華 康，肖 晗，于之鋒，黃祺宇，周 斌，方美紅，袁小紅

(1. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州311121； 2. 湖州市技師學(xué)院，浙江 湖州 313200；3. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 4. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121)

水體中的懸浮泥沙一般由粘土礦物、細(xì)粒碎屑礦物、有機(jī)質(zhì)和非晶體等成分組成[1].懸浮泥沙濃度(Suspended Sediment Concentration，SSC)直接影響水體的透明度和相關(guān)水色性質(zhì)，是評(píng)定水質(zhì)的主要參數(shù)，對(duì)河道、海道運(yùn)輸及港口建設(shè)有巨大參考意義.其在平面分布和垂直分布上都有不同的特征，且受到流速、季節(jié)及潮汐的影響，運(yùn)用傳統(tǒng)的定期野外實(shí)測(cè)取樣方法，不僅耗時(shí)耗力，而且受采樣點(diǎn)分布限制性的影響，只能反映特定時(shí)間有限區(qū)域內(nèi)的泥沙濃度信息，難以實(shí)現(xiàn)同步、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).根據(jù)水體中懸浮泥沙粒子對(duì)于水體的后向射特征[2]，可選用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè).

Ronald[3]首次實(shí)現(xiàn)利用遙感技術(shù)獲取懸浮泥沙濃度，并提出懸浮泥沙遙感監(jiān)測(cè)的初步構(gòu)想，Han和Rundquist[4]將遙感反射率應(yīng)用于懸浮物類型的預(yù)測(cè).隨著我國(guó)遙感技術(shù)的發(fā)展，也構(gòu)建了區(qū)域性的懸浮泥沙反演模型，例如采用Gordon模型應(yīng)用于長(zhǎng)江口區(qū)域大壩截流前后泥沙含量變化研究[5]、基于高光譜數(shù)據(jù)的遙感回歸模型[6]、應(yīng)用于長(zhǎng)江中游地區(qū)高斯模型[7]等.總結(jié)目前水環(huán)境遙感研究進(jìn)展，懸浮泥沙濃度受多種因素影響，光學(xué)特性復(fù)雜，尤其針對(duì)小面積、斑塊化水體，需加強(qiáng)地面水文光譜研究[8]，探討建立基于高分辨率和高光譜數(shù)據(jù)的SSC定量反演模型.

西溪濕地水體呈現(xiàn)碎片狀，連續(xù)水域范圍小，且水體與陸地交叉出現(xiàn)，地形復(fù)雜，人為影響因素明顯，故之前學(xué)者所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型并不適用西溪濕地的水體特征，此項(xiàng)研究可以填補(bǔ)西溪濕地懸浮泥沙遙感反演的空白，推動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)及旅游事業(yè)的發(fā)展.

1 研究區(qū)域

圖1 西溪濕地位置分布圖Fig.1 Location map of Xixi wetland

西溪濕地位于浙江省杭州市城區(qū)西部，地理坐標(biāo)為120°2′22″～120°5′10″E，30°14′58″～30°16′59″N，總面積約為10.08 km2[9](見(jiàn)圖1).濕地地處杭州市區(qū)，與人類活動(dòng)及杭州歷史文化都有密不可分的關(guān)系，動(dòng)植物種類多，數(shù)量大，表現(xiàn)出極強(qiáng)的生物多樣性，同時(shí)該濕地主要由河港、池塘、湖漾、沼澤等水域組成，水網(wǎng)密度遠(yuǎn)高于其他濕地.

2003年起，杭州市政府啟動(dòng)了西溪濕地綜合保護(hù)工程，開(kāi)展了多項(xiàng)濕地保護(hù)項(xiàng)目[10]，其中主打人與自然“空間互換”，不打擾濕地原始生態(tài)環(huán)境的一期工程見(jiàn)效明顯.濕地保護(hù)一期工程依據(jù)濕地生態(tài)特征主要?jiǎng)澐譃樯鷳B(tài)恢復(fù)區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)及歷史遺存保護(hù)區(qū).

西溪濕地自然環(huán)境雅致，生態(tài)資源豐富，文化底蘊(yùn)深厚[11]，2009年，經(jīng)國(guó)際濕地公約秘書(shū)處批準(zhǔn)，西溪濕地被正式列入國(guó)際重要濕地名錄，標(biāo)志濕地保護(hù)與利用的“西溪模式”獲得了世界的認(rèn)可，成為國(guó)際關(guān)注的重要濕地.

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

圖2 西溪濕地采樣點(diǎn)選址Fig.2 Location of sampling stations in Xixi wetland

在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，水體由于其組成成分的不同在遙感影像上會(huì)表現(xiàn)出不同的水色信息.傳感器所接收到的水體信息主要由水對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射決定，而泥沙含量的不同會(huì)導(dǎo)致水體的反射率不同.一般情況下，隨著懸浮泥沙濃度增加，水體的反射率在550～600 nm、780～840 nm明顯增強(qiáng)，從而影響傳感器接收到的能量.對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，并結(jié)合基于觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的反演模型，可以實(shí)現(xiàn)水體中懸浮泥沙濃度的遙感反演.

2.1 數(shù)據(jù)獲取

研究小組于2013年7月23日、2013年9月17日及2015年3月29日在西溪濕地開(kāi)展了水體光譜測(cè)量及水樣采集工作.為了提高數(shù)據(jù)測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性，在研究區(qū)域內(nèi)共選取了24個(gè)均勻分布在西溪濕地河道主干線和零散池塘的站點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，其中包含了連續(xù)水域的中心、近河岸、河道交叉口等多種形式的水體分布類型.在每個(gè)站位水面下約0.2 m處，用標(biāo)準(zhǔn)采樣器取水樣，并將水樣轉(zhuǎn)移至貼有序號(hào)標(biāo)識(shí)的500 mL棕色瓶中，置于低溫避光的儲(chǔ)藏箱保存.利用HandHeld2手持式ASD便攜式地物光譜儀和標(biāo)準(zhǔn)反射板，依據(jù)水面以上光譜測(cè)量方法[12]分別測(cè)量水面、天空光和標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度，每站點(diǎn)循環(huán)3次，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后，取3次測(cè)量的平均值作為該站點(diǎn)相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù).

測(cè)定懸浮泥沙濃度最常用的方法有過(guò)濾重量法、比重瓶法、光學(xué)法、電導(dǎo)法等[12]，本次研究采取的是過(guò)濾重量法，即讓水樣通過(guò)孔徑為0.45 μm的醋酸纖維濾膜，將其烘干、灼燒、稱量，比較前后重量差異，結(jié)合過(guò)濾水樣的體積計(jì)算出站點(diǎn)懸浮泥沙濃度.

2.2 World View-2影像介紹及預(yù)處理

WorldView-2衛(wèi)星提供了空間分辨率為0.46 m的全色影像和1.85 m的多光譜影像，星載多光譜遙感器不僅具有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)譜段(紅、綠、藍(lán)、近紅外)，還包括4個(gè)額外多樣性譜段(海岸、黃、紅邊和近紅外2)(見(jiàn)表1).本研究區(qū)域內(nèi)水體多為塊狀，分布無(wú)規(guī)律，森林及人工建筑物環(huán)繞其中，低分辨率遙感影像難以對(duì)地物進(jìn)行清晰的識(shí)別，World View-2遙感影像具有高空間分辨率、高幾何精度的特點(diǎn)，對(duì)于地形復(fù)雜、地物分布雜亂區(qū)域具有較高的解譯能力.因此World View-2遙感衛(wèi)星可以較好地表現(xiàn)小面積目標(biāo)地物性質(zhì)，在定量遙感中，具有巨大的應(yīng)用前景.

表1 World View-2波長(zhǎng)信息Tab.1 The wavelength information of World View-2

在獲取遙感影像的整個(gè)過(guò)程中，會(huì)受大氣中水汽和顆粒物吸收和散射的影響，傳感器所接收的并非全為目標(biāo)地物的光譜信息，這對(duì)于影像的質(zhì)量及應(yīng)用效果都產(chǎn)生了不利影響，特別是在定量遙感中，消除或減少這些干擾信息是十分必要的.首先需要對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，輻射定標(biāo)是指建立遙感器每個(gè)探測(cè)器輸出值與該探測(cè)器對(duì)應(yīng)的實(shí)際地物輻射亮度之間的定量關(guān)系[12].

太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣入射到地物表面然后再反射回傳感器，由于大氣氣溶膠、大氣中分子吸收和鄰近地物的影響，使得原始影像包含其他物體、大氣等無(wú)效信息，嚴(yán)重影響了遙感的參數(shù)化反演精度.大氣校正可以消除氣溶膠的干擾，提取目標(biāo)物表面的光譜屬性.將遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要慎重選擇大氣校正模型，對(duì)于能見(jiàn)度較高的影像，利用FLAASH大氣校正可以準(zhǔn)確獲取地表反射率信息[8].

本研究利用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)剔除非水體信息，World View-2遙感影像擁有兩個(gè)近紅外波段，但兩個(gè)近紅外波段的功能及波長(zhǎng)有明顯差異，分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選擇波長(zhǎng)為770～895 nm的近紅外波段，能提高河網(wǎng)提取的精度，歸一化水體指數(shù)公式表達(dá)為：

NDWI=(ρG-ρNIR)/(ρG+ρNIR)

其中ρG為綠波段反射率，ρNIR為近紅外波段反射率，分別對(duì)應(yīng)World View-2影像的第3和7波段.

參考西溪濕地水體信息，并結(jié)合實(shí)地考察結(jié)果，設(shè)定恰當(dāng)?shù)拈撝捣秶鷮?duì)遙感影像進(jìn)行掩膜，可以較好地提取出研究區(qū)域內(nèi)的水體，獲取西溪濕地水系遙感影像圖.

2.3 World View-2影像大氣校正

大氣校正是水色遙感的重要環(huán)節(jié)，F(xiàn)LAASH大氣校正規(guī)避鄰近像元效應(yīng)，有效減少臨近非水體像元的干擾.本文采用的是FLAASH絕對(duì)大氣校正方法，用于精細(xì)定量遙感研究.

輻射定標(biāo)是大氣校正的準(zhǔn)備工作，將影像像元值轉(zhuǎn)換成大氣頂部的光譜輻射亮度值[13].ENVI軟件通用輻射定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)即可實(shí)現(xiàn)World View-2影像輻亮度轉(zhuǎn)換工作.FLAASH模型主要參數(shù)包括影像的中心坐標(biāo)、獲取時(shí)間、平均海拔高度及地面空間分辨率，依據(jù)西溪濕地區(qū)位因素及成像當(dāng)日氣象狀況，大氣模式設(shè)定為中緯度夏季大氣模式，氣溶膠模式采用城市氣溶膠模式，能見(jiàn)度為27 km.為了更好地檢驗(yàn)大氣校正的精度，對(duì)校正前后純像元反射率和實(shí)測(cè)地物反射率進(jìn)行對(duì)比，在影像上選取典型水體樣本，分別讀取校正前后的反射率像元值，并與實(shí)測(cè)值比較.大氣校正后，像元遙感反射率值明顯接近于實(shí)測(cè)值，World View-2影像各個(gè)波段平均相對(duì)誤差為17.58%(見(jiàn)表2、圖3、圖4).

表2 World View-2影像大氣校正結(jié)果精度評(píng)價(jià)Tab.2 Accuracy evaluation of World View-2 imaging atmospheric correction

(A)大氣校正前的部分圖像 (B)大氣校正后的同一部分圖像

圖4 大氣校正前后的反射率Fig.4 The reflectance before and after the atmospheric correction

2.4 水體SSC反演模式

2013年實(shí)地水樣數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感成像時(shí)間、天氣條件近似同步，同時(shí)為了得到濃度差異較大的水樣數(shù)據(jù)，在研究濕地地理環(huán)境后采取截線抽樣法采樣[14]，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性.因此本研究利用2013年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，利用2015年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證.

將各站點(diǎn)的輻亮度信息轉(zhuǎn)換為遙感反射率(Remote Sensing Reflectance，Rrs)數(shù)據(jù)，對(duì)光譜儀面向水體、天空和灰板測(cè)得的15條光譜曲線，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除并各自取平均，按下式進(jìn)行計(jì)算[15]：

其中，Lu、Lsky、Lp分別為光譜儀面向水體、天空和灰板時(shí)的測(cè)量輻亮度，ρp為經(jīng)過(guò)嚴(yán)格定標(biāo)的灰板反射率，ρf為菲涅爾反射率，取決于太陽(yáng)位置、風(fēng)速、風(fēng)向等多種因素，樣品獲取當(dāng)日，天氣晴朗，風(fēng)速較低，因此ρ取0.022.

圖5 遙感反射率Fig.5 Remote sensing reflectance

從采樣點(diǎn)的遙感反射率曲線(圖5)可以看出，大約在580 nm、650 nm、700 nm和820 nm處各出現(xiàn)了一個(gè)反射峰，其中580 nm附近出現(xiàn)了最大反射率，稱其為主反射峰.此外反射率的分峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不斷增加，這便是懸浮泥沙水體主反射峰的“紅移”現(xiàn)象.

設(shè)計(jì)反演算法時(shí)，需要利用水體遙感反射率和World View-2各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行波段的等效計(jì)算，得出等效遙感反射率，具體計(jì)算方法如下：

Rrsi為等效波段遙感反射率；Rrs(λ)為各站位實(shí)測(cè)的連續(xù)光譜遙感反射率；Si(λ)為World View-2各波段的光譜響應(yīng)函數(shù).

基于World View-2影像相應(yīng)波段的等效遙感反射率，構(gòu)建相應(yīng)的反演模型，各類具體懸浮泥沙反演模型具體情況如表3所示.

表3 懸浮泥沙反演模型Tab.3 Inversion model of suspended sediment

懸浮泥沙濃度受到水體本身顏色、類型、顆粒大小及相關(guān)可溶性有機(jī)物含量的限制，使得反演精度較低[16].西溪濕地遙感影像中獲取的水體輻射信息較少，因此利用FLAASH大氣校正及比值線性模型，可以削弱大氣作用對(duì)反演精度的影響[17].依據(jù)表3分析可得，利用比值線性模型對(duì)西溪濕地懸浮泥沙進(jìn)行反演，所得結(jié)果與實(shí)際情況擬合最佳，且該模型通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，符合反演要求(見(jiàn)圖6).

圖6 懸浮泥沙濃度反演模型Fig.6 The retrieval model of suspended sediment concentration

將同一站點(diǎn)2015年實(shí)測(cè)數(shù)值與遙感反演數(shù)值進(jìn)行比較，懸浮泥沙濃度反演精度如表4所示，得其平均相對(duì)誤差為19.98%，低于20%，說(shuō)明該模型具有穩(wěn)定性和實(shí)用性，反演結(jié)果符合研究要求.

表4 懸浮泥沙濃度反演精度Tab.4 Inversion suspended sediment concentration precision figure

3 結(jié)果與分析

基于World View-2大氣校正結(jié)果，采用lnS=-0.22·(Rb3/Rb5)+1.735 2模型對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的懸浮泥沙進(jìn)行反演.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遙感反演結(jié)果精度評(píng)估，顯示反演精度較高，且未出現(xiàn)反演濃度一致偏高或偏低情況，說(shuō)明西溪濕地懸浮泥沙濃度年際變化小，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).

依據(jù)兩時(shí)相反演結(jié)果(圖7，圖8)可得2011年與2013年西溪濕地懸浮泥沙平均濃度分別為7.48 mg/L與9.35 mg/L.兩年間，西溪濕地懸浮泥沙平均濃度提高了1.87 mg/L，反演結(jié)果顯示差值來(lái)源主要為主河道.2011年，主河道懸浮泥沙平均濃度低于12 mg/L，2013年其平均值超過(guò)12 mg/L，兩年間依托于主干道水域開(kāi)展的搖櫓船等旅游形式不斷增多，人文活動(dòng)對(duì)西溪濕地懸浮泥沙濃度變化帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響.

圖7 研究區(qū)懸浮泥沙濃度(2011年)Fig.7 Concentration of suspensions in the study area (2011)

圖8 研究區(qū)懸浮泥沙濃度(2013年)Fig.8 Concentration of suspensions in the study area (2013)

分析西溪濕地懸浮泥沙空間分布特點(diǎn)，濕地中央?yún)^(qū)域及離散水塘多為塊狀、水體環(huán)境較為封閉，受人為因素影響較小，且與其他水體的交換頻率低，交換量小，由此該區(qū)域水體清澈，泥沙濃度較小，集中在0～9 mg/L.主河道區(qū)域是一個(gè)逐漸開(kāi)放的區(qū)域，為船只行駛提供航道，并與區(qū)域外的水體連通，易受到外界影響，故此區(qū)域水體泥沙濃度高于一般水體，集中在9～16 mg/L.慢生活街區(qū)、洪園區(qū)域及西溪黑根蠟像館區(qū)域?qū)儆诟叨乳_(kāi)放區(qū)域，集中分布著大量的建筑物，人口流動(dòng)較為頻繁，受到人為因素影響更加明顯，濃度達(dá)到了20 mg/L以上.

4 結(jié)論

1)紅、綠波段，水體與植被的反射率相差較大，水體光譜響應(yīng)較好，選用World View-2影像紅、綠波段作為遙感反演因子可以突出泥沙信息.采用比值模型可削弱地形、太陽(yáng)高度角等和大氣條件有關(guān)輻射條件變化影響，本研究采用紅、綠波段比值線性模型，模型反演精度平均相對(duì)誤差為19.98%；

2)西溪濕地植被茂盛，常年四季如青，河網(wǎng)岸邊覆蓋植被，F(xiàn)LAASH大氣校正規(guī)避鄰近像元效應(yīng)，有效減少臨近非水體像元的干擾，適用于小面積水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè).本研究采用FLAASH大氣校正方法，World View-2影像所有波段平均相對(duì)誤差為17.58%；

3) 2011年、2013年選用的單景影像反演結(jié)果顯示，西溪濕地懸浮泥沙平均濃度分別為7.48 mg/L、9.35 mg/L，懸浮泥沙濃度總體較為穩(wěn)定，但區(qū)域內(nèi)差異明顯，制定西溪濕地不同功能區(qū)針對(duì)性保護(hù)措施，可以進(jìn)一步協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)與綜合保護(hù)之間的關(guān)系；

4)本研究采用0.5 m全色波段地面分辨率的遙感數(shù)據(jù)，主要考慮到水體懸浮泥沙反演及西溪濕地水體分布的復(fù)雜性.全面總結(jié)出適宜的尺度參數(shù)和遙感數(shù)據(jù)處理方法，高分影像才能廣泛應(yīng)用于濕地懸浮泥沙反演.隨著濕地的不斷開(kāi)發(fā)，懸浮泥沙濃度監(jiān)測(cè)的快速性、準(zhǔn)確性將為后期研究重點(diǎn)，遙感反演模型也需要抓住含沙水體光譜規(guī)律，突破反演精度和模型使用范圍這兩大難題.