王 林,王 祥,王新新,孟慶輝,馬玉娟,陳艷攏

基于Sentinel-3OLCI影像的秦皇島海域懸浮物濃度遙感反演

王 林*,王 祥,王新新,孟慶輝,馬玉娟,陳艷攏

(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023)

基于2013～2021年期間秦皇島海域遙感反射率、懸浮物濃度及葉綠素a濃度等實測數(shù)據(jù),開展了該海域Sentinel-3 OLCI影像的懸浮物濃度遙感反演模型研究.結(jié)果表明,文獻中常用的典型經(jīng)驗模型形式均不適用于秦皇島海域,以490、620及708.75nm為懸浮物反演的敏感波段,以560nm為參比波段,將各敏感波段與參比波段的比值作為自變量,最終建立了適用于秦皇島海域的Sentinel-3 OLCI四波段懸浮物濃度遙感反演模型(2=0.69,MAPE=24.79%,RMSE=2.82mg/L);并采用2021年7月24日Sentinel-3 OLCI影像進行懸浮物濃度遙感反演產(chǎn)品的真實性檢驗,得到反演值與實測值的平均相對誤差為13.24%.將上述四波段模型用于2021年1～12月秦皇島海域的Sentinel-3 OLCI影像,反演得到月均懸浮物濃度,發(fā)現(xiàn)秦皇島海域懸浮物濃度整體呈現(xiàn)沿岸海域高、離岸海域低,秋冬季高、春夏季低的時空變化特征;且2018～2021年秦皇島海域懸浮物濃度的年均值逐年遞減,水體越來越澄清.

懸浮物；遙感反演；Sentinel-3OLCI影像；秦皇島海域；污染特征

懸浮物是近岸海域水質(zhì)監(jiān)測與評價的重要指標,是水體中營養(yǎng)鹽、重金屬等污染物的重要載體,對水體透明度、水下光場及初級生產(chǎn)力具有重要影響[1],同時懸浮物對河道、河口及海岸帶沖淤變化過程有重要作用,因此懸浮物監(jiān)測對海洋生態(tài)環(huán)境管理、海岸工程及港口建設(shè)等均具有重要意義[2].秦皇島市地處環(huán)渤海地區(qū)的中心部位、華北與東北兩大經(jīng)濟區(qū)的交接地帶,自2018年渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)以來,秦皇島近岸海域的生態(tài)環(huán)境已得到明顯改善,為鞏固治理成果,對其生態(tài)環(huán)境的持續(xù)高質(zhì)量監(jiān)測成為首要任務(wù).近年來,遙感技術(shù)已成為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要手段,監(jiān)測產(chǎn)品越來越豐富且精度逐步提升[3-6].

懸浮物濃度遙感監(jiān)測已開展多年,技術(shù)相對較為成熟,但因不同海域水體光學特性的差異,反演算法存在明顯的區(qū)域性特征.目前,懸浮物濃度的遙感反演方法主要有經(jīng)驗方法、半分析方法及分析方法.經(jīng)驗方法以大量的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立懸浮物濃度和遙感反射率之間的統(tǒng)計關(guān)系,進而實現(xiàn)對懸浮物濃度的遙感反演,是一種應(yīng)用最為廣泛的反演方法.經(jīng)驗方法又包含單波段算法、波段比值算法及多元回歸算法等.對于無機組分含量較高的近岸水體,紅光波段反射光譜的高低與懸浮物濃度存在較好的相關(guān)性,由此單波段算法[7-10]得到一定的推廣應(yīng)用.但對于無機組分比例不占絕對優(yōu)勢或水體顆粒物構(gòu)成復雜的水體,單波段算法的適用性通常較差,波段比值算法或多元回歸算法[11-14]則能在一定程度上剔除或削弱粒徑和光照對懸浮物濃度反演算法的影響,也可減少大氣校正等衛(wèi)星影像預處理過程對反演結(jié)果的影響,有效提升了反演精度.半分析方法[15-17]是基于水體固有光學量與表觀光學量之間的輻射傳輸原理,通過建立固有光學量中后向散射系數(shù)與懸浮物濃度的統(tǒng)計關(guān)系,進而達到反演懸浮物濃度的目的,該方法具有一定的物理依據(jù),反演精度較高,但需要大量且多種實測光學數(shù)據(jù)作支撐,很難廣泛應(yīng)用.分析方法采用輻射傳輸方程來描述水體光譜與其組分含量之間的關(guān)系,通過求解輻射傳輸方程來獲取各組分濃度,該方法中所用參數(shù)均具有明確的物理含義,不受時間和地域限制,具有廣泛的適用性,但自然水體成分千差萬別,并且方程內(nèi)部的輻射傳輸過程也非常復雜,這使得分析方法實際應(yīng)用受到極大的限制[18].除上述方法外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、CatBoost及隨機森林等方法[19-20]也逐漸應(yīng)用于懸浮物濃度的遙感反演研究.總體而言,經(jīng)驗方法相對簡單易行,就區(qū)域性研究而言仍是目前應(yīng)用最為廣泛的懸浮物濃度遙感反演方法.

哨兵3號A、B星于2016、2018年相繼成功發(fā)射,其搭載的海陸彩色成像儀(OLCI)包含21個光譜波段,中心波長在400～1020nm之間,空間分辨率為300m,全球覆蓋時間為1～2d,具有全球多光譜中等分辨率海洋/陸地觀測能力,成為近階段國際上十分重要的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)源.目前,利用Sentinel-3 OLCI影像針對我國福建近海、杭州灣及南黃海等開展生態(tài)環(huán)境要素的反演研究已有文獻報道[1,20-21],但未見針對秦皇島海域的相關(guān)成果.本文以秦皇島海域為研究對象,利用2013～2021年遙感反射率和懸浮物濃度等實測數(shù)據(jù),建立了基于Sentinel-3 OLCI影像的秦皇島海域懸浮物濃度遙感反演模型,并將模型應(yīng)用于2018～2021年遙感影像,分析了該海域懸浮物濃度的時空分布特征.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與站位分布

研究區(qū)域選擇在秦皇島海域,2013～2021年開展了多航次海洋光學與水色要素等參數(shù)的外業(yè)調(diào)查實驗,遙感反射率與懸浮物濃度同步觀測有效數(shù)據(jù)共計236站次,并將2021年7月24日9個站位的懸浮物濃度實測數(shù)據(jù)用于遙感反演產(chǎn)品的真實性檢驗,具體站位分布如圖1所示.

圖1 秦皇島海域調(diào)查站位

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

1.2.1 光譜數(shù)據(jù) 現(xiàn)場光譜測量采用水面以上測量法,實驗儀器為美國ASD公司生產(chǎn)的便攜式地物光譜儀,具體測量步驟和遙感反射率的計算可參考海洋調(diào)查規(guī)范[22].

獲取現(xiàn)場水體的遙感反射率后,根據(jù)Sentinel-3 OLCI光譜響應(yīng)函數(shù)進行實測rs()的波段等效處理,具體公式如下:

式中:rs(Bandx)(sr-1)為衛(wèi)星傳感器Bandx波段的等效遙感反射率;rs(sr-1)為ASD光譜儀現(xiàn)場獲取遙感反射率;s(μW/cm3)為日地平均距離處大氣層外太陽輻照度;x(無量綱)為Bandx波段的光譜響應(yīng)函數(shù).

1.2.2 水色要素濃度數(shù)據(jù) 懸浮物濃度測量采用稱重法,玻璃纖維濾膜過濾海水樣品后,在60℃烘干24h除去水分,稱量懸浮物的重量,除以樣品過濾體積即得到懸浮物濃度.然后,將濾膜在450℃煅燒4h除去有機顆粒物后,稱重無機顆粒的質(zhì)量,除以樣品的體積即得到無機顆粒物濃度.懸浮物濃度減去無機顆粒物濃度即得到有機顆粒物濃度.

葉綠素a濃度測量采用熒光法,樣品測量使用美國Turner公司生產(chǎn)的TD700實驗室熒光儀,具體測量步驟與數(shù)據(jù)處理可參考海洋監(jiān)測規(guī)范[23].

海水樣品采集與光譜測量同步進行.

1.2.3 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù) 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)通過歐洲航天局官方網(wǎng)站(https://coda.eumetsat.int/#/home)下載得到.本研究采用2021年7月24日Sentinel-3 OLCI L2 WFR影像進行懸浮物濃度遙感反演產(chǎn)品的真實性檢驗,并下載2018～2021年1～12月秦皇島近岸海域每日Sentinel-3 OLCI L2 WFR影像進行時空分布特征研究.WFR數(shù)據(jù)為OLCI專門針對水體探測提供的高分辨率2級產(chǎn)品,已完成輻射定標、空間重采樣、像素分類、C2RCC算法大氣校正等一系列處理.影像下載后應(yīng)用SNAP軟件進行均值處理,得到含有遙感反射率的影像數(shù)據(jù),并基于本研究建立的算法反演獲取秦皇島海域月均懸浮物濃度.

1.3 評價方法

為了篩選懸浮物濃度反演的敏感波段,評價各模型的優(yōu)劣及驗證遙感反演產(chǎn)品的真實性,最終確定懸浮物濃度的最佳反演模型,本研究采用的評價指標主要包括相關(guān)系數(shù)()、決定系數(shù)(2)、平均相對誤差(MAPE)和均方根誤差(RMSE),計算公式如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 水色要素與光譜特征分析

葉綠素a的濃度范圍為0.30～71.83μg/L,均值為(6.70±11.54)μg/L;懸浮物的濃度范圍為2.0～71.0mg/ L,均值為(8.9±7.3)mg/L;對部分樣品無機與有機組分的測量結(jié)果顯示,無機組分的濃度范圍為0.7～ 30.4mg/L,均值為(5.8±3.6)mg/L,有機組分的濃度范圍為0.3～45.2mg/L,均值為(3.3±6.4)mg/L;而有機與無機組分的比值范圍為0.04～3.77,均值為(0.52± 0.64).表明秦皇島海域水體中浮游藻類含量較高,而懸浮物濃度的整體水平不高,有機組分約為無機組分的一半,與杭州灣[1]等渾濁水體存在較大差別.

由于秦皇島海域水體中浮游藻類含量較高,反射光譜呈現(xiàn)較為顯著的富營養(yǎng)水體光譜特征,如圖2所示.遙感反射率特征光譜曲線具有明顯的雙峰特征,主峰位于綠光波段500～600nm,次峰位于紅光波段650～750nm,隨反射率增大反射峰的位置均存在“紅移現(xiàn)象”,而近紅外波段810nm處渾濁水體明顯存在的反射峰則非常微弱;藍光波段反射率較低,部分光譜曲線因葉綠素a的強吸收作用出現(xiàn)反射谷.與渾濁水體[1,12,24]相比,秦皇島海域水體的反射光譜值整體偏低,峰形也存在較大差別.

圖2 秦皇島近岸海域遙感反射率特征光譜曲線

SPM表示懸浮顆粒物濃度,mg/L;Chla表示葉綠素a濃度,μg/L;OPM表示有機顆粒物濃度,mg/L;IPM為無機顆粒物濃度,mg/L

此外,當懸浮物和葉綠素a濃度均較低時,水體的反射主要在藍綠光波段,光譜強度處于中低水平,反射峰平緩且有波動,其余波段的光譜強度均非常低,紅光波段無反射峰,表明水體澄清;隨懸浮物和葉綠素a濃度的不斷增加,各波段的光譜強度逐漸變大,綠光波段的反射峰更為顯著,水體趨于渾濁;當葉綠素a濃度接近10.00μg/L時,懸浮物濃度達到11.0mg/L,因高含量浮游藻類的強吸收作用導致藍綠光波段的光譜強度減弱,紅光波段出現(xiàn)反射谷與反射峰;隨葉綠素a濃度的進一步增加,浮游藻類含量達到赤潮基準,有機與無機組分的比值超過1,藍綠光波段的光譜強度呈不斷減弱趨勢,紅光和近紅外波段則因高含量顆粒物的強散射作用逐漸增強,雙峰特征變得更為明顯,水體渾濁呈紅褐色.

2.2 敏感波段篩選

將現(xiàn)場實測的遙感反射率轉(zhuǎn)化為傳感器波段的等效遙感反射率后,與懸浮物濃度進行線性擬合,結(jié)果如圖3所示.400～510nm波段兩者為負相關(guān)關(guān)系,從560nm開始轉(zhuǎn)化為正相關(guān)關(guān)系,分析原因在于秦皇島海域水體的光學特性受浮游藻類作用顯著,以藍光為主的短波波段遙感反射率的高低主要由浮游藻類葉綠素a的吸收作用控制,故懸浮物(浮游藻類占比相對較高)濃度越大,吸收作用越強,反射率則越低;以紅光為主的長波波段浮游藻類的吸收作用減弱,遙感反射率的高低由顆粒物的散射作用控制,故懸浮物濃度越大,散射作用越強,反射率則越高;而560nm綠光波段,遙感反射率受水色組分濃度變化的影響不明顯,相關(guān)系數(shù)最低,通常作為參比波段.這與膠州灣水體的相關(guān)研究結(jié)果類似[25],但對于光學特性受無機顆粒物作用明顯的水體,如黃河口水體等,通常可見光的全波段均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[2,24].因此,可將442.5,490,620,681.25,708.75及753.75nm等波段作為秦皇島近岸海域懸浮物濃度遙感反演的敏感波段.

圖3 Sentinel-3 OLCI主要波段遙感反射率與懸浮物濃度的相關(guān)系數(shù)

2.3 反演模型建立

首先,選擇文獻中懸浮物濃度遙感反演的經(jīng)典經(jīng)驗模型,包括單波段、波段比值、三波段、多元回歸及光譜吸收指數(shù)(SAI)等模型形式,進行秦皇島海域的適用性分析,結(jié)果如表1所示.除三波段模型各精度評價指標較佳外,其余模型均不適用于秦皇島海域,分析原因在于大多經(jīng)典的經(jīng)驗模型主要基于渾濁水體而建立,與秦皇島海域的水體類型差異較大,文獻中懸浮物的敏感波段并不適用于秦皇島海域.

表1 經(jīng)典經(jīng)驗模型應(yīng)用于秦皇島海域?qū)崪y數(shù)據(jù)的精度評價

注:、、為各模型的擬合系數(shù).

基于懸浮物敏感波段的篩選結(jié)果,并結(jié)合大氣校正對衛(wèi)星影像各波段精度的影響,本研究選擇490,620,681.25及708.75nm四個波段作為敏感波段,560nm作為參比波段,進行了秦皇島海域懸浮物濃度區(qū)域性遙感反演模型研究,M1～M16模型的精度評價結(jié)果如表2所示.懸浮物濃度線性坐標下模型2最高可達0.86,但MAPE卻普遍較高,最低為26.83%,而懸浮物濃度對數(shù)坐標下模型2最高僅為0.69,MAPE卻普遍較低,最低為24.79%,這是由于線性坐標下懸浮物部分高值點將模型2提升,但同時以增大模型MAPE為代價;M1、M2單波段模型精度均較差,三波段的經(jīng)典模型(M9、M10)替換研究海域懸浮物敏感波段后精度并無明顯改善.此外,由于秦皇島海域高浮游藻類含量的水體特征,波段比值成為秦皇島海域懸浮物濃度遙感反演的關(guān)鍵因子,對比發(fā)現(xiàn)隨引入模型中波段比值自變量數(shù)量的增加,模型精度逐步上升,但四波段與五波段模型精度相近,2最高0.86為M13、M16模型,MAPE最低24.79%為M12模型,RMSE最低2.70mg/L為M13、M16模型.綜合考慮隨模型中波段數(shù)量的增加,對Sentinel-3 OLCI各波段大氣校正后的精度要求越高,反演結(jié)果可能會存在更多的不確定因素,故分別選擇模型精度相對較高的M3、M6、M7、M8、M12及M16作為秦皇島海域懸浮物濃度遙感產(chǎn)品真實性檢驗的備選模型.

表2 秦皇島海域懸浮物濃度遙感反演模型的精度評價

2.4 產(chǎn)品真實性檢驗

表3 基于各備選模型反演的懸浮物濃度遙感產(chǎn)品與實測值的相對誤差統(tǒng)計

分析表明,檢驗數(shù)據(jù)中懸浮物濃度范圍為3.3～ 13.4mg/L,均值為(6.6±3.2)mg/L,基本覆蓋秦皇島海域懸浮物濃度的變化區(qū)間.將6種備選模型分別應(yīng)用于2021年7月24日的Sentinel-3 OLCI影像,實測懸浮物濃度與反演結(jié)果的誤差分析如表3所示.M12四波段模型反演的遙感產(chǎn)品準確度最佳,相對誤差最大值為31.31%,均值為13.24%,實測濃度與反演結(jié)果的對比如圖4所示;M8三波段模型次之,相對誤差最大值為53.16%,均值為19.43%;M3、M6波段比值模型、M7三波段模型及M16五波段模型反演的遙感產(chǎn)品準確度差,最大相對誤差均超過100%,均值均超過35%.因此,將M12四波段模型作為秦皇島海域懸浮物濃度Sentinel-3 OLCI影像遙感反演的最佳模型.

圖4 實測懸浮物濃度與反演結(jié)果的對比

2.5 時空分布特征分析

圖5 秦皇島海域月均懸浮物濃度(2021.1～2021.12)

將M12四波段模型應(yīng)用于2021年1～12月秦皇島海域Sentinel-3 OLCI影像,反演得到秦皇島海域月均懸浮物濃度,如圖5所示.秦皇島海域懸浮物濃度整體呈現(xiàn)沿岸海域高、離岸海域低的空間分布特征,冬季沿岸區(qū)域存在懸浮物高濃度的斑點條帶,可能與海冰有關(guān);且存在秋冬季高、春夏季低的時間變化規(guī)律,秋冬季懸浮物中、高濃度的海域面積明顯大于春夏季,低濃度的海域面積則相反.

1、2月,懸浮物濃度較高,水體渾濁;從3月開始,懸浮物濃度逐漸降低(個別月份略有波動),中高濃度海域面積不斷減小,秦皇島海域水體開始越來越澄清,到7月時懸浮物濃度均值最小,為5.3mg/L,其中濃度低于5.0mg/L的海域面積約占62.30%,5.0～ 10.0mg/L約占33.31%,而濃度高于10mg/L僅占4.39%;8月之后,懸浮物濃度逐漸升高,中高濃度海域面積不斷增大,秦皇島海域水體逐漸變渾濁;12月時,懸浮物濃度均值達到最大,為10.7mg/L,其中濃度高于10.0mg/L的海域面積約占42.12%,5.0～ 10.0mg/L約占57.87%,而濃度低于5.0mg/L僅占0.01%.

風力和水動力是影響秦皇島海域懸浮物濃度分布呈現(xiàn)季節(jié)性差異的主要原因.秋冬季海面風速通常較大且風期較長,風生波浪可有效阻止表層懸浮物的沉降,且近岸海域水深較淺,大風引起的波浪運動加劇了底層顆粒物的再懸浮,極大增加了表層懸浮物濃度,據(jù)統(tǒng)計渤海8級以上的大風天氣75%發(fā)生在11月至來年4月[28-29];而春夏季風速一般較低且風期較短,水體紊動弱,懸浮物濃度較低.此外,因天氣因素每月質(zhì)量優(yōu)良的Sentinel-3 OLCI影像數(shù)量和時間順序均不一致,月均懸浮物濃度的代表性受到一定影響,個別月份懸浮物濃度的變化趨勢出現(xiàn)波動可能與此有關(guān).

2.6 年際變化特征研究

2018～2021年秦皇島海域遙感反演的年均懸浮物濃度,如圖6所示.2018～2021年秦皇島海域懸浮物濃度逐年遞減,年均值分別為10.6,9.0,8.2,7.9mg/L,2020～2021年濃度低于10.0mg/L的海域面積增加至90%以上,表明水體越來越澄清,體現(xiàn)出渤海綜合治理之后,秦皇島近岸海域的生態(tài)環(huán)境得到持續(xù)改善.

圖6 秦皇島海域年均懸浮物濃度(2018～2021)

3 結(jié)論

3.1 秦皇島海域?qū)儆诟粻I養(yǎng)化水平較高的典型近岸Ⅱ類水體,500～600nm、650～750nm光譜呈現(xiàn)顯著的雙峰特征;敏感波段篩選發(fā)現(xiàn),懸浮物濃度遙感反演的敏感波段為442.5,490,620,681.25,708.75及753.75nm,560nm為參比波段.

3.2 波段比值為秦皇島海域懸浮物濃度遙感反演的敏感因子,以490/560、620/560及708.75/560三個波段比值為自變量、lg(SPM)為因變量的四波段模型為秦皇島海域Sentinel-3 OLCI影像的懸浮物濃度遙感反演最佳模型(2=0.69,MAPE=24.79%,RMSE=2.82mg/L);遙感產(chǎn)品的真實性檢驗得到反演值與實測值的平均相對誤差為13.24%.

3.3 2021年1～12月秦皇島海域月均懸浮物濃度整體呈現(xiàn)沿岸海域高、離岸海域低的空間分布特征;且存在秋冬季高、春夏季低的時間變化規(guī)律,秋冬季懸浮物中高濃度的海域面積明顯大于春夏季,低濃度的海域面積則相反.5～7月秦皇島海域水體最為澄清,其中7月的懸浮物濃度均值最小,為5.3mg/L; 1～2、11～12月水體最為渾濁,懸浮物濃度均值均大于9.0mg/L,12月最大,達10.7mg/L.此外,2018～2021年秦皇島海域懸浮物濃度的年均值逐年遞減,水體越來越澄清,表明渤海綜合治理之后,秦皇島近岸海域的生態(tài)環(huán)境得到持續(xù)改善.

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Retrieval of suspended particulate matter concentration from Sentinel-3 OLCI image in the Coastal Waters of Qinhuangdao.

WANG Lin*,WANG Xiang,WANG Xin-xin,MENG Qing-hui,MA Yu-juan,CHEN Yan-long

(National Marine Environmental Monitoring Center,Dalian 116023,China).,2022,42(8)：3867～3875

Based on the-observed remote sensing reflectance (rs),SPM and chlorophyll a concentration in this area from 2013 to 2021,here a regional SPMretrieval model was developed specifically for the Sentinel-3 OLCI image. The results showed that the typical empirical models commonly used in the previous literatures were not applicable to the Qinhuangdao coastal waters,here three wavebands of 490,620 and 708.75nm are used as the sensitive ones for retrieval of SPMconcentration,and the waveband of 560nm was used as the reference one,a four-bandretrieval model of SPMconcentration (2=0.69,MAPE=24.79%,RMSE=2.82mg/L) was established. The accuracy of SPM concentration remote sensing product was tested from July 24,2021,and the mean absolute percentage error (MAPE) between the observed and the retrieval values reached 13.24%. The four-band model was then applied to the Sentinel-3 OLCI images of Qinhuangdao coastal waters from January to December 2021,and the monthly average SPM concentration are obtained and analyzed. It was found that the SPM concentration in this area displays obvious temporal and spatial variation characteristics,generally high in coastal waters and low in offshore waters,high in autumn-winter and low in spring-summer. The annual averaged SPM concentration was decreasing year by year from 2018 to 2021,and the water was becoming clearer and clearer.

suspended particulate matter；remote sensing retrieval；Sentinel-3 OLCI image；Qinhuangdao coastal waters；pollution characteristics

X145

A

1000-6923(2022)08-3867-09

2022-01-04

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1407904,2018YFC1407605)

* 責任作者,副研究員,lwang@nmemc.org.cn

王 林(1981-),男,河北滄州人,副研究員,主要從事海洋生態(tài)環(huán)境遙感研究.發(fā)表論文40余篇.