丁曉英，余順超

(珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510275)

1 引 言

咸潮是枯季影響河口地區(qū)用水安全的重要水文現(xiàn)象。近年來，受珠江三角洲上游持續(xù)干旱、珠江三角洲供水需求不斷增加、全球氣候變暖致海平面上升、河口地區(qū)大量挖砂造成河床下切以及航道疏浚等因素影響，珠江三角洲咸潮入侵呈不斷加強的趨勢。咸潮上溯給人們的生產(chǎn)、生活以及周邊的水生態(tài)環(huán)境都帶來了嚴(yán)重的危害，因此，加強對咸潮上溯的監(jiān)測以便及時制定有效應(yīng)對措施，對于減少咸潮危害具有重要社會、經(jīng)濟意義。

遙感監(jiān)測技術(shù)作為新型的動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，不僅可以快速、及時地提供整個河口的水環(huán)境狀況，還可以結(jié)合長時間序列的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分析水體泥沙和鹽度的時空變化狀況，從而為動態(tài)監(jiān)測咸潮上溯狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前有關(guān)鹽度遙感監(jiān)測的算法主要有兩類：①微波遙感鹽度反演算法[1]，這種方法已經(jīng)被眾多的研究證明了在定量遙感方面的優(yōu)越性，但由于微波遙感數(shù)據(jù)空間分辨率低，目前主要應(yīng)用于大洋水體，尚不滿足近岸河口水域?qū)嶋H應(yīng)用需求；②基于多光譜或高光譜數(shù)據(jù)的水色遙感反演算法，該類算法思想最初由Jerlove[2]等人提出來，主要通過利用水體鹽度與水色因子之間關(guān)系建立反演模型，這類算法具有操作簡單，數(shù)據(jù)獲取容易的特點，但易受時空影響而導(dǎo)致反演精度不穩(wěn)定。綜合考慮各類算法特點和實際監(jiān)測需求，本文以研究以前人水色遙感反演算法為基礎(chǔ)，利用地面固定站點數(shù)據(jù)，建立基于黃色物質(zhì)及測站數(shù)據(jù)協(xié)同作用的表層鹽度自適應(yīng)遙感優(yōu)化模型，較好克服原水色遙感反演模型精度穩(wěn)定性差的特點，在珠江河口區(qū)表層鹽度監(jiān)測中取得較好的效果。

2 研究方法

2.1 試驗數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 研究區(qū)簡介

珠江河口為我國南方最大河流——珠江的入海河口，分別由伶仃洋、磨刀門、雞啼門以及黃茅海等河口灣組成。本文研究區(qū)主要集中在以潮流動力作用為主的伶仃洋喇叭型河口灣及強徑流弱潮流的磨刀門河口(圖1)。

2.1.2 觀測數(shù)據(jù)獲取

2010年1月19日觀測數(shù)據(jù)：珠江口布設(shè)45個站點，采樣時間為MODIS上、下午星過境前后1小時，共獲52組數(shù)據(jù)，包括鹽度、懸浮泥沙(采樣點見圖1)。

2011年12月12日觀測數(shù)據(jù)：珠江口布設(shè)38個站點，采樣時間為MODIS上午星過境前后1小時，獲38組數(shù)據(jù)，包括鹽度、黃色物質(zhì)等參數(shù)數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 珠江口實測站位

另收集2003年～2004年中科院南海海洋研究所兩次海上巡測數(shù)據(jù)，獲2組18個站點數(shù)據(jù)，主要參數(shù)為鹽度、黃色物質(zhì)。

2.1.3 遙感數(shù)據(jù)獲取

MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)：收集2010年春、冬季，2011年1月～2011年12月影像108景。

2.2 基于黃色物質(zhì)的表層水體鹽度遙感反演模型

黃色物質(zhì)(CDOM)，是溶解性有機物質(zhì)的重要組成部分，普遍存在于海洋、湖泊和河流中。根據(jù)國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)黃色物質(zhì)在紫外光和可見光的藍光波段為強吸收特性[3-4]。當(dāng)水體中的黃色物質(zhì)含量越高，則水體在紫外光和藍光波段的反射率就越低。在近岸水域，由于河水徑流攜帶大量陸源黃色物質(zhì)入海，造成河口區(qū)光吸收系數(shù)數(shù)值由于黃色物質(zhì)濃度增加而增大，使黃色物質(zhì)成為河口區(qū)影響水體反射光的重要因子。

另一方面，有學(xué)者在沿海近岸水體研究中經(jīng)常觀察到“在河口水域，作為淡水示蹤的黃色物質(zhì)與作為海水示蹤的鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系”(見Jerlov，1968；McKee，Cunningham，& Jones，1999[2，5])。英國人Bowers等人在對蘇格蘭Clyde河口的鹽度遙感研究中[3，6-7]，同樣也發(fā)現(xiàn)在近岸水體中黃色物質(zhì)與鹽度呈線性相關(guān)，并建立鹽度與黃色物質(zhì)濃度的回歸關(guān)系模型，獲取水體鹽度分布信息。

根據(jù)Bowers等人的研究，黃色物質(zhì)與表層鹽度的關(guān)系模型為：

S=αg400+β

(1)

其中，S表示表層鹽度值；以g400表征黃色物質(zhì)濃度，α、β分別為常量。

黃色物質(zhì)的遙感反演模型為：

(2)

g400表示黃色物質(zhì)濃度；RR為紅光波段的反射率；RX為在另一水色波段的反射率；a和b為常量。通常式(2)中Rx選黃色物質(zhì)表現(xiàn)強吸收特性，而水中懸浮顆粒干擾較弱的藍光波段，即MODIS第3通道(459nm～479nm)的反射率值；RR選MODIS第1通道(620nm～670nm)作為紅光波段。

依據(jù)上述原理，本次利用2003年01月15日、2004年01月05日和2011年12月12日三個測次觀測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在珠江河口區(qū)鹽度與黃色物質(zhì)同樣存在線性相關(guān)關(guān)系(圖2)。因此，通過利用與衛(wèi)星同步觀測的2011年12月12日測點數(shù)據(jù)和經(jīng)過輻射校正、大氣校正的同期MODIS反射率影像進行分析，建立了基于黃色物質(zhì)的單參數(shù)珠江口表層鹽度遙感模型，如式(3)所示。

(3)

圖3為建模過程中，黃色物質(zhì)與MODIS影像反射率關(guān)系分析，擬合相關(guān)系數(shù)達到R2>0.8。圖4為利用式(3)對同期觀測的另11個驗證站點數(shù)據(jù)進行精度驗證結(jié)果，該結(jié)果顯示模型計算相對誤差最大值為25.71%，平均相對誤差為14.36%。

圖2 伶仃洋鹽度與黃色物質(zhì)(CDOM，g400)關(guān)系圖

2.3 表層鹽度遙感定量模型優(yōu)化算法

2.3.1 單參數(shù)表層鹽度遙感模型穩(wěn)定性分析

式(3)為依據(jù)2011年12月實測數(shù)據(jù)建立的基于黃色物質(zhì)單參數(shù)的表層鹽度遙感反演模型。當(dāng)以另一測次數(shù)據(jù)對該模型結(jié)果進行評估時發(fā)現(xiàn)，模型穩(wěn)定性并不理想。圖5為利用2010年1月衛(wèi)星同步觀測數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性驗證的結(jié)果。結(jié)果顯示，鹽度計算值與實測值間存在較大誤差，模型計算精度起伏較大。初步分析原因，與遙感反射率擾動有關(guān)。由于成像時刻不同，外界的大氣、水質(zhì)等因素亦會有所差別，從而導(dǎo)致影像遙感反射率擾動，造成模型反演精度變動。

2.3.2 表層鹽度遙感定量模型優(yōu)化

為提升模型計算精度的穩(wěn)定性，使模型更好的滿足日常遙感監(jiān)測需求，下面將對原有模型進行優(yōu)化。

圖3 黃色物質(zhì)(g400)和R665/R469關(guān)系圖

圖4 模型3的鹽度計算值和實測值對比圖

考慮到原有模型是因“成像時刻外界條件差異”出現(xiàn)反射率擾動，導(dǎo)致計算精度起伏。因此，優(yōu)化算法中考慮：發(fā)揮珠江河口少數(shù)咸情監(jiān)測站點優(yōu)勢，在模型中引入局部測站鹽度數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進行自適應(yīng)修正，摒除成像日期變化對遙感反射率的干擾，建立基于黃色物質(zhì)及測站數(shù)據(jù)協(xié)同作用的表層鹽度自適應(yīng)遙感優(yōu)化模型。

這里基于研究目標(biāo)和固定站點分布情況，選擇更臨近外海的大橫琴咸情站作為參數(shù)修正站點。

具體推算步驟如下：

首先，根據(jù)式(1)和式(3)反推可得

(4)

這里S表示表層鹽度值；Rbx為(R645/R469)的值。

假設(shè)S0為X日大橫琴咸情站衛(wèi)星過境時刻實測鹽度值，則可由S0推算該站點在X日時的(R645/R469)計算值，即Rbx0′。將X日衛(wèi)星影像在該站點對應(yīng)的(R645/R469)實測值Rbx0與計算值進行比較，獲取模型修正系數(shù)bx，即

bx=Rbx0′/Rbx0

(5)

注：這里x為日期，即bx表示x日的修正系數(shù)。

最后，根據(jù)式(1)、(2)、(4)、(5)，獲得優(yōu)化的表層鹽度遙感定量模型為

S=-38.87×(0.825×Rbx·bx-0.792)+35.66

(6)

由于式(6)是基于黃色物質(zhì)建立的，在河口水體中因泥沙反射影響，對黃色物質(zhì)的反演存在較大干擾。因此，基于在鹽度大于5的情況下懸沙干擾呈穩(wěn)定下降趨勢[8]的分析，模型適用的鹽度范圍為鹽度大于5。

2.3.3 模型驗證

以2010年1月19日海上觀測鹽度數(shù)據(jù)進行驗證。由于1月19日天空多云，無法獲得清晰衛(wèi)星影像圖，故選用與該日衛(wèi)星過境時刻潮情、水情相似的1月18日MODIS影像作為模型輸入的原反射率影像。驗證結(jié)果見圖5和表1。

由表1的模型優(yōu)化前后的精度對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前原模型鹽度計算值誤差波動在0%～87%之間，誤差變化劇烈；優(yōu)化后模型誤差波動幅度減小，雖然存在個別點反演精度比優(yōu)化前降低，但整體上各樣點計算誤差基本控制在30%以內(nèi)，滿足長時間序列監(jiān)測基本需求。優(yōu)化后模型的穩(wěn)定性獲得明顯改善。

圖5 實測值與表層鹽度遙感定量模型計算值關(guān)系圖

圖6 MODIS數(shù)據(jù)估算珠江口表層鹽度分布圖

表1優(yōu)化遙感模型與原遙感模型精度對比

站點序號實測值優(yōu)化模型計算值優(yōu)化模型誤差(%)原模型計算值原模型誤差(%)A3-115.881813.35 23.7849.75 A4-11317.6535.77 24.3587.31 A5-4-113.3117.8934.41 24.4283.47 b221.2921.16-0.61 23.8211.88 b323.7221.17-10.75 23.71-0.04 b626.3723.08-12.48 24.2-8.23 b725.1520.99-16.54 23.81-5.33 C117.5316-8.73 21.7724.19 C222.7620.97-7.86 22.980.97 C427.8623.53-15.54 24.1-13.50 C530.3728.38-6.55 26.38-13.14 D229.1527.298-6.35 23.16-20.55 D332.0522.84-28.74 24.16-24.62 D528.8826.16-9.42 25.43-11.95 e727.4521.86-20.36 24.27-11.58

此外，還將優(yōu)化模型式(6)應(yīng)用于2010年至2012年間不同時相MODIS數(shù)據(jù)分析，都能獲得比較合理的表層鹽度信息，其中圖6為依據(jù)優(yōu)化模型獲得的珠江河口枯季漲、落潮典型時段的表層鹽度分布圖，其空間分布反映了珠江河口鹽度的日變化是隨潮位的變化而變化，漲潮時鹽度增高，落潮時降低，鹽度變化周期與潮位基本一致。

3 結(jié)束語

本文通過對2010年～2011年及2003年～2004年測次鹽度、黃色物質(zhì)、光譜變量等信息的分析，引入局部測站數(shù)據(jù)，建立了基于黃色物質(zhì)及測站數(shù)據(jù)協(xié)同作用的珠江河口表層鹽度自適應(yīng)遙感優(yōu)化模型。結(jié)果表明：

①在珠江河口地區(qū)，黃色物質(zhì)與鹽度呈線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系，建立基于黃色物質(zhì)的表層鹽度遙感定量模型可行。

②利用基于黃色物質(zhì)的單參數(shù)表層鹽度遙感定量模型受時相限制，穩(wěn)定性較差，而在原有模型基礎(chǔ)上結(jié)合局部控制站點數(shù)據(jù)進行自修正的優(yōu)化模型，較好地解決了原來模型穩(wěn)定性差的問題，適用于長時間序列的表層鹽度監(jiān)測。模型驗證結(jié)果顯示，優(yōu)化模型對河口近海區(qū)的監(jiān)測誤差在30%以內(nèi)，基本滿足珠江河口水體鹽度監(jiān)測需求。

③由于本模型是基于黃色物質(zhì)的水色遙感原理建立的，受水體特性影響，在對口門及口門以上河道區(qū)域水體鹽度反演時受黃色物質(zhì)反演累計誤差影響和懸沙干擾明顯。同時，鑒于目前本模型僅利用單個固定站點數(shù)據(jù)進行協(xié)同修正，因此未來希望開展遙感數(shù)據(jù)與多站點數(shù)聯(lián)動修正研究，以進一步完善鹽度遙感監(jiān)測模型，爭取在下一步研究中解決上述問題。

致謝：中國科學(xué)院南海海洋研究所陳楚群研究員對本文的指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支持。

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