基于Landsat8數(shù)據(jù)的舟山群島海域懸浮泥沙濃度遙感研究

潘磊劍,郭碧云

(浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 舟山 316022)

0 引言

懸浮泥沙的含量直接影響水體諸如水色、渾濁度、透明度等光學(xué)性質(zhì),懸浮泥沙的分布、擴散、沉降的過程也影響著水體的生態(tài)環(huán)境狀況,同時也影響著河口、海岸帶等的沖淤變化,以及海岸帶水質(zhì)、地貌、生態(tài)環(huán)境,影響港口建設(shè)工程、航道建設(shè)以及安全情況[1-4]。舟山海域的航運、水產(chǎn)、旅游業(yè)發(fā)達,因此對該區(qū)域懸浮泥沙的研究具有重要意義。

傳統(tǒng)的懸浮泥沙濃度的測量方法是利用調(diào)查船對研究區(qū)進行逐點采樣與分析,該方法可以獲得準(zhǔn)確的泥沙濃度數(shù)據(jù),但是存在速度慢、周期長,且只能獲得少量的離散點的缺點,難以對大面積區(qū)域進行監(jiān)測。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以對水體進行快速、經(jīng)濟、大范圍、連續(xù)性的動態(tài)監(jiān)測,在大面積海域懸浮泥沙濃度的研究中有著不可替代的作用[5-7]。黎夏[5]結(jié)合輻射傳輸理論,運用Gordon和負指數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)得出懸浮泥沙遙感定量的統(tǒng)一式,并將其應(yīng)用于珠江口懸浮泥沙遙感定量研究。Richard[8]、Forget[9]利用TM 和SPOT 等遙感影像結(jié)合實地光譜測量數(shù)據(jù)以及實測懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)的線性回歸分析確定反射率與研究區(qū)域懸浮泥沙濃度的關(guān)系,建立了基于統(tǒng)計分析方法的懸浮泥沙遙感反演模式。李炎等[10]利用比值模式得出長江口的表層懸浮泥沙含沙量與海面光譜反射率關(guān)系曲線斜率的線性關(guān)系式和指數(shù)關(guān)系式。并且將其與各同步采樣點遙感測量的斜率值和海面實測含沙量的關(guān)系進行比較驗證,兩者結(jié)果的最大誤差小于30%。馬超飛等[11]利用2003年春季黃海、東海現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),建立了基于風(fēng)云1號衛(wèi)星第4波段的水色要素反演算法,并得到了懸浮泥沙、總懸浮物以及低濁度水體中葉綠素a的濃度反演算法,該算法能夠滿足需要,而高濁度水體中葉綠素a的濃度反演算法還需要進一步探究結(jié)論。

本研究在利用實測海水光譜及懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合Landsat8遙感數(shù)據(jù)對舟山群島海域懸浮泥沙濃度進行研究,能夠?qū)υ搮^(qū)域泥沙分布情況進行監(jiān)測。

1 研究區(qū)概況

舟山群島位于浙江省東北部,杭州灣東側(cè),長江口以南,地理坐標(biāo)為121°31'E—123°25'E、29°32'N—31°04'N。作為我國第一大群島,舟山群島由1 390余個島嶼組成,海域面積遠遠大于其陸地面積,擁有豐富的港口、航道和漁業(yè)資源,因此研究舟山群島海域懸浮泥沙分布對于航運以及漁業(yè)等有著重要的意義。由于錢塘江和長江輸送的大量泥沙影響,其近岸水體為典型的二類水體[12-13]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 實測數(shù)據(jù)

2.1.1 光譜數(shù)據(jù)

利用ISI921VF地物光譜儀測量舟山近岸海水光譜。分別測量標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度(L p)、水體反射輻亮度(L wat)以及天空漫反射輻亮度(L sky),測量時間是9:30-14:30,測量點22個,每個測量點進行3次測量,每次采集15條曲線,在每個測量點同時采集表層0.5 m 處500 m L水樣3瓶。具體測量點位置見圖1。

圖1 野外采樣點分布

遙感反射率的計算公式:

式中:L wat為水體反射輻亮度;L sky為天空漫反射輻亮度;L p為標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度;R p為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率;r為水氣界面反射率;取經(jīng)驗值0.022[14]。

2.1.2 泥沙濃度實測數(shù)據(jù)

將水樣帶回實驗室進行過濾、烘干、稱重,計算水體中懸浮泥沙濃度。實驗過程參照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 17378.4—2007)的操作方法。

2.2 遙感數(shù)據(jù)

本研究利用Landsat8 遙感數(shù)據(jù),成像時間是2017年7月23日上午10時25分。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)。Landsat8衛(wèi)星上攜帶著OLI陸地成像儀和TIRS 熱紅外傳感器兩個傳感器,具體參數(shù)見表1。

利用ENVI5.3 軟件對遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo),大氣校正。輻射定標(biāo)是將圖像的數(shù)字量化值(DN)轉(zhuǎn)化為輻射亮度值或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程。大氣校正的目的是消除大氣吸收、散射的影響,將輻射定標(biāo)得到的輻射亮度值轉(zhuǎn)化為地表實際反射率,大氣校正使用ENVI 5.3軟件自帶的FLAASH 大氣校正模塊,并且根據(jù)研究區(qū)選取參數(shù)。

表1 Landsat8 OLI及TIRS數(shù)據(jù)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 舟山近岸懸浮泥沙光譜特征

利用式(1)計算采樣點的遙感反射率值,并繪制出反射率光譜曲線,結(jié)果見圖2。橫坐標(biāo)為波長,縱坐標(biāo)是遙感反射率,由圖2 可以看出,隨著水體懸浮泥沙濃度的增加,各波段的反射率相應(yīng)增加,但是各波段的增幅有明顯的不同,在波長580～820 nm 時不同懸浮泥沙濃度水體的反射率的變化較大,而在小于580 nm,大于820 nm 時其變化則相對較小。水體光譜曲線存在著“雙峰”的現(xiàn)象,第一峰值出現(xiàn)在波長580 nm 左右,呈“寬峰”的形狀,延伸至波長710 nm 左右,第二個峰位于波長820 nm 左右。

圖2 舟山近岸海域水體光譜曲線

3.2 懸浮泥沙反演模型的建立

通過分析發(fā)現(xiàn),Landsat8的波段1至波段4對泥沙濃度變化反應(yīng)較敏感。分析實測光譜數(shù)據(jù)與這4個波段的遙感反射率,將4個波段遙感反射率與對應(yīng)實測的懸浮泥沙濃度建立關(guān)聯(lián),以反射率不同波段組合結(jié)果作為自變量,實測泥沙濃度為因變量構(gòu)建回歸方程,分別建立線性、對數(shù)、二次、指數(shù)、冪指數(shù)模型。計算兩個變量之間的相關(guān)系數(shù)R2,R2值越高表示該波段組合與懸浮泥沙濃度之間的相關(guān)性越大[15]。選取15個測量點進行模型構(gòu)建,另外7個測量點的數(shù)據(jù)進行模型驗證。

3.2.1 波段比值法

分別用4個波段的反射率進行兩兩比值計算,將不同的比值結(jié)果與實驗室實測泥沙濃度進行回歸分析,構(gòu)建不同的模型,包括線性模型、對數(shù)模型、二次模型、指數(shù)模型、冪指數(shù)模型。構(gòu)建的模型和相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 波段比值法懸浮泥沙反演模型

由表2可以看出,在所構(gòu)建的回歸方程中,B4/B3和B4/B2的相關(guān)性較高,這兩組波段比值的指數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)都超過了0.9,B4/B2的冪指數(shù)方程的相關(guān)系數(shù)達到了0.902 4。

3.2.2 多波段組合

將不同波段的反射率進行多波段組合運算后與實驗室實測泥沙數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,構(gòu)建回歸方程(表3)。

表3 多波段組合懸浮泥沙反演模型

續(xù)表

從表3 中可以看出,B4/(B3+B2)、B4/(B3+B1)、B4/(B2+B1)、(B4+B2)/(B3+B1)這4種波段組合間的運算結(jié)果與泥沙濃度建立的回歸方程中,分別有兩種方程的相關(guān)系數(shù)超過0.9,其中構(gòu)建的指數(shù)方程的相關(guān)系數(shù)高于其他方程。

3.3 精度檢驗

使用另外7個采樣點的實測泥沙濃度分別對所構(gòu)建的回歸方程中相關(guān)系數(shù)較高的方程進行精度檢驗。方程包括由B4/B3、B4/B2、B4/(B3+B2)、B4/(B3+B1)、B4/(B2+B1)、(B4+B2)/(B3+B1)6 種組合構(gòu)建的二次模型、指數(shù)模型、冪指數(shù)模型。7個驗證點及海水的泥沙濃度詳細信息見表4。驗證結(jié)果如表5所示。

表4 驗證點位置及懸浮泥沙濃度

表5 6種組合模型驗證結(jié)果

續(xù)表

從表5可以看出,B4/B3、(B4+B2)/(B3+B1)這兩種波段組合的3種模型的平均相對誤差和均方根誤差明顯低于另外4種波段組合。B4/B3組合3種模型的平均相對誤差分別為23.21%、23.43%、25.80%,均方根誤差分別為0.069 1 g/L、0.069 9 g/L、0.077 7 g/L。(B4+B2)/(B3+B1)組合的平均相對誤差分別為24.84%、25.47%、26.70%,均方根誤差分別為0.069 8 g/L、0.069 5 g/L、0.073 8 g/L。將7個驗證點在這兩種組合下的3個模型的誤差情況進行詳細分析,如圖3、圖4所示。圖3(a)(b)(c)分別表示B4/B3模型中7個驗證點在二次、指數(shù)、冪指數(shù)模型中的模擬值與實測值的比較,圖3(d)表示7個驗證點在3種模型下的相對誤差。圖4(a)(b)(c)分別表示(B4+B2)/(B3+B1)模型中7個驗證點在二次、指數(shù)、冪指數(shù)模型中的模擬值與實測值的比較,圖4(d)表示7個驗證點在3種模型下的相對誤差。

圖3 B4/B3 構(gòu)建的模型精度驗證

B4/B3二次模型的最大最小相對誤差分別為54.33%和4.26%,指數(shù)模型的最大最小相對誤差分別為56.97%和2.93%,冪指數(shù)模型的最大最小相對誤差分別為58.77%和1.57%。(B4+B2)/(B3+B1)二次模型的最大最小相對誤差分別為56.12%和9.29%,指數(shù)模型的最大最小相對誤差分別為57.53%和4.43%,冪指數(shù)模型的最大最小相對誤差分別為58.86%和3.74%。

根據(jù)圖3和圖4 對比懸浮泥沙含量低濃度時(樣本1:0.123 8 g/L,樣本2:0.076 1 g/L,樣本3:0.192 6 g/L)和高濃度時(樣本4:0.273 0 g/L,樣本5:0.345 4 g/L,樣本6:0.252 1 g/L,樣本7:0.463 0 g/L)的相對誤差,所分析的3種模型,在懸浮泥沙濃度低時,模型的誤差較懸浮泥沙濃度高時的誤差要高。并且對于兩種不同波段組合來說,B4/B3的模型精度比(B4+B2)/(B3+B1)模型精度高,選用B4/B3波段組合中精度最高的二次模型:SSC=1.302 3x2-1.811x+0.693 對舟山海域懸浮泥沙濃度進行反演。

圖4 (B4+B2)/(B3+B1)構(gòu)建的模型精度驗證

3.4 Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)對舟山近岸懸浮泥沙濃度反演

運用Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)對舟山近岸懸浮泥沙濃度進行反演,反演結(jié)果如圖5所示。

圖5 2017年7月23日舟山海域懸浮泥沙濃度遙感反演結(jié)果

圖5是Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的2017年7月23日舟山海域懸浮泥沙分布情況,可以看出舟山群島海域處于高泥沙濃度的狀態(tài)。島嶼近岸懸浮泥沙濃度明顯高于開闊水域泥沙濃度,島嶼近岸的懸浮泥沙濃度大部分高于0.2 g/L,靠近杭州灣一側(cè)的舟山本島西北角的懸浮泥沙濃度明顯高于其他地區(qū),西北角的懸浮泥沙濃度大部分超過0.4 g/L。在杭州灣以及長江口入海水流的作用下泥沙向東南方向輸移,受島嶼阻隔的影響,在多數(shù)島嶼西側(cè)泥沙大量堆積,使得大部分島嶼西側(cè)的泥沙濃度高于東側(cè),水體懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)“西高東低”的格局。

4 結(jié)果與討論

通過對舟山海域水體光譜特征觀測、采樣點泥沙濃度的實驗室測量及Landsat8遙感數(shù)據(jù)不同波段反射率的計算,獲得光譜反射率與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性,構(gòu)建反演模型。研究結(jié)果如下:

(1)隨著水體懸浮泥沙濃度的增加,各波段的反射率相應(yīng)增加,且不同波段的增幅有明顯的不同。水體光譜曲線存在“雙峰”現(xiàn)象,第一峰值出現(xiàn)在波長580 nm 左右,呈“寬峰”的形狀,第二個峰值位于波長820 nm 左右。

(2)根據(jù)不同波段之間的組合,通過綜合分析發(fā)現(xiàn)Landsat8遙感數(shù)據(jù)波段4與波段3的比值模型與懸浮泥沙濃度的相關(guān)性較高。經(jīng)過精度檢驗,認為B4/B3構(gòu)建的二次模型SSC=1.302 3x2-1.811x+0.693適用于舟山群島海域懸浮泥沙濃度的反演。

(3)舟山群島海域處于高泥沙濃度的狀態(tài),其西北角的懸浮泥沙濃度明顯高于其他地區(qū)。由于水流的流向及海島的阻隔影響,舟山島嶼周圍的懸浮泥沙濃度呈西高東低。

(4)本研究只是基于遙感數(shù)據(jù),并未考慮海流、潮汐等其他動力因素對泥沙濃度分布的影響,采樣點數(shù)量較少,對舟山群島海域懸浮泥沙濃度的空間分布的研究存在不足。在今后的研究中應(yīng)彌補這一不足,并進一步對于舟山群島海域不同季節(jié)的懸浮泥沙濃度變化進行研究。