PMS1數(shù)據(jù)（影像號(hào)：GF1_PMS1_E113.7_N22.2_20191002_L1A0004280161和GF1_PMS1_E113. 8_ N22.4_20191002_L1A000428），兩景影像云量稀少，成像清晰，易于進(jìn)行懸浮泥沙濃度的遙感反演。
表1 高分一號(hào)有效載荷參數(shù)
2.2 遙感專(zhuān)題圖的制作
生成遙感專(zhuān)題圖的技術(shù)路線如圖3所示。主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：輻射定標(biāo)、大氣校正、選擇運(yùn)算模型、波段運(yùn)算、分組繪制類(lèi)別、條帶渲染、添加出圖元素、設(shè)置出圖分辨率進(jìn)行輸出等過(guò)程，其中前6步在envi5.3進(jìn)行處理，最后兩步在arcgis9.3中進(jìn)行處理。其中輻射定標(biāo)利用GF-1的ENVI插件自動(dòng)完成；大氣校正采用ENVI自帶Flaash大氣校正模塊進(jìn)行，設(shè)置相關(guān)大氣參數(shù)，遙感數(shù)據(jù)的參數(shù)；在ENVI中利用建立的懸浮泥沙的遙感反演模型，采用波段運(yùn)算方法的懸浮泥沙的遙感分布圖，根據(jù)懸浮泥沙濃度的實(shí)際情況，選擇合適分組標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遙感分布圖進(jìn)行密度分割，并選擇合適的條帶進(jìn)行渲染；最后將遙感圖導(dǎo)入到arcgis中，添加經(jīng)緯度、比例尺、指北針等制圖元素，選擇合適的分辨率輸出遙感專(zhuān)題圖。
圖3 遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線
3 結(jié)果與分析
3.1 光譜數(shù)據(jù)
圖4可見(jiàn)，320 nm至580 nm范圍，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率呈線性增長(zhǎng)，形成左側(cè)反射肩，580 nm左右達(dá)到最大值；580 nm至700 nm，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率緩慢下降，形成一個(gè)反射臺(tái)；700 nm至720 nm，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率快速下降，形成右側(cè)反射肩；720 nm以后，隨著波長(zhǎng)增加，遙感反射率呈緩慢下降趨勢(shì)，除個(gè)別站位外，遙感反射率的值整體較低。2肩1平臺(tái)的光譜特征與前人對(duì)珠江口海域光譜特征的研究結(jié)果非常吻合[4]。本研究中810 nm附近懸浮泥沙形成的第二反射峰不明顯，這可能是因?yàn)楸敬纬龊Ｕ{(diào)查實(shí)驗(yàn)是在冬季進(jìn)行，所有站點(diǎn)的懸浮泥沙濃度都偏低。
圖4 研究區(qū)域海水光譜
3.2 懸浮泥沙遙感反演模型
遙感反演模型的建立是遙感反演懸浮泥沙濃度中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在分析水體光譜特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合高分一號(hào)衛(wèi)星傳感器的波段設(shè)置和各個(gè)波段的響應(yīng)函數(shù)，利用實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)模擬傳感器各個(gè)波段的光譜，從中選取對(duì)泥沙濃度響應(yīng)敏感的波段或波段組合，建立波段或波段組合與水體懸浮泥沙濃度之間的統(tǒng)計(jì)回歸遙感反演模型。珠江口冬季航次有27個(gè)站位的數(shù)據(jù)，為保證模型的可靠性，其中3/4的數(shù)據(jù)用來(lái)建模，剩余數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。最后對(duì)建立的所有模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取穩(wěn)定性好、精度高的模型應(yīng)用于相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，遙感反演研究區(qū)域懸浮泥沙濃度的分布，生成單軌的懸浮泥沙分布遙感圖像產(chǎn)品。表2是高分1號(hào)4個(gè)波段與懸浮泥沙濃度的確定系數(shù)，可以看出隨著波段波長(zhǎng)的增加確定系數(shù)呈增大的趨勢(shì)，以第4波段（中心波長(zhǎng)：830 nm）與懸浮泥沙的確定系數(shù)最好，線性模型的確定系數(shù)達(dá)到0.58。通過(guò)不同波段的多種組合，可以減少一些環(huán)境因素的影響，提高反演精度，使結(jié)果更加合理，單個(gè)波段的反射率難以全面反映不同懸浮泥沙濃度的光譜信息[11]，因此，以B4為基礎(chǔ)，考察了B4與其他波段組合模型的反演精度。主要波段組合及采用的模型如表3所示，可以看到波段組合從一定程度上可以提高模型的擬合效果，其中以4波段模型的效果最好，確定系數(shù)2可以達(dá)到0.74。
表2 珠江口單波段遙感反演模型的確定系數(shù)
表3 珠江口懸浮泥沙遙感反演模型匯總
鑒于4波段的線性模型和二次模型的相關(guān)性相關(guān)不明顯，本研究選擇4波段的線性模型作為珠江口海域的懸浮泥沙濃度的遙感反演模型，圖5為本模型懸浮濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感反演數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。驗(yàn)證數(shù)據(jù)的選取按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布情況，從小到大按均勻的間隔選取，本實(shí)驗(yàn)共25個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇其中的6個(gè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可以看出驗(yàn)證數(shù)據(jù)比較均勻的分布在擬合線的兩側(cè)。
圖5 反演模型驗(yàn)證散點(diǎn)
3.3 懸浮泥沙的空間分布
從圖6可以看到，懸浮泥沙濃度整體分布格局呈東北-西南走向的條帶狀分布，與珠江口海域西岸平行，向東南方向逐級(jí)降低[13]。受徑流、潮流、波浪、沿岸流和陸架環(huán)流等影響，珠江口海域泥沙運(yùn)移規(guī)律非常復(fù)雜，近岸區(qū)域泥沙主要向南和西南運(yùn)移，這主要是珠江沖淡水受科氏力影響[14]，從而導(dǎo)致澳門(mén)與珠?？诎陡浇纬珊Ｓ蚋邼舛葢腋∧嗌撤植紟АＴ谥榻瓋?nèi)東人工島西側(cè)有一條明顯的低懸浮泥沙濃度窄帶，這塊區(qū)域分布著珠江的主航道-伶仃西航道，航道平均水深在10 m以上，懸浮泥沙受再懸浮的影響較小，因此，懸浮泥沙平均質(zhì)量濃度在12 mg/L以下。從分布圖可以看到盡管東西兩個(gè)人工島相距6.2 km，其間采用沉管，但還是可以看到，大橋兩側(cè)懸浮泥沙的空間分布仍然存在一定差異。珠江河口懸浮泥沙顆粒較細(xì)，風(fēng)致水體表層與次表層的湍流混合可引發(fā)懸浮泥沙垂向輸運(yùn)，從而增大表層懸浮泥沙的濃度[15]。港珠澳大橋一共224個(gè)橋墩，橋塔7座，東西人工島各長(zhǎng)約625 m，珠江河口懸浮泥沙顆粒較細(xì)，容易受到大橋阻滯作用的影響，造成大橋上游（北側(cè)）和下游（南側(cè)）懸浮泥沙的空間分布有較大差異。
圖6 2019年10月2日大橋附近懸浮泥沙的分布(GF1-PMS)
為分析大橋?qū)腋∧嗌车淖饔?，沿河流的徑向設(shè)置了4個(gè)斷面，如圖7所示。其中最左側(cè)的第1斷面位于珠江東岸的高濃度懸浮泥沙區(qū)域，由于受大橋阻滯作用的影響，上游海域懸浮泥沙的自組織能力增強(qiáng)，懸浮泥沙的質(zhì)量濃度在23 ~ 26 mg/L區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)，而在大橋附近懸浮泥沙的質(zhì)量濃度從25 mg/L跳變到18 mg/L，差值為7 mg/L；第2斷面位于珠江青州航道海域，青州航道橋是港珠澳大橋項(xiàng)目中跨度最大的通航孔橋，跨度為458 m，而橋墩之間的跨度為110 m，相比較橋墩對(duì)懸浮泥沙空間分布的影響，青州通航孔橋的影響要小得多，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度變化不大；第3斷面位于珠江的主航道-伶仃西航道，可以看到懸浮泥沙的分布基本沒(méi)有受到大橋影響，懸浮泥沙的質(zhì)量濃度在11 mg/L左右波動(dòng)；第4斷面位于港珠澳大橋東人島附近，東人島東西寬度約625 m，對(duì)懸浮泥沙的空間分布有較大影響，大橋附近懸浮泥沙的濃度從15 mg/L跳變到12 mg/L，差值為3 mg/L，大橋上游 1 000 m與下游1 000 m的懸浮泥沙濃度的差值約為8 mg/L。
4 結(jié)論
本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)、懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)和GF-1號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究了港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊懀饕Y(jié)論如下：
港珠澳大橋的存在從一定程度上阻滯了珠江口海域懸浮泥沙徑向的輸運(yùn)，從而造成大橋兩側(cè)懸浮泥沙的空間分布有比較明顯的差異。在珠江東部懸浮泥沙高濃度區(qū)和東人工島附近，港珠澳大橋?qū)腋∧嗌车目臻g分布影響比較明顯，存在大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度跳變的現(xiàn)象，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度最大的差值為7 mg/L,而珠江的主航道和青州航道海域，港珠澳大橋?qū)腋∧嗌晨臻g分布的影響較小。
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Influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the Distribution of Suspended Sediment in the Pearl River Estuary
LIU Da-zhao1,2, LI Zhuo2, CHEN Zi-hao2,CHEN Yong-cun3
（1.,//2.,,524088,; 3.,,100195,）
To study the influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.Based on the investigation data of the Pearl River Estuary in winter 2019 and the remote sensing data of GF-1 satellite, the remote sensing inversion model of the suspended sediment in the Pearl River estuary is established, and the influence of the bridge on the spatial distribution of the suspended sediment is analyzed.Among the four bands of GF-1 satellite, the determination coefficient of band 4 and suspended sediment concentration is the highest, the determination coefficient of the linear model is 0.58, and the combination model of 4 bands is the best, the determination coefficient can be 0.74; the bridge has an obvious blocking effect on the transport of suspended sediment, and the highest difference of suspended sediment concentration on both sides of the bridge is 7 mg/L.The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge has some influence on the spatial distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.
Pearl River Estuary;GF-1;suspended ediment;remote sensing
TP79
A
1673-9159（2020）06-0089-07
10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.011
劉大召，李卓，陳仔豪，等. 基于高分1號(hào)遙感數(shù)據(jù)港珠澳大橋?qū)χ榻诤Ｓ驊腋∧嗌撤植嫉挠绊慬J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（6）：89-95.
2020-06-22
南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江）資助項(xiàng)目（ZJW-2019-08）; 廣東省級(jí)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)（海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，GDNRC[2020]050）
劉大召（1972－），男，博士，副教授，研究方向?yàn)楹Ｑ笏b感。Email:llddz@163.com
（責(zé)任編輯：劉嶺）
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