黃曉翰,婁全勝, 2,王 孟,蘇 文,姜廣甲, 2, 4*
(1. 國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,廣東 廣州 510300;2. 自然資源部南沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,廣東 廣州 510300;3. 國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院,廣東 廣州 510310;4. 廣東省海洋資源與近岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510310)
南海是太平洋最大、最深的邊緣海,面積約為350×104 km2,海底地形復(fù)雜、島礁密布[1]。南海近岸海域常年存在上升流,有河口、海灣、深海區(qū)等各種復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)并存,并受淡水、咸水、咸淡水、潮灘濕地和沙洲濕地等生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響[2-3],囊括了光學(xué)I類和II類水體,光學(xué)特性十分復(fù)雜[4]。其中,珠江是南海近岸海域最大的輸入河流,平均每年有3 260億m3的徑流量及其攜帶物進(jìn)入南海,加之南海近岸復(fù)雜的水動(dòng)力條件,影響了該海域水體的水質(zhì)環(huán)境。
透明度是評(píng)價(jià)水質(zhì)環(huán)境的重要參數(shù)之一。水下光場(chǎng)分布影響了水下生物、物理和化學(xué)動(dòng)力變化過(guò)程,例如,浮游植物利用水下光照進(jìn)行光合作用將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳儲(chǔ)存于水體中,而溶解有機(jī)物在光照條件下進(jìn)行降解釋放無(wú)機(jī)碳。同時(shí),水下光場(chǎng)分布影響著水體的熱傳輸過(guò)程,進(jìn)而影響了水動(dòng)力變化[5-6]。透明度是確定光照在水下傳輸界面和評(píng)估水體營(yíng)養(yǎng)水平的重要因子,在無(wú)法進(jìn)行水下輻照度測(cè)量的情況下,透明度是評(píng)價(jià)水下光場(chǎng)分布的唯一指標(biāo)[7]。
與透明度的傳統(tǒng)調(diào)查方式相比,衛(wèi)星遙感技術(shù)可以高頻次、大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境動(dòng)力變化特征。VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)發(fā)射于2011年10月28日,是新一代的近極地水色衛(wèi)星傳感器,其水色波段與MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)具有相似的波段配置,但具有較大幅寬(3 000 km)和較高空間分辨率(750 m)[8-9]。目前,針對(duì)VIIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),相關(guān)研究主要集中在數(shù)據(jù)本身的校正方法[9-10]以及將VIIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的水色產(chǎn)品與EOS MODIS數(shù)據(jù)水色產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)、驗(yàn)證[11-14],而開(kāi)展海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究相對(duì)較少[15-16],并且基于VIIRS數(shù)據(jù)對(duì)南海近岸海域透明度評(píng)價(jià)方面還未見(jiàn)報(bào)道。
利用遙感技術(shù)評(píng)價(jià)水體透明度的方法主要包括經(jīng)驗(yàn)法(empirical method)和半分析方法(semi-analytical method)[7,17-21]。本文以涵蓋光學(xué)I類水體和II類水體的南海近岸海域?yàn)檠芯繀^(qū),利用珠江口、大亞灣和粵西海域的現(xiàn)場(chǎng)生物-光學(xué)數(shù)據(jù),構(gòu)建適于南海近岸海域水體光學(xué)特征的透明度評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)算法,并應(yīng)用于2013—2016年每天的VIIRS衛(wèi)星遙感影像,以揭示該海域透明度時(shí)空變化特征,為新一代水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品驗(yàn)證提供案例,并為海洋生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供方法論支撐。
分別于2014年5月11日—18日和2015年4月27日—5月15日在南海近岸海域布設(shè)樣點(diǎn)采集表層水樣,測(cè)量水體的遙感反射光譜、水體透明度、風(fēng)速風(fēng)向、水深等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),同時(shí)記錄水環(huán)境狀況,共獲取85個(gè)有效樣點(diǎn)(圖1)。2015年10月在粵西海域獲取13個(gè)樣點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)生物-光學(xué)數(shù)據(jù),用于南海近岸海域透明度遙感評(píng)價(jià)模型的精度驗(yàn)證(圖2a)。同時(shí),于2015年3月—8月在南海近岸海域衛(wèi)星準(zhǔn)同步采集樣點(diǎn)(圖2b),用于VIIRS衛(wèi)星遙感影像預(yù)處理結(jié)果的驗(yàn)證。
圖2 (a)實(shí)測(cè)驗(yàn)證樣點(diǎn)分布和(b)VIIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)準(zhǔn)同步樣點(diǎn)分布
采用水面之上測(cè)量法測(cè)定水體遙感反射光譜[22]。所用光譜儀為美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec Pro Dual VNIR野外雙通道光譜儀,可在350~1 050 nm波段范圍內(nèi)連續(xù)測(cè)量,測(cè)定水體、灰板以及天空光光譜,通過(guò)計(jì)算得到水體遙感反射比。測(cè)量時(shí)天氣晴朗無(wú)云,風(fēng)速小于3 m/s,測(cè)量時(shí)間為9:00—15:00。
在避開(kāi)太陽(yáng)直射反射、忽略或避開(kāi)水面泡沫的情況下,水體總光譜信號(hào)(Lsw)可近似看作水體離水輻亮度(Lw)和天空光輻亮度(Lsky)之和,即:
Lsw=Lw+rLsky
(1)
式中,r為氣-水界面對(duì)天空光的反射率,與風(fēng)速、太陽(yáng)高度角和觀測(cè)幾何等有關(guān),取值為0.026~0.028[23]。
由于Lw在遙感中容易測(cè)定,因此,遙感反射比(Rrs, rs-1)可以定義為水體離水輻亮度與恰好位于水體表面的向下輻照度(Ed(0+))的比值。則:
Rrs=Lw/Ed(0+)
(2)
Ed(0+)可表示為:
Ed(0+)=Lpπ/ρp
(3)
其中,ρp為標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率,校正值為30%;Lp為折合到100%標(biāo)準(zhǔn)板的信號(hào)。
綜上,可得水體遙感反射比:
(4)
根據(jù)VIIRS衛(wèi)星遙感的波段響應(yīng),將實(shí)測(cè)光譜重采樣為模擬的VIIRS數(shù)據(jù),重采樣規(guī)則與文獻(xiàn)[24]保持一致。
利用塞氏盤(pán)深度(Secchi Disk Depth)測(cè)量法測(cè)量水體透明度(SD)。使用的測(cè)量工具為20 cm直徑的黑白塞氏盤(pán)。測(cè)量時(shí),將塞氏盤(pán)水平放入待測(cè)水體中,直至其到達(dá)“可見(jiàn)”與“不可見(jiàn)”的深度臨界值,該深度臨界值即為測(cè)量點(diǎn)的塞氏盤(pán)深度[25]。
在NOAA官網(wǎng)(Climate Services and Monitoring Division, CLASS)下載2013—2016年每天VIIRS L1B(Sensor Data Record, SDR)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(空間分辨率為750 m),共計(jì)1 460景。在SeaDAS 7.4軟件(OBGP, NASA)中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括:幾何校正、云掩膜處理、水體提取、大氣校正等。其中,大氣校正采用近紅外迭代法(Iterative NIR correction-BFW10)[15,26]。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、多元線性擬合等數(shù)據(jù)處理均在Origin 8.5統(tǒng)計(jì)軟件中完成。
采用觀測(cè)值與模擬值之間的相對(duì)均方根誤差(relative root mean square error,rRMSE)來(lái)評(píng)價(jià)估算模型的優(yōu)劣[27]。
(5)
南海近岸海域透明度在0.3~30.0 m之間變化,均值為6.1 ± 7.7 m,具有較大的空間變異系數(shù)(1.3),說(shuō)明南海近岸海域透明度空間差異較大。該海域40%以上的透明度小于2.0 m(圖3),主要分布在珠江口海域(0.8 ± 0.4 m),但變異系數(shù)較小(0.5),說(shuō)明珠江口海域透明度空間差異不明顯。大亞灣海域具有較高的透明度,變化范圍為1.2~5.5 m,均值為2.4 ± 1.3 m。在離岸較遠(yuǎn)海域透明度遠(yuǎn)大于珠江口和大亞灣,均值為13.5 ± 8.7 m,變化范圍為3.0~30.0 m。
圖3 南海近岸海域透明度直方圖統(tǒng)計(jì)
2.2.1 透明度對(duì)水體遙感反射光譜的影響
透明度與水體中的光學(xué)活性物質(zhì)密切相關(guān)[7],包括葉綠素a、懸浮物和有色溶解有機(jī)物(Chromphoric Dissolved Organic Matter, CDOM)[28],因此間接影響了水體的離水輻亮度或者遙感反射比。選取透明度梯度為1(0.9)、5(5.3)、10(9.0)、15(15.0)和25(24.0) m對(duì)應(yīng)的遙感反射比以分析不同透明度對(duì)VIIRS波段遙感反射光譜的影響。
圖4給出透明度對(duì)水體遙感反射信號(hào)的影響。不同透明度對(duì)遙感反射比具有顯著影響:總體上,透明度較低(0.9 m)的遙感反射比較高,而透明度較高(24.0 m)的遙感反射比較低(Rrs(λ)<0.01 sr-1)。特別是Rrs(555),隨著透明度的增加而逐漸降低(圖4a)。為分析透明度對(duì)水體遙感反射比光譜形狀的影響,將不同透明度對(duì)應(yīng)的遙感反射光譜進(jìn)行歸一化,即每條光譜的每個(gè)波段的遙感反射比除以該光譜中遙感反射比的最大值(圖4b、c)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)透明度≤5.3 m時(shí),在555 nm處出現(xiàn)明顯反射峰且遙感反射比最大,表現(xiàn)為412—555 nm波段范圍內(nèi)Rrs(λ)隨波長(zhǎng)增加逐漸增大,在555—865 nm波段范圍內(nèi),Rrs(λ)隨波長(zhǎng)增加逐漸減小(圖4b);同時(shí),透明度較高水體的歸一化Rrs(λ)高于透明度較低水體。而透明度>5.3 m時(shí),拐點(diǎn)出現(xiàn)在488 nm處,且歸一化Rrs(555)隨著透明度升高而降低,而透明度為9.0 m時(shí),555 nm出現(xiàn)較小反射峰(圖4c)。
圖4 透明度對(duì)水體遙感反射光譜的影響:(a)原始遙感反射比;(b、c)歸一化遙感反射比
2.2.2 透明度的遙感評(píng)價(jià)模型
通過(guò)分析透明度對(duì)水體遙感反射光譜的影響,發(fā)現(xiàn)隨著透明度的增加,遙感反射光譜在488和555 nm處變化敏感(圖4)。因此,構(gòu)建基于VIIRS的波段比值算法以評(píng)價(jià)南海近岸海域透明度的時(shí)空分布特征,即評(píng)價(jià)(Rrs(488)/Rrs(555))與透明度之間的相關(guān)關(guān)系。
兩者在南海近岸海域具有較好的正相關(guān)關(guān)系,隨著透明度逐漸增大,Rrs(488)/Rrs(555)逐漸增大(變化范圍為0.5~3.5,均值1.1 ± 0.6),但當(dāng)透明度>10.0 m時(shí),兩者的相關(guān)性有所降低。經(jīng)過(guò)擬合,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)形式結(jié)果最好(圖5)?;赩IIRS波段的南海海域透明度遙感評(píng)價(jià)模型表達(dá)式為:
圖5 透明度與Rrs(488)/Rrs(555)的相關(guān)關(guān)系
SD = 15.1× ln[Rrs(488)/Rrs(555)] + 8.2 (R2= 0.77,N= 85,p< 0.01)
(6)
利用VIIRS傳感器波段的比值構(gòu)建南海近岸海域透明度的遙感評(píng)價(jià)算法,并應(yīng)用于預(yù)處理后的VIIRS衛(wèi)星遙感影像,以獲取該海域透明度的時(shí)空分布特征。
為分析VIIRS大氣校正效果,將準(zhǔn)同步的現(xiàn)場(chǎng)遙感反射比與預(yù)處理后的VIIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者形狀相近(圖6a),且不同波長(zhǎng)的遙感反射比的絕對(duì)值相差很小(圖6b),可用于評(píng)價(jià)南海海域透明度的動(dòng)態(tài)變化特征。
圖6 (a)準(zhǔn)同步采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)遙感反射光譜與遙感影像反射光譜的對(duì)比;(b)特定波長(zhǎng)處實(shí)測(cè)與遙感影像遙感反射比的對(duì)比:412、445、488、555、672、746和865 nm
將公式(6)應(yīng)用于2015年10月在粵西海域的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),以驗(yàn)證南海近岸海域透明遙感評(píng)價(jià)算法的穩(wěn)定性(圖7)。結(jié)果表明,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性,均勻分布在1∶1線周?chē)?兩者具有較好的相關(guān)關(guān)系(R2= 0.84,rRMSE= 19.3%,N= 13,p< 0.01),說(shuō)明該模型具有較好的穩(wěn)定性,可用于南海近岸海域透明度的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)。
圖7 實(shí)測(cè)透明度與估算透明度之間的關(guān)系
將該算法應(yīng)用于2013—2016年南海近岸海域的VIIRS衛(wèi)星遙感影像,獲取該海域的月均產(chǎn)品,從整體上揭示了該海域透明度的時(shí)空變化規(guī)律?;诓煌瑫r(shí)相的VIIRS衛(wèi)星遙感影像獲取了南海近岸海域透明度的時(shí)空分布狀況(圖8),發(fā)現(xiàn)該海域的透明度在0.0~ 40.0 m范圍內(nèi)變化。整體上看,不同年度5月份透明度的空間變化顯著,但離岸較遠(yuǎn)海域透明度高于離岸較近海域,特別是沿岸水體透明度較低,大部分海域透明度小于12.0 m。受水動(dòng)力影響,珠江口東部沿岸透明度高于西部。在海南附近海域,不同年度透明度變化較大。
圖8 2013—2016年5月南海近岸海域透明度的空間分布(白色代表有云區(qū)域)
經(jīng)驗(yàn)?zāi)P褪芟抻谟?xùn)練數(shù)據(jù)集的選擇,并且與水體光學(xué)特性密切相關(guān)[29]。但遙感反射光譜是對(duì)水體及周?chē)h(huán)境信息的綜合響應(yīng),基于水體生物光學(xué)模型的半分析算法仍與樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、代表性以及水體環(huán)境具有較大的相關(guān)性,限制了其在不同水體中的推廣應(yīng)用。針對(duì)南海近岸海域,樣點(diǎn)分布于懸浮泥沙和CDOM占主導(dǎo)地位的珠江口海域[30]、相對(duì)封閉且初級(jí)生產(chǎn)力較高的大亞灣海域[31]以及屬于光學(xué)I類水體的遠(yuǎn)離近岸水體,同時(shí),使用不同年度的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證(R2= 0.84,rRMSE= 19.3%),樣點(diǎn)代表性較強(qiáng),說(shuō)明該模型在南海近岸海域有較強(qiáng)的適用性,為海洋生態(tài)環(huán)境的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)提供了方法論基礎(chǔ)。
針對(duì)不同透明度大小對(duì)應(yīng)的遙感反射光譜以及VIIRS傳感器的波段設(shè)置(圖4),488和555 nm處遙感反射比的斜率對(duì)不同透明度具有較強(qiáng)的區(qū)分性。CDOM在紫外和可見(jiàn)光波段吸收強(qiáng)烈,懸浮泥沙在555 nm附近具有較強(qiáng)的散射特征,浮游植物色素在490 nm處吸收強(qiáng)烈,而葉綠素a在665 nm處具有顯著的吸收峰。水體中的懸浮泥沙、浮游植物色素和CDOM是影響透明度的主要因素[7],因此,考慮488和555 nm處的遙感反射比與透明度的相關(guān)關(guān)系具有一定的物理意義。
從圖5可以看出,當(dāng)透明度>10.0 m時(shí),模型敏感度有所降低,變化平緩,但對(duì)透明度仍有較好的區(qū)分能力(圖7)。而僅考慮透明度<10.0 m的樣點(diǎn),透明度與Rrs(488)/Rrs(555)的相關(guān)關(guān)系有所提高(圖9,R2=0.82),模型敏感度較高。將模型應(yīng)用于VIIRS影像數(shù)據(jù),南海近岸海域透明度<40.0 m(圖8),且大部分海域透明度<32.0 m,說(shuō)明該模型的適用性較強(qiáng),穩(wěn)定性較高。
圖9 透明度(<10 m)與Rrs(488)/Rrs(555)的相關(guān)關(guān)系
為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)VIIRS衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品的優(yōu)劣,將2013年3月7日VIIRS和MODIS透明度產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。由于MODIS傳感器中心波長(zhǎng)為555 nm的波段(545—565 nm)空間分辨率為500 m,而中心波長(zhǎng)為488 nm的波段(483—493 nm)空間分辨率為1 000 m,故采用重采樣為1 000 m空間分辨率的555 nm波段參與透明度評(píng)價(jià)模型運(yùn)算。同時(shí),VIIRS和MODIS Aqua的成像時(shí)間相近,因此選擇VIIRS與MODIS Aqua衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)透明產(chǎn)品進(jìn)行比較。
基于VIIRS和MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的透明度產(chǎn)品均能反映出南海近岸海域透明度的空間分布特征(圖10),總體上表現(xiàn)為離岸較近海域透明度較低,反之較高,且均可表征該海域水動(dòng)力狀況。兩者成像時(shí)間差別較小(VIIRS:5:45 UTC,MODIS Aqua:5:17 UTC),可從空間上進(jìn)行比較。在珠江口以東海域,兩者透明度表現(xiàn)出相似的空間分布特征,但在細(xì)節(jié)上VIIRS透明度產(chǎn)品刻畫(huà)的較為細(xì)致,主要與其較高的空間分辨率有關(guān)。而在珠江口以東海域,特別是湛江海域附近,兩者透明度絕對(duì)值有一定差異,基于VIIRS計(jì)算得到的透明度較高,而MODIS較低,可能與兩者傳感器的性能[9]以及大氣校正參數(shù)輸入有關(guān)[15]。為保證VIIRS傳感器在軌校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量,衛(wèi)星上搭載了一系列在軌校準(zhǔn)器(onboard calibrators, OBCs),并攜帶漫反射板和穩(wěn)定器以減少M(fèi)ODIS存在的非均勻光照帶來(lái)的誤差[9]。對(duì)于大氣校正方法——近紅外迭代法(Iterative NIR correction-BFW10)更適于清澈至中等渾濁水體[15,26],并將該方法應(yīng)用于VIIRS衛(wèi)星遙感影像,大氣校正效果較好。對(duì)于MODIS來(lái)說(shuō),大氣校正輸入的大氣參數(shù)與VIIRS獲取的大氣參數(shù)有一定差別,導(dǎo)致兩者透明度產(chǎn)品在珠江口以西海域有一定差異。
圖10 VIIRS和MODIS透明度產(chǎn)品對(duì)比
總之,作為新一代在軌的水色傳感器VIIRS,具有較高的性能和空間分辨率,將在未來(lái)水色遙感水體生態(tài)參量的定量評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用,并將推動(dòng)水色遙感的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。
將南海近岸海域透明度遙感評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于2013—2016年每月VIIRS衛(wèi)星遙感影像(2016年4月整個(gè)海域云覆蓋,無(wú)影像),發(fā)現(xiàn)南海近岸海域透明空間差異顯著(圖11),透明度在0.0~40.0 m之間變化,總體表現(xiàn)為離岸較近海域透明度低于離岸較遠(yuǎn)海域,西部海域低于東部。特別是珠江口海域,透明度均小于8.0 m。南海近岸海域透明度季節(jié)變化顯著,總體上夏季最高,其次是春季和秋季,冬季最低(圖11)。薛宇歡等[32]研究了中國(guó)近海海水透明度分布特征和季節(jié)變化,發(fā)現(xiàn)南海近岸海域水體透明度變化范圍為0.2~32.0 m,且冬季最低,夏季最高,與本文研究結(jié)果一致。
圖11 南海近岸海域透明度空間和季節(jié)變化
圖12給出南海近岸海域透明度均值年際變化,最大值出現(xiàn)在2015年8月,透明度均值為21.2 m。最小值出現(xiàn)在2016年5月(2.6 m),可能由于該月獲取的衛(wèi)星遙感影像主要集中在離岸較近海域。從不同年度進(jìn)行比較,2015年透明度均值最大,為13.7 m,其次2013年(12.0 m),2014年和2015年透明度均值相差不大,分別為10.8 m和9.7 m。
圖12 南海近岸海域透明度均值年際變化(2013—2016) (其中,不同顏色的橫線代表透明度年均值)
(1)南海近岸海域透明度變化范圍為0.3~30.0 m(均值為6.1 ± 7.7 m),且該海域40%以上的透明度在2.0 m以下,而離岸較遠(yuǎn)海域透明度較大,均值為13.5 ± 8.7 m。
(2)利用涵蓋光學(xué)I類和II類水體的生物-光學(xué)數(shù)據(jù),參照VIIRS衛(wèi)星遙感傳感器波段設(shè)置,構(gòu)建了南海近岸海域透明度遙感評(píng)價(jià)模型,該模型基于VIIRS的波段比值(Rrs(488)/Rrs(555))和透明度之間的定量關(guān)系,精度較高(R2= 0.77,N= 85,p< 0.01)。該模型在透明度>10.0 m時(shí)敏感性有所降低,但對(duì)透明度(10.0~30.0 m)仍有較好的區(qū)分能力。VIIRS具有較高的空間分辨率和性能,對(duì)透明度的細(xì)節(jié)刻畫(huà)能力優(yōu)于MODIS。
(3)將南海近岸海域透明度遙感評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于預(yù)處理后的VIIRS衛(wèi)星遙感影像,發(fā)現(xiàn)南海近岸海域透明度在0.0~40.0 m之間變化,總體表現(xiàn)為離岸較近海域透明度低于離岸較遠(yuǎn)海域,西部海域低于東部。