馬驊,蔣雪中

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海200062)

長江口春季潮周期內(nèi)總懸浮顆粒物濃度的光學遙感反演

馬驊,蔣雪中

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海200062)

長江河口水域由于受徑潮流相互作用和高含沙量影響,水體光學特性具有特殊性.同一潮周期內(nèi)大潮時總懸浮顆粒物濃度能達到0.5 kg/m3以上,而小潮時最大總懸浮顆粒物濃度只有大潮的1/3,高總懸浮顆粒物濃度和潮周期內(nèi)較大的變差,使得很多經(jīng)驗算法無法取得良好的反演效果.為了能適應該區(qū)域特殊水體特性,通過改進總懸浮顆粒物的復雜指數(shù)模式,建立了適合長江口地區(qū)的改進模式.利用2014年5月航次現(xiàn)場光學和同步水沙數(shù)據(jù)分析了長江河口地區(qū)總懸浮顆粒物濃度隨著潮周期的變化特征,在原有7個備選波段的基礎上引入了806 nm和858 nm兩個備選波段,補充近紅外波段峰面積指數(shù)作為復雜指數(shù)模式的第五個指數(shù),將復雜指數(shù)與總懸浮顆粒物濃度的對數(shù)之間線性關系改進為二次多項式關系,針對不同潮情的水體特性建立了分潮情的改進模型.結(jié)果表明：改進的模型可以適用于長江口水域,大、小潮分別建模得到的反演精度較大小潮統(tǒng)一模型更高,能更好地刻畫潮周期內(nèi)離水輻射的變化,反映總懸浮顆粒物濃度的潮周期變動.

水色要素;總懸浮顆粒物濃度;潮汐周期;遙感反射率;長江河口

0 引言

懸浮顆粒物是陸地向海洋物質(zhì)輸運的重要載體,總懸浮顆粒物(Total Suspended Matters,TSM)濃度及其變化會對海洋生物、化學、物理過程產(chǎn)生重要影響,從而影響其生態(tài)環(huán)境和資源分布,在泥沙搬運、沖淤分析和河口三角洲演變研究中有重要價值,同時也是灘涂圍墾和海岸工程建設的重要參考因素[1].相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法,遙感數(shù)據(jù)憑信在空間覆蓋、時間周期覆蓋以及歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)等方面的優(yōu)勢,能為大面積水域監(jiān)測提供有效途徑[2],從最初的陸地資源衛(wèi)星到各類水色傳感器的出現(xiàn),信助實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識,在一類水體中取得了成功,很多模式已經(jīng)得到業(yè)務化應用[3-5].

但是在長江河口這樣的大河口地區(qū),入海泥沙量大,是世界上懸浮物含量最高的海域之一[6],為典型的二類水體.受到潮流和徑流交匯的影響,水動力存在日內(nèi)漲落潮變化,半月大小潮變化以及洪枯季的徑流變動,使得長江河口的TSM濃度及水體光學特性復雜多變.經(jīng)驗型反演算法基于TSM濃度與遙感反射率或離水輻亮度等表面光學數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析關系之上,算法簡單,利于業(yè)務化,但是區(qū)域依賴性強,對時空變化較為敏感,在長江口地區(qū)的應用效果并不理想[7],至今仍沒有理想的模型能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)測,而且自三峽水庫對干流徑流進行調(diào)蓄以來,進入河口的水沙通量和季節(jié)分配與之前有很大不同[8],給河口水體的光學特性可能帶來影響.

本項研究通過現(xiàn)場光學特性測量,結(jié)合實驗室測定同步TSM濃度數(shù)據(jù),嘗試改進綜合指數(shù)算法來構(gòu)建新的模型,以圖更好地來刻畫大河口潮周期內(nèi)離水輻射的變化,為今后高光譜遙感數(shù)據(jù)的應用和建立全周期模式積累經(jīng)驗.

1 數(shù)據(jù)與測量方法

2014年5—6月的現(xiàn)場測點位于長江口南槽的S1(121?56′23.6′′E,31?10′0.3′′N)和北港口門的S2(122?05′45.0′′E,31?22′42.9′′N)兩個站點,采集了5月29—31日(大潮)和6月5—8日(小潮)7 d的連續(xù)觀測數(shù)據(jù).光學量測量使用Satlantic公司的Hyper-SAS高光譜數(shù)字光譜儀,測量范圍從349～858nm,光譜分辨率為3.33 nm,經(jīng)插值后光譜分辨率為1 nm,采用水面以上測量法[9],將輻射計伸出船體3m左右以避免船體陰影的影響,通過調(diào)整輻射計探頭方向在避開太陽直射、忽略或者避免白帽現(xiàn)象的情況下,保持儀器的觀測平面與太陽入射平面的夾角在90?～135?之間,向下總?cè)肷涮筋^與海面法線方向保持在30?～45?之間,數(shù)據(jù)記錄使用儀器自帶SatView軟件,室內(nèi)利用Prosoft軟件進行數(shù)據(jù)處理.

現(xiàn)場觀測共獲得67組單獨水沙數(shù)據(jù)和90組現(xiàn)場光學數(shù)據(jù),其中41組為同步表面光學數(shù)據(jù).剔除2組異常數(shù)據(jù)后,按照潮汐情況可分為15組大潮數(shù)據(jù)和24組小潮數(shù)據(jù).非同步水沙數(shù)據(jù)用于分析大小潮期間的水沙變化特征,非同步光譜可用于分析大小潮離水輻射特征.

遙感反射率Rrs可由(1)式計算而得[10]：

其中,Ls,dif是天空漫散射光,是需要去除的干擾水體光譜的噪聲信息.ρsky(W)Ls,dif是氣-水面對天空漫散射的反射率,它取決于太陽高度角等諸多因素,當風速較小(小于等于3m/s),天空無云或云量較少時,可根據(jù)Ruddick et al[11]計算,

依據(jù)現(xiàn)場風速風向測量,取平均風速為3m/s,ρsky(W)Ls,dif=0.027 1,由此可以由(3)式計算出離水輻亮度為

Ed(λ)是經(jīng)過自帶軟件計算而得的海面總?cè)肷漭椪斩?因此,根據(jù)遙感反射率的定義, Rrs(λ,θ0,W)可以由(1)式計算得到.

現(xiàn)場同步采集表層水樣,于每天8：00—17：00每整點取水樣600m L,特征潮情時刻(漲憩、落憩、漲急、落急)和光譜測量時刻加采,運送回實驗室采用過濾稱量法測量總懸浮物濃度.使用孔徑0.2μm玻璃纖維濾膜對含沙水樣進行抽濾,然后放入105?C恒溫箱內(nèi)烘干,再放入干燥器中冷卻10m in后放入萬分之一分析天平稱重,計算得到TSM濃度.

2 算法改進

2.1 CPTSM算法

Mao Z等在中國東中國海,綜合四種不同經(jīng)驗和簡化半經(jīng)驗算法指數(shù)的優(yōu)勢,實現(xiàn)了CPTSM算法,不考慮潮汐對TSM的影響,在東海水域取得了良好的效果[12].CPTSM算法具體表述如(4)式：

其中f1,f2,f3,f4是4個指數(shù)X1,X2,X3,X4的權(quán)重,這些指數(shù)可由(5)式計算而出,

該算法選擇SeaWiFS的7個波段即412 nm、443 nm、490 nm、510 nm、555 nm、670 nm、765 nm作為備選波段,將上述7個波段代入(5)式計算各指數(shù)與實測TSM的相關系數(shù),選擇其中在與實測同步數(shù)據(jù)集中相關系數(shù)最大的波段或波段組合作為反演建模波段.其中C1是理論衍生值,C1的取值決定于X1能否取得與TSM之間較高的相關性,經(jīng)過測試,過大或過小的值都會降低兩者之間的相關性,當C1在0.1左右時最為合適,本文測試了0.02, 0.05,093,0.15,0.2等值,發(fā)現(xiàn)在0.05～0.2之間X1與TSM之間的相關性幾乎不變,為了與CPTSM算法對比,本文采用與原算法相同的值,即C1=0.093.

長江口地區(qū)屬于非正規(guī)半日潮,在半個月中出現(xiàn)一次大潮和一次小潮,相應表層懸沙濃度分布也不一樣.將CPTSM算法引入長江河口,利用同步數(shù)據(jù)集中的31組數(shù)據(jù),其中11組大潮、20組小潮建立模型,分別針對完整大小潮潮周期全部數(shù)據(jù)集(以下簡稱為大小潮)、大潮數(shù)據(jù)集、和小潮數(shù)據(jù)集進行相關分析.得到的最佳波段或波段組合結(jié)果如(6)式,從左至右的三個結(jié)果分別對應大小潮,大潮和小潮：

為了表述簡便,將X4指數(shù)中490 nm、510 nm、555 nm、670 nm、765 nm 5個波段的一階微分之和記為.由于各指數(shù)波段選擇、組合方式不同,變化范圍差別非常大,不能有效體現(xiàn)出這些指數(shù)對綜合指數(shù)的影響,必須通過權(quán)重加以平衡.計算(6)式中指X1—X4各指數(shù)的變化范圍,以X3為基準,分別計算大小潮、大潮和小潮模型的權(quán)重f1—f4,計算得到的結(jié)果分別為(0.06,0.06,1,130),(0.06,0.05,1,145),(0.09,0.02,1,187).將以上結(jié)果代入(4)式就能得到綜合指數(shù)CP,然后對TSM濃度的對數(shù)與綜合指數(shù)進行統(tǒng)計回歸分析,得到如(7)式所示的二者之間的線性關系,即為CPTSM的反演模型.

利用實測數(shù)據(jù)建立的CPTSM模型擬合精度R2分別為0.83,0.86和0.70,F值分別為294.9,45.9和129.6,均大于95%置信度水平的F臨界值,如圖1所示,小潮期間的擬合精度相對較低可能是由于小潮期間同步光譜數(shù)據(jù)較大潮更接近中午,受到太陽直射的影響更為嚴重.同時,長江口地區(qū)TSM反演最佳波段為858 nm的近紅外波段,而SeaWiFS并沒有該波段,也是導致小潮精度較低的原因.

圖1 CPTSM算法的模型擬合結(jié)果Fig.1 The fitting results of CPTSM algorithm

2.2 ICPTSM算法

光譜特征分析對于遙感反演算法的波段選擇有著重要的意義,同時也能反映出研究區(qū)域內(nèi)水體的表面光學特性.如圖2所示,分析90組現(xiàn)場光學數(shù)據(jù),其光譜特征無論在大潮還是在小潮都是典型的高泥沙濃度低葉綠素含量形式[13],在580～690 nm波段范圍內(nèi)存在明顯的第一反射峰,之后隨著波段增加,遙感反射率明顯下降,在750 nm附近形成一個反射谷,主要是因為水體自身的吸收造成,之后遙感反射率迅速增加,在760～840 nm之間形成第二反射峰,806 nm左右波段為峰值位置.CPTSM算法的七個備選波段并不能完全反映懸浮顆粒物的光學特性,尤其是第二反射峰的特征,因此嘗試增加806 nm和858 nm兩個波段, 806 nm為第二峰峰值,858 nm為現(xiàn)場所測高光譜數(shù)據(jù)的最大值,也是大多數(shù)傳感器所具備的紅外波段,一共有9個備選波段進行分析,能更全面地覆蓋TSM在可見光和近紅外的特征波段.

S1站點大潮期間表層水體平均TSM濃度為0.136 4 kg/m3,小潮表層水體平均TSM濃度為0.099 5 kg/m3;S2站點大潮表層水體平均含TSM濃度為0.302 9 kg/m3,小潮表層水體平均TSM濃度為0.105 6 kg/m3.如圖2所示表層懸浮總顆粒物濃度的變化范圍從0.036 5 kg/m3至0.580 8 kg/m3,0.1 kg/m3以下TSM濃度出現(xiàn)頻率最大,低濃度大多出現(xiàn)在小潮階段,由于S1、S2站點都處在長江口最大渾濁帶的位置,大潮時的流速能達到小潮時的1.5～2.0倍,大潮時水體受到的擾動作用強烈,底部泥沙再懸浮作用特別明顯,導致大潮時含沙量較小潮時成倍增加[14].小潮期間的TSM濃度比大潮期低很多,S2站點小潮TSM平均濃度只有大潮的1/3左右,而且小潮TSM濃度變幅較小,這可能是CPTSM模型小潮時效果不理想的原因.

圖2 實測遙感反射率曲線Fig.2 In situ rem ote sensing reflectance curves

圖3 2014年5月航次TSM濃度頻率分布以及潮周期內(nèi)時間分布Fig.3 The normal distribution of the TSM concentration(left)and the standard deviation (right)in a tide cycle during the survey in May,2014

分析小潮期間28組遙感反射率數(shù)據(jù)與相應TSM濃度之間的線性相關性,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)在600 nm之前,相關系數(shù)一直都很低,在黃色波段之后,相關系數(shù)迅速上升,在710 nm之后穩(wěn)定在0.8以上.TSM濃度與近紅外波段遙感反射率度相關性很高,而且長江口地區(qū)也有顯著的第二反射峰特性,在紅色以及近紅外波段上,顆粒物后向散射輻射與顆粒物濃度存在非線性關系,在不同波長上這種非線性關系也不同[15],由于在710 nm以后持續(xù)的高相關性,考慮引入第二反射峰峰面積來彌補CPTSM算法在低TSM濃度時的不足,在CP指數(shù)中加入該值作為第五個指數(shù)X5.

第二峰峰面積指數(shù)首先計算756～858 nm區(qū)間內(nèi)Rrs曲線的積分面積,再用該面積減去該區(qū)域以下的梯形面積,該算法可以表述為(8)式：

其中,X5是峰面積指數(shù),Rrs(λ)是波長為λ的遙感反射率,B是相鄰波段的間隔,λ1和λ2是第二峰的首尾波長.由于天空光反射在750～850 nm之間的反射曲線幾乎為平的,因此該算法可以有效避免天空光的反射干擾,國內(nèi)有學者在泥沙濃度不高的珠江河口二類水體的研究中發(fā)現(xiàn)TSM濃度與X5具有較高的相關性[16].考慮到模型的應用和備選波段的限制,將峰面積算法簡化為計算以765 nm、806 nm和858 nm波段為頂點的三角形面積,如圖5所示,該算法可以表述為(9)式：

圖4 2014年5月航次小潮期TSM濃度和同步遙感反射率在各波段上的線性相關性Fig.4 The linear correlation of the TSM concentration and synchronizing rem ote sensing reflectance

圖5 簡化的近紅外峰面積算法Fig.5 A simplified triangle area algorithm using near infrared band 755 nm,806 nm,and 858 nm as the vertex apex

對比CPTSM模型的擬合TSM濃度與實測值(見圖1),可以發(fā)現(xiàn),在泥沙濃度小于0.2 kg/m3時反演值比實測值高,而在泥沙濃度大于0.2 kg/m3時,二次多項式能更好地描述綜合指數(shù)和TSM濃度之間的關系,式(10)中a,b,c可通過實測TSM濃度與CP指數(shù)回歸分析得到.因此將線性模式(式7)改進為二次多項式,經(jīng)過改進的算法稱為ICPTSM(improvedcomplex proxy)算法：

2.3 算法驗證與比較

ICPTSM算法與CPTSM算法對比結(jié)果如表1所示,用R2表示模型的建模精度,從表1中可以看出,用ICP指數(shù)建立的二次多項式模型能保持在大小潮階段的高擬合精度,而且在大潮、小潮分別建模時的擬合精度R2都比CP指數(shù)建立的線性模型高,大潮模型R2提高0.07,小潮模型R2提高了0.19.

表1 CPTSM和ICPTSM算法計算2014年5月測量結(jié)果的對比Tab.1 Comparison of the CPTSM and ICPTSM algorithm using the data measured in May 2014

用剩下的4組大潮、4組小潮共8組數(shù)據(jù)分別使用大小潮、大潮和小潮的CPTSM和ICPTSM模型反演TSM濃度,對比改進前后的反演效果,用反演值和實測值的均方根誤差RMSE和線性相關性等參數(shù)表示模型的反演精度.

從表2可以看出,ICPTSM算法在大小潮數(shù)據(jù)中改進不大,但是對于大潮和小潮分別建模的改進效果明顯,使得大潮、小潮的回歸系數(shù)R2都提高了0.15和0.23,相對誤差分別降低6%和5%,如圖6所示,ICPTSM算法較CPTSM算法能更好地適應長江口地區(qū).

表2 CPTSM和ICPTSM模型在不同潮周期的反演精度Tab.2 Comparison of the inversion accuracy of the CPTSM and ICPTSM models

選擇858 nm波段建立單波段模型TSM=a×Rrs(858)+b,經(jīng)過回歸擬合建立模型,建模數(shù)據(jù)依然采用3.2節(jié)中的ICPTSM算法相同的數(shù)據(jù)集,并利用相同的數(shù)據(jù)驗證其反演精度,如表3所示,結(jié)果表明ICPTSM算法無論在何種潮情下都優(yōu)于傳統(tǒng)的簡單單波段模型.建模精度R2高出簡單單波段模型0.1～0.2左右,反演結(jié)果與真實測量值的標準差低于簡單單波段模型0.15～0.76 kg·m-3,相對誤差低于簡單單波段模型11%～38%.

圖6 CPTSM模型和ICPTSM模型對8組同步數(shù)據(jù)的反演結(jié)果Fig.6 The inversion result showed the CPTSM model and the ICPTSM model app lied to the eight groups of synchronizing data

表3 簡單單波段模型和ICPTSM模型在不同潮周期的反演結(jié)果對比Tab.3 Comparison of the inversion results of the simple single band model and the ICPTSM model in different tide cycle

3 結(jié)論

TSM濃度經(jīng)驗反演算法對于利用高光譜衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)十分重要,長江口地區(qū)表層總懸浮物濃度受到徑潮流相互影響,水動力存在日內(nèi)漲落潮變化,半月大小潮變化以及洪枯季的徑流變動,TSM濃度及水體光學特性復雜多變,簡單經(jīng)驗模式很難適應這么復雜的水體特性,分別建模更加符合實際情況.在CPTSM反演模型的基礎上做了改進,建立了ICPTSM復雜經(jīng)驗反演模式,取得了良好的效果.

ICPTSM算法在原有7個典型可見光譜波段的基礎上增加了兩個近紅外波段,能有效利用光譜信息中的有利因素.為了克服在小潮期間低濃度反演精度不高的缺點,引入第二反射峰峰面積指數(shù),使5個指數(shù)分別利用不同波段和不同組合方式,可以有效提高不同TSM濃度分布范圍的算法健壯性.利用31組同步數(shù)據(jù)集分別建立了大小潮、大潮和小潮潮情下的ICPTSM反演模型,建模精度R2都在0.9左右,是較為適用的經(jīng)驗反演算法.8組同步實測數(shù)據(jù)驗證結(jié)果表明對于大、小潮分別建模的反演相對誤差都在21%以內(nèi),明顯要高于大小潮統(tǒng)一模型,尤其是小潮模型的相對誤差僅為12.91%,效果良好.經(jīng)過與簡單單波段模型對比分析,發(fā)現(xiàn)無論在何種潮情下,復雜模型反演精度都優(yōu)于簡單單波段模型.

受到現(xiàn)場測量航次的限制,本次數(shù)據(jù)樣本主要集中在春季洪季初期,下一步希望對長江口典型洪季、枯季TSM濃度的光學特性進行分析.

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(責任編輯：李萬會)

In consideration of tidal condition to improve optical inversion algorithm on total suspended matters concentration according to in situ measurement in the Yangtze Estuary

MA Hua,JIANG Xue-zhong
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China)

Due to the interaction between the river discharge and the tide,as well as the high suspended sediment concentration in the surface water,the optical property of the Yangtze Estuary waters is different from the open sea waters.In a single tidal cycle, the total suspended maters(TSM)concentration can reach 0.5 kg/m3or more duringspring tide,while in neap tide the maximum TSM concentration is only 1/3 of the spring tides.High TSM concentrations and a greater variation in single tidal cycle make a lot of empirical inversion algorithm unavailable in this region.A new algorithm was developed in the Yangtze Estuary,named improved complex proxy TSM(ICPTSM)model to improve the complex proxy TSM model.Using in situ synchronous optical and TSM concentration data collected in the survey in May 2014,we analyze the characteristic of sediment concentration changing in the Yangtze Estuary associated within entire tidal cycle.Based on the original seven alternative bands,we introduce two alternative bands,806 nm and 858 nm,as a supplement.We add a near-infrared peak area index as the fifth index to the complex proxy(CP).Linear relationship between the CP index and TSM concentration is improved into quadratic relationship.For water characteristics of different tidal conditions, individual ICPTSM models have been established.The results show that：ICPTSM model is adaptable in the Yangtze Estuary,distinction model toward spring and neap tidal have higher retrieval accuracy than unified model for a whole tide cycle,distinction model can better describe changes of water-leaving radiance,and TSM concentration changes in a tidal cycle.

sea color elements;total suspended matters concentration;tidal cycle; remote sensing reflectance;the Yangtze Estuary

O157.5

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.03.016

1000-5641(2016)03-0146-10

2015-03

國家自然科學基金(41376098);上海市科學技術(shù)委員會重大項目(13dz1204900)

馬驊,男,碩士研究生,主要從事河口水體變化及其光學效應研究.

蔣雪中,男,副教授,主要從事河口海岸變化與GIS&RS應用研究. E-mail：xzjiang@sklec.ecnu.edu.cn.