基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的大洋河河口海域營養(yǎng)鹽遙感反演

王 林,趙冬至,楊建洪 (國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心海洋遙感室,遼寧 大連 116023)

基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的大洋河河口海域營養(yǎng)鹽遙感反演

王 林,趙冬至*,楊建洪 (國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心海洋遙感室,遼寧 大連 116023)

綜合利用大洋河河口海域水體調(diào)查的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及環(huán)境一號(hào) CCD影像數(shù)據(jù),進(jìn)行了該區(qū)域營養(yǎng)鹽反演研究.結(jié)果表明,對(duì)數(shù)函數(shù)擬合NO2--N與Rrs(Band2)效果最佳,而線性函數(shù)擬合NH4+-N與Rrs(Band2)、NO3--N與Rrs(Band1)、TIN與Rrs(Band1)效果最佳,相關(guān)性R2分別可達(dá)0.939、0.935、0.945、0.970,未發(fā)現(xiàn)較佳的PO43--P反演模型;營養(yǎng)鹽在可見光波段并非光敏感性物質(zhì),其與等效遙感反射率存在相關(guān)性的主要原因在于河口海域陸源輸入物質(zhì)典型的擴(kuò)散特征,使得營養(yǎng)鹽與某些水色參數(shù)存在較高的相關(guān)性,NO2--N、NH4+-N、NO3--N 以及TIN與有色溶解性有機(jī)物吸收系數(shù)ag(400)的相關(guān)性R2分別可達(dá)0.836、0.808、0.786、0.854,這決定了在河口海域進(jìn)行營養(yǎng)鹽遙感反演的可行性;從衛(wèi)星產(chǎn)品專題圖可看出,大洋河河口海域NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都存在一個(gè)明顯的高值區(qū),該高值區(qū)營養(yǎng)鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.

環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星；大洋河河口；營養(yǎng)鹽；遙感反演

河口海域是陸海相互作用耦合帶和生產(chǎn)力最高的區(qū)域,生源元素來源豐富,各種因素(包括水動(dòng)力、生物地球化學(xué)過程及人類活動(dòng)等)十分復(fù)雜,其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和生物資源的變化與人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切[1].近岸海域濃度偏高的營養(yǎng)鹽所帶來的富營養(yǎng)化問題是我國沿岸水域最突出的環(huán)境問題之一[2].傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法需要耗費(fèi)較多的人力、物力與財(cái)力,而且采樣點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量有限,監(jiān)測(cè)周期較長,難以有效的對(duì)整體水域進(jìn)行大尺度、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè).遙感技術(shù)以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為水質(zhì)監(jiān)測(cè)開辟了新的途徑,它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體快速、大范圍、低成本、周期性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),具有不可替代的優(yōu)越性[3-4].然而,營養(yǎng)鹽并非光敏感性物質(zhì),在自然水體中吸收、散射光能微弱,對(duì)其進(jìn)行遙感反演具有一定難度,國內(nèi)外相關(guān)研究成果較少.目前,營養(yǎng)鹽遙感反演方法主要分為間接法和直接法.間接法主要是基于特定海域營養(yǎng)鹽與某些光敏感性物質(zhì)(葉綠素、海溫等)的關(guān)系,建立營養(yǎng)鹽遙感反演模型[5].直接法則主要利用偏最小二乘法、微分光譜技術(shù)等獲得營養(yǎng)鹽與光譜數(shù)據(jù)的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度的遙感反演[6-12].

MODIS、HY-1等海洋水色衛(wèi)星空間分辨率較低,對(duì)于河口海域水體環(huán)境要素監(jiān)測(cè)存在一定難度. 我國于2008年9月6日成功發(fā)射了第一顆專用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星,其攜帶的CCD相機(jī)較高的空間分辨率可有效監(jiān)測(cè)面積相對(duì)較小的河口海域,而較短的重返周期則有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的大規(guī)模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).目前為止利用該衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)河口海域營養(yǎng)鹽遙感監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究尚未見報(bào)道.本研究利用2009年5月6日大洋河河口海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立該區(qū)域營養(yǎng)鹽遙感反演模型,并將其應(yīng)用于環(huán)境一號(hào) CCD影像上,從而為分析大洋河河口海域營養(yǎng)鹽含量時(shí)空變化特征、富營養(yǎng)化狀況以及其它污染問題研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與站位布設(shè)

圖1 大洋河河口海域水體調(diào)查站位Fig.1 Stations of the investigation cruise in the Dayang River Estuary

研究區(qū)域選擇在我國北方大洋河河口海域.大洋河河口海域位于大洋河流域南部,具有明顯的由陸地向海洋過渡性特點(diǎn),自然條件復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境脆弱.而大洋河流域處于遼東半島的東北部,遼寧省營口市以西,丹東市以東,流域范圍主要包括岫巖滿族自治縣大部分區(qū)域,鳳城市西南部和東港市西部區(qū)域,流域面積 6515.25km2.調(diào)查于2009年5月6日進(jìn)行,依據(jù)河口海域水體擴(kuò)散特征,可體現(xiàn)徑流輸入物質(zhì)的濃度梯度變化,共布設(shè)站點(diǎn)13個(gè),如圖1所示.

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

1.2.1 光譜數(shù)據(jù)獲取 現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)量采用水面以上測(cè)量法[13],實(shí)驗(yàn)儀器為美國 ASD公司生產(chǎn)的便攜式雙通道可見光-近紅外光譜輻射計(jì).儀器觀測(cè)平面與太陽入射平面的夾角為135°,儀器與海面法線方向的夾角為 40°,以避免絕大部分的太陽直射反射,并減少船舶陰影的影響.在每個(gè)站位進(jìn)行2次獨(dú)立的測(cè)量.數(shù)據(jù)處理后得到遙感反射率Rrs,按如下公式計(jì)算:

式中, Lsw為測(cè)量水體的輻亮度;r為氣-水界面對(duì)天空漫散射光的反射率,一般情況可取 0.028,平靜海面時(shí)取0.026[14];Lsky為天空漫散射光的輻亮度;ρp為標(biāo)準(zhǔn)灰板的反射率;Lp為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的輻亮度.

光譜數(shù)據(jù)采集于09:00～15:00之間完成,到達(dá)1、2號(hào)站點(diǎn)時(shí),由于時(shí)間較早,不滿足光譜測(cè)定所需太陽高度角要求,僅進(jìn)行了水色和化學(xué)參數(shù)測(cè)量,未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)量,共獲取光譜數(shù)據(jù)11組.

獲取現(xiàn)場(chǎng)水體ASD光譜遙感反射率后,根據(jù)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)Rrs(λ)的波段等效處理,具體公式如下:

式中, Rrs(Bandx)為HJ星CCD傳感器Bandx波段的等效遙感反射率;Rrs(λ)為ASD光譜儀現(xiàn)場(chǎng)獲取遙感反射率;Fs(λ)為日地平均距離處大氣層外太陽輻照度;Sx(λ)為 Bandx波段的光譜響應(yīng)函數(shù).

1.2.2 水色參數(shù)獲取 色素濃度測(cè)量采用熒光法[15],測(cè)量時(shí)使用美國 Turner公司生產(chǎn)的TD-700實(shí)驗(yàn)室熒光儀.數(shù)據(jù)處理后可得葉綠素a濃度(Chl-a)和脫鎂葉綠素濃度(Pheo),將兩濃度之和作為總?cè)~綠素濃度(TChl).熒光儀定標(biāo)采用Sigma公司生產(chǎn)的Chl-a標(biāo)準(zhǔn)樣品.

總懸浮物濃度(TSM)測(cè)量采用重量法,稱量時(shí)使用有效數(shù)字至少4位的電子天平稱量.

有色溶解性有機(jī)物(CDOM)吸收系數(shù)測(cè)量采用實(shí)驗(yàn)室分光光度計(jì)法[16],測(cè)量時(shí)使用Hitachi公司生產(chǎn)的 U-3010型紫外-可見分光光度計(jì).CDOM濃度高低用400nm波段處的吸收系數(shù)ag(400)表示.

共獲取水色參數(shù)數(shù)據(jù)13組.

1.2.3 營養(yǎng)鹽等參數(shù)獲取 硝酸鹽(NO3--N)、亞硝酸鹽(NO2--N)以及銨鹽(NH4+-N)測(cè)量采用鹽酸萘乙二胺分光光度法,樣品測(cè)量使用7230分光光度計(jì),將NO3--N、NO2--N以及NH4+-N濃度之和作為總?cè)芙庑詿o機(jī)氮(TIN).無機(jī)磷(PO43--P)測(cè)量采用磷鉬蘭法[17],樣品測(cè)量使用7230分光光度計(jì).需要說明的是,營養(yǎng)鹽測(cè)量后發(fā)現(xiàn)13號(hào)站點(diǎn)NO3--N數(shù)值異常,建模及相關(guān)性分析時(shí)未采用.共獲取 NO2--N、NH4+-N以及PO43--P數(shù)據(jù)13組,NO3-N數(shù)據(jù)12組.

鹽度(Sal)數(shù)據(jù)采用 Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得.到達(dá) 13號(hào)站點(diǎn)時(shí),測(cè)量鹽度所用的多參數(shù)水質(zhì)儀供電蓄電池電量不足,未進(jìn)行鹽度測(cè)量.共獲取鹽度數(shù)據(jù)12組.

1.2.4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取 在HJ-1A衛(wèi)星和HJ-1B衛(wèi)星上均裝載的2臺(tái)CCD相機(jī)設(shè)計(jì)原理完全相同,以星下點(diǎn)對(duì)稱放置,平分視場(chǎng)、并行觀測(cè),聯(lián)合完成對(duì)地刈幅寬度為700km、地面像元分辨率為30m、4個(gè)譜段的推掃成像.本研究未能獲取5月6日外業(yè)調(diào)查當(dāng)日衛(wèi)星數(shù)據(jù),而于5月24日獲取一景HJ-1A CCD2影像.

CCD影像的預(yù)處理主要包括:輻射校正、幾何校正和大氣校正等.

輻射校正:利用絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)將 CCD圖像DN值轉(zhuǎn)換為輻亮度圖像的公式為:

式中, A為絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)增益;L0為絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)偏移量,轉(zhuǎn)換后輻亮度單位為 W/(m2?sr?μm).其中A和L0的具體參數(shù)由《環(huán)境減災(zāi)星座A/B星各載荷在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)》[18]提供(中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,2009).

幾何校正:選用經(jīng)過空間配準(zhǔn)的 1:5萬地形圖為參考圖像,在ENVI 4.7支持下對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD影像進(jìn)行幾何校正,圖像重采樣采用最近鄰點(diǎn)法,總誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi).

大氣校正:采用ENVI 4.7軟件下的FLAASH大氣校正模塊對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正,輸入相關(guān)參數(shù),計(jì)算得到大氣校正后的遙感反射率圖像.

1.3 算法精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究營養(yǎng)鹽反演算法精度評(píng)價(jià)指標(biāo)采用均方根誤差(erms)和相對(duì)誤差(er).

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽遙感反演模型建立

將經(jīng)HJ-1A CCD2光譜響應(yīng)函數(shù)處理后的4個(gè)波段的等效遙感反射率分別與營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表 1所示.可發(fā)現(xiàn), Band1 (430～520nm)、Band2(520～600nm) 以及 Band3 (630～690nm)的等效遙感反射率均與 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN存在較高的相關(guān)性,除Rrs(Band3)與NO2--N相關(guān)性相對(duì)較低外,其余R2均高于 0.85,且大部分在 0.90以上;而 Band4 (760～900nm)的等效遙感反射率與所有營養(yǎng)鹽參數(shù)的相關(guān)性均非常低,可見該波段在營養(yǎng)鹽反演中并不適用;值得注意的是,未發(fā)現(xiàn)任何波段與PO43--P存在明顯的相關(guān)性.總體看來,HJ-1A CCD2 Band1、Band2以及Band3可用于NO2-N、NH4+-N、NO3--N以及TIN的遙感反演,結(jié)合表1確定將Band2作為反演NO2--N、NH4+-N的敏感波段,Band1作為反演NO3--N、TIN的敏感波段,而PO43--P不存在任何敏感波段.

表1 河口海域營養(yǎng)鹽參數(shù)與4個(gè)波段的等效遙感反射率間相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis results between nutrients and equivalent remote sensing reflectance

分別將Rrs(Band2)與NO2--N和NH4+-N、Rrs(Band1)與NO3--N和TIN進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)以及e指數(shù)模型回歸分析,算法精度見表2.NO2--N反演時(shí),對(duì)數(shù)模型表現(xiàn)最佳,相關(guān)性R2為0.939,平均相對(duì)誤差為 26.9%,均方根誤差為0.09148μmol/L,線性模型次之,e指數(shù)模型最差; NH4+-N反演時(shí),線性模型與對(duì)數(shù)模型表現(xiàn)近似,線性模型相對(duì)較佳,e指數(shù)模型最差;NO3--N 和TIN反演時(shí),線性模型表現(xiàn)最佳,對(duì)數(shù)模型次之,e指數(shù)模型最差.此外,NO3--N反演模型的平均相對(duì)誤差普遍偏高,分析原因在于NO3--N 2個(gè)極低值點(diǎn)(0.31429,0.25714μmol/L)反演相對(duì)誤差較大造成.因此,本研究選擇對(duì)數(shù)模型反演 NO2--N,而選擇線性模型反演NH4+-N、NO3--N以及TIN.

表2 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN反演精度統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics of various nutrients retrieval accuracy

2.2 營養(yǎng)鹽遙感反演機(jī)制分析

大量研究表明,NO2--N、NH4+-N以及NO3--N在可見光波段吸收、散射光能微弱,但其與遙感反射率存在的相關(guān)性該如何解釋成為本研究亟需解決的關(guān)鍵問題.將河口海域理、化以及光學(xué)參數(shù)等作相關(guān)性分析,主要包括:代表徑流擴(kuò)散狀況的指數(shù)Sal;水色參數(shù)TChl、TSM以及ag(400);營養(yǎng)鹽參數(shù)NO2--N、NH4+-N、NO3--N、TIN以及PO43--P,分析結(jié)果如表 3所示.Sal與其他因子(除PO43--P外)均存在一定的相關(guān)性,其中,與顆粒態(tài)物質(zhì)的相關(guān)性明顯低于溶解態(tài)物質(zhì)(除 PO43--P外),說明河口海域的污染物質(zhì)主要來自陸源徑流輸入,而且徑流輸入的溶解態(tài)物質(zhì)均勻擴(kuò)散到海水中,且就本研究而言,線性擴(kuò)散特征明顯,而顆粒態(tài)物質(zhì)的線性擴(kuò)散特征相對(duì)較弱;此外,NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN與水色參數(shù)中溶解態(tài)ag(400)的相關(guān)性R2分別可達(dá)0.836、0.808、0.786、0.854,普遍高于顆粒態(tài)水色參數(shù)TChl、TSM;值得注意的是,本研究中PO43--P與其他參數(shù)均不存在明顯的相關(guān)性,可見其來源和擴(kuò)散特征與其他參數(shù)不同,在今后研究中需引起重視.基于以上分析,可知河口海域陸源徑流輸入物質(zhì)典型的擴(kuò)散特征,及在此基礎(chǔ)上使得營養(yǎng)鹽參數(shù)與某些水色參數(shù)存在較高的相關(guān)性是進(jìn)行河口海域營養(yǎng)鹽遙感反演的重要依據(jù).

2.3 衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

由于受天氣、海況以及衛(wèi)星過境時(shí)間等多種因素影響,本研究所能獲取距5月6日外業(yè)調(diào)查時(shí)間最近且圖像質(zhì)量最好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為5月24日HJ-1A CCD2影像.本文營養(yǎng)鹽反演基礎(chǔ)在于河口海域陸源徑流輸入物質(zhì)典型的擴(kuò)散特征,而北方地區(qū)5月份為枯水季節(jié),河口徑流量較少且相對(duì)穩(wěn)定,因此基于5月6日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所建模型可用于5月24日衛(wèi)星數(shù)據(jù).將NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN反演模型應(yīng)用于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù),得到營養(yǎng)鹽濃度衛(wèi)星產(chǎn)品專題圖(圖 2).NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都表現(xiàn)為在大洋河河口有一個(gè)明顯的高值區(qū),該高值區(qū)營養(yǎng)鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.因此,大洋河河口海域營養(yǎng)鹽遙感反演具有可行性,從而為河口海域這一特殊區(qū)域水體中營養(yǎng)鹽的遙感反演研究提供參考.

表3 河口海域理、化以及光學(xué)參數(shù)間相關(guān)性分析結(jié)果Table 3 Correlation analysis results among physical, chemical and optical parameters

圖2 NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN衛(wèi)星產(chǎn)品專題圖Fig.2 NO2--N, NH4+-N, NO3--N and TIN satellite products

3 結(jié)論

3.1 HJ-1A CCD2 Band2波段為 NO2--N 和NH4+-N反演的敏感波段,Band1為 NO3--N 和TIN反演的敏感波段,由對(duì)數(shù)函數(shù)擬合NO2--N與Rrs(Band2)效果最佳,相關(guān)性R2可達(dá)0.939,而由線性函數(shù)擬合NH4+-N與Rrs(Band2)、NO3--N與Rrs(Band1)、TIN與 Rrs(Band1)效果最佳,相關(guān)性R2分別可達(dá)0.935、0.945、0.970,未發(fā)現(xiàn)較佳的PO43--P遙感反演模型.

3.2 Sal與 NO2--N、NH4+-N、NO3--N 以及ag(400)存在較高的相關(guān)性,NO2--N、NH4+-N、 NO3--N與 ag(400)的相關(guān)性分別可達(dá) 0.836、 0.808、0.786,因此,河口海域陸源徑流輸入物質(zhì)典型的擴(kuò)散特征,及在此基礎(chǔ)上使得營養(yǎng)鹽參數(shù)與某些水色參數(shù)存在較高的相關(guān)性是進(jìn)行河口海域營養(yǎng)鹽遙感反演的重要依據(jù).

3.3 從衛(wèi)星產(chǎn)品專題圖可看出,大洋河河口海域NO2--N、NH4+-N、NO3--N以及TIN都存在一個(gè)明顯的高值區(qū),該高值區(qū)營養(yǎng)鹽濃度由河口向外逐漸降低,直至外海最低.

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Nutrients retrieval in the Dayang River Estuary based on HJ-1 satellite remote-sensed imagery.

WANG Lin, ZHAO Dong-zhi*, YANG Jian-hong (Department of Ocean Remote Sensing,National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China) . China Environmental Science, 2012,32(1)：136～141

On the basis of in situ measurement data in the Dayang River Estuary and HJ-1 satellite CCD imagery, the--N) concentration had the best correlation with the remote sensing reflectance (Rrs) in Band 2 (520～600nm), following a natural logarithmic function (R2=0.939). The ammonia (NH4+-N) concentration was best correlated with Rrsin Band 2 as well, following a linear function (R2=0.935). Besides, the nitrate (NO3--N) and total inorganic nitrogen (TIN) were best correlated with Rrsin Band 1 (430～520nm), likewise following linear functions (R2=0.945 and 0.970 respectively). However, good relationship between the phosphate (PO43--P) and Rrsin any band was not found. Theoretically, nutrients were not optically sensitive substance in the visible light band, thus these empirical relationships between nutrients and equivalent remote sensing reflectance were largely due to the typical diffusion characteristics of river input materials, which indirectly led to high correlativity between nutrients and some optical coefficients, like the absorption of yellow substance (ag(400)). The indirect correlation proposes the potential feasibility of nutrients retrieval in the estuary waters through satellite remote-sensed imagery. Applying the retrieval algorithm to the HJ-1 satellite data, a euphotic zone with extremely high concentration of nutrients was detected in the Dayang River Estuary, and various nutrients gradually declined from the estuary to open seas.

HJ-1 satellite；Dayang River Estuary；nutrients；remote sensing retrieval nutrients retrieval algorithms were studied. The nitrite (NO2

2011-04-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40876091);國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201005030);國家海洋公益性重點(diǎn)項(xiàng)目(200805064);國家“863”項(xiàng)目(2007AA092003);上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃(08DZ1206304)

* 責(zé)任作者, 研究員, dzzhao@nmemc.gov.cn

X145

A

1000-6923(2012)01-0136-06

致謝：感謝國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心海洋遙感室全體工作人員的協(xié)助.

王 林(1981-),男,河北滄州人,研習(xí)員,碩士,主要從事海洋光學(xué)與水質(zhì)遙感研究.發(fā)表論文5篇.