朱江山，王得玉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

MERIS遙感圖像的太湖葉綠素濃度反演研究

朱江山，王得玉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

近年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化是太湖水污染面臨的主要問(wèn)題，而葉綠素濃度是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，及時(shí)、有效地對(duì)太湖水體的葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)太湖環(huán)境保護(hù)是十分必要的。而遙感作為低成本、大面積獲取水體表層水質(zhì)信息的手段，有著常規(guī)監(jiān)測(cè)不具備的優(yōu)勢(shì)。為此，利用MERIS數(shù)據(jù)和太湖同步水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了葉綠素基線熒光高度遙感反演模型；將其應(yīng)用到經(jīng)過(guò)幾何校正和大氣校正等預(yù)處理后的MERIS數(shù)據(jù)，獲得了太湖葉綠素濃度遙感反演分布圖像，結(jié)合太湖的水文情況及水污染特征對(duì)葉綠素遙感反演圖像作了分析。遙感圖像分析結(jié)果表明，MERIS數(shù)據(jù)客觀地反映了太湖水體葉綠素濃度的空間分布規(guī)律，與實(shí)測(cè)的太湖葉綠素濃度空間分布情況基本吻合。由此可見(jiàn)，基線熒光高度模型對(duì)于反演太湖葉綠素濃度分布是可行的。

MERIS；葉綠素；基線熒光高度；反演

0 引 言

隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，太湖的水體污染問(wèn)題日趨惡化，主要表現(xiàn)在水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化又導(dǎo)致藍(lán)藻水華的大量爆發(fā)，影響了太湖水資源的利用。而葉綠素作為藻類的重要組成部分之一，其濃度常被作為衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)，所以葉綠素a濃度的測(cè)量能夠最直接、最有效地評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，同時(shí)還能監(jiān)測(cè)太湖水體的空間分布情況，有助于分析并逐步解決太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[1]。但是葉綠素濃度的大面積動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量受到了極大限制，遙感技術(shù)的出現(xiàn)使許多學(xué)者對(duì)于水體葉綠素濃度遙感反演研究作了大量研究，其中有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2]和分析模型[3]。

采用ENVISAT衛(wèi)星搭載的中分辨率成像光譜儀(MERIS)獲取數(shù)據(jù)產(chǎn)品。ENVISAT是歐洲航空局于2002年3月發(fā)射的一顆高級(jí)地球觀測(cè)衛(wèi)星，飛行在太陽(yáng)同步極地軌道約800 km的高空，可以提供海洋、陸地和大氣層的測(cè)量。ENVISAT有非常費(fèi)時(shí)和創(chuàng)新的有效載荷，可以用來(lái)保證歐洲航空局衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)量的連續(xù)性。ENVISAT數(shù)據(jù)可以支持地球科學(xué)的研究和環(huán)境變化演變的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

MERIS傳感器屬于被動(dòng)式掃描光譜儀，用所謂的“推帚式”的方法掃描地球表面。其中有15個(gè)波段可以由地面控制，每一個(gè)波段在390～1 040 nm光譜范圍內(nèi)有一個(gè)可編程的寬度和一個(gè)可編程的位置。其精細(xì)的光譜波段設(shè)置、獨(dú)特的軌道處理功能、可調(diào)節(jié)的空間分辨率使其在水色傳感器中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在水色遙感研究中應(yīng)用廣泛[4]。

MERIS數(shù)據(jù)分為3級(jí)，即Level 1b數(shù)據(jù)(經(jīng)輻射校正后的大氣頂輻亮度)、Level 2b數(shù)據(jù)(經(jīng)大氣校正后的海洋產(chǎn)品數(shù)據(jù))、Level 3b數(shù)據(jù)(經(jīng)地理校正及平均后的海洋產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率降低)。采用MERIS 2b產(chǎn)品，分析太湖葉綠素a濃度空間分布規(guī)律。

采用熒光高度法模型，兩位美國(guó)學(xué)者Neville和Gower從葉綠素光譜特征中發(fā)現(xiàn)[5]，葉綠素在中心波長(zhǎng)668 nm處有明顯的峰值，這一峰值的高度與葉綠素濃度有關(guān)，稱為熒光發(fā)射峰。熒光高度模型通過(guò)葉綠素?zé)晒獠ǘ稳我鈧?cè)的多個(gè)波段構(gòu)建基線，估算葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)生的輻亮度值，它的輸入為歸一化離水輻射率，由于瑞利散射對(duì)熒光基線波段的影響較小，氣溶膠散射在各個(gè)波段的影響可以認(rèn)為近似相同。因此，葉綠素?zé)晒馑惴ㄅc藍(lán)綠波段比值算法相比，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的大氣校正和觀測(cè)角的變化及太陽(yáng)幾何的影響校正，而不需要復(fù)雜的瑞利和氣溶膠校正。

以太湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，以MERIS數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)“輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正”等預(yù)處理后，建立熒光參數(shù)遙感反演模型，對(duì)太湖葉綠素a濃度進(jìn)行了遙感反演估算研究。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及其處理

太湖是長(zhǎng)江流域境內(nèi)最大的湖泊，是中國(guó)五大淡水湖之一，水域面積為2 338.1 km2，湖泊面積2 427.8 km2，湖岸線全長(zhǎng)393.2 km，位于30°55′40″～31°32′58″N，119°52′32″～120°36′10″E之間[6]，見(jiàn)圖1。向中國(guó)科學(xué)院中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站申請(qǐng)了2004年10月20日太湖22個(gè)測(cè)量點(diǎn)葉綠素a濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要均勻地分布在太湖北部區(qū)域梅梁灣附近，梅梁灣南北長(zhǎng)約64 km，東西寬約7 km，平均水深2 m左右。

圖1 太湖位置示意圖

所選用的MERIS遙感數(shù)據(jù)是2004年10月20日衛(wèi)星經(jīng)過(guò)太湖境內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可用于太湖葉綠素濃度的反演分析。MERIS傳感器2b產(chǎn)品是在1b產(chǎn)品基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)粗略幾何糾正和大氣校正后的數(shù)據(jù)，圖像清晰度符合實(shí)驗(yàn)要求，但還需要進(jìn)一步精校正。首先利用BEAM5.0[7]軟件，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，具體流程如下：

(1)輻射量轉(zhuǎn)換。將大氣頂層輻射亮度轉(zhuǎn)換為大氣層頂?shù)姆瓷渎省?/p>

(2)幾何校正。選擇一幅影像作為基準(zhǔn)圖像，將其他影像與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，幾何校正的同時(shí)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。

(3)圖像裁剪。裁剪的目的是將研究之外的區(qū)域去掉，按照太湖所在的經(jīng)緯度范圍進(jìn)行裁剪，裁剪完成后還進(jìn)行一定的掩膜處理，掩膜掉陸地和云信息。

(4)輻射校正。此次研究采用輻射傳輸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正。

2 葉綠素基線熒光高度模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型構(gòu)建

遙感反演模型的構(gòu)建方法主要有3種：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、分析模型。采用的基線熒光高度模型屬于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谝阎乃珔?shù)光譜條件下，利用最佳的波段組合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)水色參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行水色參數(shù)估算。葉綠素基線熒光高度模型是指利用測(cè)量在一定光譜帶中基線熒光的高度，以及高于基線附近的另外兩個(gè)光譜波段的高度，并將所測(cè)量的基線熒光高度與實(shí)測(cè)葉綠素濃度的相關(guān)性建立的統(tǒng)計(jì)模型[8]。葉綠素是浮游植物的重要成分之一，而一般浮游植物的葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量波段為680.5 nm，它的離水輻射率高于熒光波段附近的兩個(gè)基線波段，這兩個(gè)波段分別為664 nm和708 nm。因此依據(jù)這三個(gè)波段，測(cè)量熒光中心波段的基線熒光高度，應(yīng)用式(1)[9]反演葉綠素濃度。

Chl-a=a+b*FLH

(1)

其中，Chl-a為葉綠素濃度(單位為mg/m3);FLH為基線熒光高度(單位：dl)；a、b為系數(shù)。

而基線熒光高度的計(jì)算公式為：

(2)

其中，λ2為中心波長(zhǎng)，λ1、λ3為選定的基線波長(zhǎng)；L1、L2、L3為相應(yīng)波段對(duì)應(yīng)的輻射亮度值。

根據(jù)太湖葉綠素濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基線熒光高度建立線性回歸關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)22個(gè)太湖采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星過(guò)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，用于構(gòu)建基線熒光高度模型，同時(shí)計(jì)算實(shí)測(cè)葉綠素濃度與經(jīng)過(guò)反演得到的葉綠素濃度的相對(duì)誤差。

(1)計(jì)算太湖流域遙感數(shù)據(jù)的基線熒光高度，然后將太湖流域葉綠素濃度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基線熒光高度進(jìn)行線性回歸分析，即要求實(shí)際值能夠近均勻分布在回歸分析模型所得到擬合值的兩側(cè)。利用Matlab軟件[10]求解式(1)中的參數(shù)a和b：a=-8.242 4、b=0.002 1。最后將所得結(jié)果代入式(1)，得到太湖水域葉綠素濃度基線熒光高度算法反演公式：

Chl-a=-8.242 4+0.002 1FLH

(3)

(2)利用基線熒光高度模型對(duì)葉綠素a濃度進(jìn)行線性回歸分析，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)基本均勻分布在回歸分析線的兩側(cè)，極個(gè)別樣點(diǎn)偏離得較遠(yuǎn)，可能是受到云、泥沙等懸浮物，高等水深植物及湖泊水深的影響。

圖2 基線熒光高度法葉綠素濃度線性回歸示意圖

2.2 模型驗(yàn)證

利用FLH算法反演得到的葉綠素濃度與太湖22個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)濃度進(jìn)行比較，如表1所示。

結(jié)果表明：FLH算法反演得到的太湖水域葉綠素濃度與太湖水域的實(shí)際濃度的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi),但也出現(xiàn)了異常樣點(diǎn)號(hào)數(shù)據(jù)，可能是因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)藻類大量聚集，真實(shí)數(shù)據(jù)濃度偏高，而通過(guò)FLH反演算法得到的葉綠素濃度是依據(jù)線性回歸關(guān)系得到的數(shù)據(jù)，具有一般性，對(duì)于偶然性數(shù)據(jù)不具備準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。

表1 FLH反演算法與實(shí)測(cè)值間的相對(duì)誤差

3 太湖葉綠素a濃度的結(jié)果分析

3.1 反演結(jié)果

基線熒光模型反演得到的太湖水域葉綠素濃度圖像如圖3所示,其中顏色較深部分代表葉綠素分布區(qū)域，其余部分代表太湖一般水體部分。

圖3 利用FLH算法反演太湖葉綠素濃度示意圖

3.2 空間分布分析

由于太湖水域環(huán)境復(fù)雜，只選取MERIS數(shù)據(jù)在太湖北部區(qū)域代表葉綠素的水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉綠素a濃度在梅梁灣[11]部分較高，湖心區(qū)和西部沿岸水域葉綠素a濃度也比較高，而葉綠素a濃度水平較低區(qū)域在貢湖水域部分?？傮w上太湖葉綠素濃度呈東南輕、西北重，湖心輕、沿岸水域重的分布格局。上述空間分布特點(diǎn)與太湖周邊污染源分布密切相關(guān)，由于太湖周邊經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化肥、農(nóng)藥的大量使用，洗衣機(jī)的普及，含磷洗衣粉用量大大增加，工業(yè)廢水的排放，加之圍湖造田的影響，進(jìn)入太湖中污染物的濃度超過(guò)了太湖自我進(jìn)化的能力，導(dǎo)致浮游植物易于生長(zhǎng)，藻類大量聚集，不利于生態(tài)環(huán)境循環(huán)。

所反演的葉綠素濃度的空間分布趨勢(shì)與太湖流域水資源保護(hù)局[12]提供的太湖水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。但是選取的測(cè)量點(diǎn)主要集中在北部區(qū)域，南部區(qū)域數(shù)據(jù)很少，因此反演得到的太湖葉綠素濃度與實(shí)際值之間還有一定的誤差，若要減少FLH與太湖實(shí)測(cè)葉綠素濃度線性回歸之間的誤差，還必須獲取大量南部區(qū)域的太湖水域葉綠素濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于太湖實(shí)測(cè)葉綠素濃度數(shù)據(jù)和MERIS數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基線熒光高度模型，得出以下結(jié)論：

(1)利用基線熒光高度模型基本上能反演出太湖葉綠素濃度的分布格局。

(2)太湖葉綠素濃度的空間分布主要受氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放源的分布影響。

因此，利用MERIS熒光高度算法進(jìn)行太湖水體葉綠素a濃度的反演，對(duì)于太湖出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。今后的研究?jī)?nèi)容將側(cè)重于對(duì)于不同季節(jié)和地域的葉綠素濃度估算進(jìn)行參數(shù)校正[13-15]。

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Retrieval Investigation of Chlorophyll-a Concentration in Taihu Lake Employing MERIS Remote Sensing Image

ZHU Jiang-shan，WANG De-yu

(College of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Recently,eutrophication is the main problem of Taihu Lake’s water pollution,and chlorophyll-a concentration is an important index of eutrophication.It is quite necessary for the protection of the Taihu Lake’s environment to evaluate and monitor efficiently the lake’s chlorophyll-a concentration in time.The surface water quality of large area could be monitored using remote sensing technique with low cost,beyond the ability of regular survey technique.Based on MERIS data and synchronous water quality monitoring data in Taihu Lake,the fluorescence line height remote sensing model has been developed which reflects the relationship between chlorophyll-a concentration and fluorescence line height.Then the model has been applied to MERIS data which is pre-processed through geometric correction,atmospheric correction,etc.An image about chlorophyll-a concentration distribution of Taihu Lake has been produced.Combined with the feature of the hydrological conditions and water pollution in Taihu Lake,the image about chlorophyll-a remote sensing retrieval is analyzed.The results objectively show that the MERIS image reflects the spatial distribution pattern of chlorophyll-a concentration in Taihu Lake,corresponding to the measured chlorophyll-a concentration of space distribution.Therefore,it is feasible for the fluorescence line height model to retrieval the chlorophyll-a concentration in Taihu Lake.

MERIS;chlorophyll-a;fluorescence line height;retrieval

2016-06-06

2016-09-14

時(shí)間：2017-03-07

江蘇省自然科學(xué)基金-青年基金項(xiàng)目(BK20140868)

朱江山(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閳D像處理與圖像通信技術(shù)；王得玉，博士，副教授，研究方向?yàn)樗b感圖像處理技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0922.066.html

TP393

A

1673-629X(2017)04-0192-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.043