劉元藝 田正航 唐曉燕

（南陽理工學院信息工程學院，河南 南陽 473004）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，我國工業(yè)和城市用水量也越來越大，水資源供需日趨緊張。另外，由于很多城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水是排放到海洋中的，因此會對海洋生態(tài)造成污染，這已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展乃至社會發(fā)展的障礙。

水質(zhì)參數(shù)中溶解氧（DO）的含量是海洋各類生物生存的必要物質(zhì)條件，其可以作為一個判斷污染程度的重要衡量標準。目前，國內(nèi)外已經(jīng)逐漸開始使用高光譜遙感技術進行關于水質(zhì)監(jiān)測的研究。該技術使用的衛(wèi)星傳感器不僅具有回訪周期性，而且還具有數(shù)據(jù)獲取容易（與人工檢測相比）、水質(zhì)反演覆蓋面積較大的優(yōu)點，不需要消耗大量人力、財力。呂航等人采用高光譜遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合該地區(qū)水面同步觀測數(shù)據(jù)找出了水質(zhì)參數(shù)與單波段反射率、不同波段反射率比以及不同波段反射率差值的相關性，得出溶解氧的敏感波段組合為B（636 nm）/B（669 nm）和B（636 nm）/B（674 nm）。該文選取香港近海區(qū)域的水體作為研究區(qū)，使用HJ-1A衛(wèi)星HSI數(shù)據(jù)對香港近海區(qū)域DO濃度進行反演研究，根據(jù)高光譜反射率數(shù)據(jù)與研究區(qū)水體DO濃度的相關性分析，使用線性回歸方法建立高光譜遙感反射率與水體DO濃度的反演模型。

1 數(shù)據(jù)獲取及預處理

1.1 獲取實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

研究區(qū)地處北緯22°26′，東經(jīng)114°12′。該文所用實測DO數(shù)據(jù)來自香港特別行政區(qū)76個水質(zhì)監(jiān)測站，香港環(huán)保署每月收集海水各項水質(zhì)參數(shù)樣本1次。根據(jù)高光譜圖像經(jīng)、緯度范圍的限制，取其中MM區(qū)、SM區(qū)以及VM區(qū)共計42個監(jiān)測站為主要數(shù)據(jù)源。

所需遙感影像的基本要求如下：1） 圖像分辨率高。2）條帶噪聲少。3）云覆蓋量低于5%或?qū)λw區(qū)域無遮擋。4） 盡可能地保證衛(wèi)星圖像拍攝日期與水源數(shù)據(jù)日期一致，以保證地面監(jiān)測站數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)可以在允許的誤差內(nèi)達到同步。因此，該文使用中國資源衛(wèi)星應用中心下載2014年1月HJ-1A衛(wèi)星HSI傳感器的2級高光譜影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)。HJ-1A高光譜數(shù)據(jù)由HJ-1A衛(wèi)星搭載的高光譜成像光譜儀（HSI）獲取。HSI傳感器的2級產(chǎn)品是經(jīng)光譜修復、輻射校正和系統(tǒng)幾何校正的，并通過ArcGIS將校正后的圖像映射到衛(wèi)星圖像拍攝地點的地圖投影坐標下的產(chǎn)品數(shù)據(jù)中。

1.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的前期處理主要包括以下3個步驟：1） 光譜曲線輻射亮度值轉(zhuǎn)換。該步驟主要實現(xiàn)了從遙感影像像元亮度值（值）到絕對輻射亮度的轉(zhuǎn)化，這一過程對高光譜數(shù)據(jù)處理來說是比較簡單的。由于衛(wèi)星拍攝時通常與地面的距離至少為500 km，拍攝時得到的真實地物輻射亮度值通常很低，因此衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心為了方便對輻射亮度數(shù)據(jù)進行處理、保存，在預處理前使用放大因子系數(shù)來放大地物輻射率的數(shù)值。該步驟將光譜曲線所顯示的值除以衛(wèi)星處理時所放大的系數(shù)就可以得到絕對輻射亮度值，也就是真實地物輻射亮度值。2） 高光譜數(shù)據(jù)的存儲格式轉(zhuǎn)換。HJ-1A衛(wèi)星原存儲格式為H5文件，經(jīng)ENVI打開后，系統(tǒng)默認為BSQ格式存儲，而在進行FLAASH大氣校正過程中要求數(shù)據(jù)以BIL或BIP格式存儲，因此原始高光譜數(shù)據(jù)的存儲格式應使用Convert Interleave工具進行轉(zhuǎn)換（由BSQ格式轉(zhuǎn)換為BIL格式）。3） 波段去除。高光譜影像在衛(wèi)星拍攝時，由于大氣吸收等因素在光譜圖上會出現(xiàn)條帶噪聲，從而導致影像在某一波段的質(zhì)量較差，因此該文根據(jù)高光譜圖像各個波段的圖像質(zhì)量，去除了HJ-1A高光譜影像中的前30個和后5個包括條帶噪聲的波段，剩余80個波段為數(shù)據(jù)保存較為良好的波段。

由于HJ-1A光譜數(shù)據(jù)只是經(jīng)過了初步的幾何校正，為了使采樣點經(jīng)緯度與高光譜衛(wèi)星圖像完全匹配，并提高后續(xù)建模的精確度和準確性，因此需要對圖像進行幾何精校正，該文采用在地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/）網(wǎng)站上下載的同時期、同地區(qū)Landsat-8的衛(wèi)星影像，由于Landsat-8影像產(chǎn)品級別較高，且已經(jīng)經(jīng)過幾何精校正，因此可以通過Landsat-8來定標校正HJ-1A所拍攝的高光譜影像的經(jīng)、緯度。通過ENVI國產(chǎn)衛(wèi)星匯總工具包讀取數(shù)據(jù)，使用Image Registration工具均勻選取校正點，通過系統(tǒng)自動添加的矯正點去除誤差較大的點，使誤差控制在0.77即可完成幾何精校正工作。

在完成數(shù)據(jù)前期處理工作后，由于HJ-1A高光譜衛(wèi)星所攜帶的傳感器不可避免地受大氣的吸收和散射作用，地表反射數(shù)據(jù)和實際測量值之間有一定的差異，因此使用高光譜圖像反演地物的反射光譜信息，需要對其進行大氣校正。該文選用FLAASH大氣校正方法，該方法對校正參數(shù)的要求比較嚴格，稍有差錯都會對最終的結(jié)果造成很大的影響，在進行大氣校正前應該對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理，使其符合以下要求：經(jīng)過輻射定標之后的輻射率數(shù)據(jù)的頭文件中包括中心波長（）值和波段寬度（）值；要求是ENVI標準格式文件；以格式BIL存儲，以便FLAASH讀取處理。在ENVI的FLAASH大氣校正模塊中輸入從頭文件中讀取的各項定標參數(shù)， ENVI就可以根據(jù)各項信息完成大氣校正處理工作。由于衛(wèi)星拍攝地點與時間的差別，因此氣溶膠模型的大小以及環(huán)境模型的類別都會對最終大氣校正的結(jié)果造成影響，應在中國資源衛(wèi)星中心仔細查詢環(huán)境一號衛(wèi)星的不同模型參數(shù)，以便縮小后續(xù)處理的誤差。大氣校正前后光譜曲線如圖1所示。

圖1 大氣校正前后光譜曲線

經(jīng)過大氣校正后的光譜圖像數(shù)據(jù)不能準確反映水體物質(zhì)的本質(zhì)特征，尤其對高光譜數(shù)據(jù)源來說，其波段較多，且光譜曲線的波動范圍具有相似性，會使后續(xù)分析出現(xiàn)一定的誤差，且不便于直接從中提取易于計算的光譜曲線特征，因此需要在大氣校正之后通過包絡線去除操作對光譜曲線進行再次處理，以突出光譜曲線的特征。

該文通過使用ENVI中的Continuum Removal模塊工具讀取經(jīng)大氣校正操作后的高光譜影像頭文件并進行包絡線去除操作，得到去除包絡線后的高光譜影像，最終得到歸一化的水體反射率。

2 半經(jīng)驗線性回歸建模

2.1 皮爾遜相關性分析

采用衛(wèi)星高光譜傳感器進行水域水質(zhì)參數(shù)的光譜測量，并使用皮爾遜相關性分析法尋找水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，選擇具有最佳相關性的波段或波段組合，使用線性回歸等方法對該地區(qū)高光譜遙感數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)進行反演研究的方法被稱為半經(jīng)驗法。該文使用半經(jīng)驗線性回歸方法，通過水體表面反射率與水質(zhì)參數(shù)濃度之間的關系構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演模型。當建立水質(zhì)參數(shù)反演模型時，先從高光譜圖像的光譜曲線中尋找水質(zhì)參數(shù)的光譜特性，并對水質(zhì)參數(shù)濃度和水體反射率進行皮爾遜相關性分析，尋找其中相關性絕對值最大的波段，并借此建立相應的反演模型。對2個變量、來說，它們之間的相關性可以用相關系數(shù)模型來計算。該文正是基于此關系，使用皮爾遜相關系數(shù)計算光譜波段的大小與歸一化反射率之間的相關性，皮爾遜相關性系數(shù)是用來衡量2組數(shù)據(jù)與之間線性關系的強度。且當皮爾遜相關性的絕對值在不同區(qū)間時，所代表的相關性也各不相同，應使相關性絕對值的大小盡可能地接近1，計算方法如下。

如果2組數(shù)據(jù)： {，，， …，X} 和： {，，，…，Y} 具有線性關系，那么皮爾遜相關系數(shù)如公式（1）、公式（2） 所示。

式中：P、P分別為數(shù)據(jù)集、的標準差；P為標準差的數(shù)學符號；Сov為協(xié)方差的數(shù)學符號；為、中數(shù)據(jù)的總個數(shù)；X、Y為數(shù)據(jù)集、中的數(shù)據(jù)；、分別為數(shù)據(jù)集、的平均值。

皮爾遜相關系數(shù)即2個數(shù)據(jù)集協(xié)方差與標準差的比值，取值為-1～1，其絕對值越接近1，說明相關性越顯著。當建立水質(zhì)參數(shù)反演模型時，先從高光譜圖像的光譜曲線中尋找水質(zhì)參數(shù)的光譜特性，并對水質(zhì)參數(shù)濃度和水體反射率進行皮爾遜相關性分析，尋找其中相關性絕對值最大的波段，并建立相應的反演模型。如果效果不好，則對光譜曲線進行一階導數(shù)和二階導數(shù)或包絡線去除等處理，尋找具有明顯的特征波段，并對其進行相關性分析，該文最終選擇了包絡線去除的方法。該文使用SPSS 25軟件分析了HJ-1A遙感衛(wèi)星的單波段反射率和DO濃度之間的相關關系，在SPSS軟件中輸入DO濃度作為一個變量，將HJ-1A高光譜80個波段的反射率作為另一個變量，建立雙變量皮爾遜相關關系，再建立實測數(shù)據(jù)與遙感反射率的相關關系，去除異常值之后的皮爾遜相關系數(shù)如圖2所示。

對去除包絡線后的實測溶解氧數(shù)據(jù)與HJ-1A影像光譜曲線建立的相關性圖像進行分析發(fā)現(xiàn)，在598 nm和656 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，在609 nm和669 nm處出現(xiàn)明顯的吸收谷。對這兩處的反射峰波段和吸收谷波段進行多次組合測試，尋找相關系數(shù)高的波段組合。分別對609 nm、669 nm、598 nm和656 nm進行反射峰與吸收谷的相加減、相乘除或其他的組合方式，最終獲得了以下的相關關系，波段組合相關系數(shù)如圖3所示。

圖3 波段組合皮爾遜的相關性系數(shù)

2.2 DO反演模型建立

該文選擇相關系數(shù)最高的A+A/B波段，并以該組合波段與溶解氧的關系建立線性回歸方程，為了保證模型的準確性，盡可能地減少隨機誤差，該文隨機抽取了29 個監(jiān)測點數(shù)據(jù)，其中20個監(jiān)測點數(shù)據(jù)為訓練集，其余9個監(jiān)測點數(shù)據(jù)為預測集，取平均結(jié)果建立散點圖，并擬合回歸方程，最終得到的反演模型為= 39.68- 290.83+787.52-931.03+ 409.6，并通過計算得出擬合系數(shù)=0.639，反演效果較好，建立的模型圖如圖4所示。

圖4 線性回歸模型

利用模型預測剩下的9個監(jiān)測站的溶解氧濃度對溶解氧模型的精度進行驗證，由實測值與預測值之間的擬合曲線可以看出模型的適用性，DO濃度的實測值和預測值的擬合曲線如圖5所示。根據(jù)實測值與預測值的線性回歸曲線分析可以看出模型的擬合程度較好，預測擬合系數(shù)指數(shù)也達到了0.669 8，說明運用數(shù)學模型建立溶解氧含量與遙感圖之間的關系的效果較好。

圖5 DO 實測值與預測值擬合曲線

3 結(jié)語

綜上所述，基于遙感的水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)隨著水體污染的問題變得越來越重要，而基于常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測的方法有許多缺點，會受各種因素的制約和限制，很難滿足較大水域范圍、實時空間動態(tài)以及便利快速的監(jiān)測要求，該文通過查閱國內(nèi)外基于遙感進行水質(zhì)監(jiān)測的理論、方法和技術，充分發(fā)揮了高光譜遙感的優(yōu)勢，以香港近海區(qū)域為研究對象，利用實地監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境與災害監(jiān)測預報HJ-1A衛(wèi)星HSI高光譜數(shù)據(jù)影像，通過建立線性回歸方程的方法對香港近海區(qū)域溶解氧濃度進行監(jiān)測。

此外，該文還總結(jié)了國內(nèi)外有關溶解氧反演技術的最新進展，水質(zhì)反演理論由分析法向半經(jīng)驗方法發(fā)展，對遙感數(shù)據(jù)也提出了更高的要求。對HJ-1A高光譜遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、大氣校正、幾何精校正及包絡線去除等預處理。以香港近海區(qū)域為研究，結(jié)合環(huán)境保護署的實測數(shù)據(jù)、HJ-1A影像數(shù)據(jù)對DO進行遙感分析。使用線性回歸方法對DO實測值和光譜數(shù)據(jù)進行建模，指數(shù)達到0.669 8。