基于GF-1與實測光譜數(shù)據(jù)鄱陽湖豐水期總懸浮物濃度反演

高晨， 徐健， 高丹， 王莉莉， 王野喬

(江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院/鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，南昌 330022)

0 引言

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，在洪水調(diào)蓄及減災(zāi)、氣候調(diào)節(jié)和生物保護(hù)等方面具有非常重要的生態(tài)服務(wù)功能[1]。近年來，由于中國建筑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及其對建設(shè)用砂的需求，導(dǎo)致鄱陽湖的采砂作業(yè)持續(xù)擴(kuò)大，對防洪安全、野生動植物生存、湖區(qū)生態(tài)環(huán)境等方面有著嚴(yán)重不利影響，其環(huán)境問題面臨著嚴(yán)峻考驗[2-3]。如何快速、動態(tài)、持續(xù)地監(jiān)測其水質(zhì)狀況已經(jīng)成為一個亟待解決的重要問題。

總懸浮物(total suspended matter，TSM)是評價湖泊水質(zhì)的一個重要指標(biāo)，其濃度大小直接影響到水體透明度等光學(xué)特性，從而影響到水生生物的生長以及水體的初級生產(chǎn)力[4]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法耗費(fèi)時間長、監(jiān)測范圍有限； 而遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測方面的應(yīng)用使得快速、大范圍、低成本的水質(zhì)監(jiān)測成為可能。國內(nèi)外學(xué)者對于水體中懸浮物濃度的反演已經(jīng)開展過諸多研究，反演方法較為成熟[5-7]。加之近年來地面實測高光譜遙感技術(shù)的較快發(fā)展，其波段數(shù)多、光譜分辨率高的特點，能反映水體反射光譜的細(xì)微變化，操作方便靈活，目的性強(qiáng)，常被用作常規(guī)遙感的補(bǔ)充。宋慶君等[8]對秋季太湖水體懸浮物濃度分別進(jìn)行了改進(jìn)的TASSAN模型、比值模型、近紅外812 nm估算模型等進(jìn)行懸浮物濃度的反演，結(jié)果表明近紅外812 nm估算模型對于秋季太湖水體中懸浮物濃度的反演結(jié)果最優(yōu)； 陳建輝等[9]在對晉江水體懸浮物濃度的高光譜建模過程中發(fā)現(xiàn)733±3 nm處的反射率與懸浮物濃度相關(guān)性最大，其單波段模型反演結(jié)果較為穩(wěn)定； 孫德勇等[10]在對太湖水體進(jìn)行懸浮物濃度反演的過程中，采用了經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對二者進(jìn)行了對比，結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反演效果優(yōu)于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

高分一號(GF-1)衛(wèi)星是我國高空間分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項天基系統(tǒng)中的首發(fā)星[11]，其高空間分辨率的優(yōu)勢為水色遙感監(jiān)測提供了很大的便利。GF-1 WFV傳感器中紅光波段和近紅外波段是懸浮物濃度的敏感波段，常被用于水體懸浮物濃度的反演[12-13]。我國自主研發(fā)的高空間分辨率對地觀測衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與地面實測高光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法也被運(yùn)用到了水質(zhì)參數(shù)的反演中，且取得了較好的結(jié)果[14-16]。

但是，由于地面實測數(shù)據(jù)、大氣校正以及衛(wèi)星影像資料等方面的局限性，即使在同一地區(qū)迄今也尚未形成統(tǒng)一的定量反演模型或參數(shù)[17]。而且鄱陽湖隨季節(jié)變化的特殊性也為其水質(zhì)反演帶來了一定的困難。因此，本文以鄱陽湖為研究區(qū)，利用GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)[18]，與實測水體光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，基于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒ǎ⑨槍蛾柡S水期水體TSM濃度的反演模型，并對其分布進(jìn)行空間格局分析，為GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在內(nèi)陸湖泊水質(zhì)反演中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖(圖1)是我國第一大淡水湖，地處江西省北部，長江南岸，經(jīng)湖口連通長江。

圖1 鄱陽湖水域及其采樣點Fig.1 Location of Poyang Lake and samples

鄱陽湖匯集贛、撫、信、饒、修五河來水，同時受長江水位制約，是一個季節(jié)性、吞吐型的湖泊，具有天然調(diào)蓄洪水的功能。每年7—9月為豐水期，湖水面積可達(dá)4 078 km2； 枯水期水位下降，洲灘裸露，面積最小時僅為146 km2，形成了“洪水一片水連天，枯水一線灘無邊”的獨(dú)特自然景觀。由于鄱陽湖的特殊性質(zhì)，使得鄱陽湖的不同區(qū)域有著不同的特點。圖1中，北部通江河道區(qū)域(A)連通長江，直接受長江的頂托或倒灌作用影響，且大型運(yùn)輸船只活動頻繁； 區(qū)域(B)位于贛江北支和修水的交匯處，與吳城自然保護(hù)區(qū)相鄰； 中部大湖面區(qū)域(C)水系發(fā)達(dá)，豐水期水域面積較大，枯水期則形成河湖灘地； 南磯濕地區(qū)域(D)年內(nèi)水位變化明顯，豐水期被湖水淹沒，而枯水季節(jié)則形成濕地草洲，是越冬候鳥的天然棲息場所。

1.2 數(shù)據(jù)采集

研究所用數(shù)據(jù)來自于鄱陽湖實地樣點水面光譜測量和水樣采集檢測。采樣點分別設(shè)置在鄱陽湖北部通江河道、贛江和修水交匯處、中部大湖面區(qū)域及南磯濕地4個典型區(qū)域，共計33個(圖1)。采樣時間分別為2015年8月1—5日。水面光譜測量時間為上午10∶00至下午2∶00。采樣時間段內(nèi)太陽光線強(qiáng)度為當(dāng)日最大，測量時天氣晴朗，無風(fēng)無云。水體光譜測量采用水面以上測量法[19]，測量儀器為美國ASD公司FieldSpec 4便攜式地物光譜儀(光譜范圍為350～2 500 nm)。水面遙感反射率Rrs的計算公式為

(1)

式中：Lsw為光譜儀測得的水體輻亮度；Lsky為天空光漫反射輻射亮度；r為氣—水界面對天空光的反射比，平靜水面取值為0.022[19]；Lp為測得的灰板輻亮度；ρp為標(biāo)準(zhǔn)板(此處為灰板)反射率(由ASD公司提供)。

現(xiàn)場樣點采集2 000 ml表層(0～50 cm)水樣。采集的水樣放入冷藏箱保存，之后帶回實驗室進(jìn)行后續(xù)處理。TSM濃度和葉綠素a(Chlorophyll-a，Chl-a)濃度的測定在分析實驗室進(jìn)行。水樣經(jīng)過孔徑為1.2 μm的Whatman GF/C玻璃纖維濾膜過濾后，采用烘干稱重法測定TSM濃度[20]； 水樣經(jīng)過孔徑為0.7 μm的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾后，利用熱乙醇萃取法測定Chl-a濃度[21]。

1.3 遙感影像數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

采用2015年8月3日過境的GF-1衛(wèi)星影像，覆蓋整個鄱陽湖區(qū)域，幅寬為820 km，空間分辨率為16 m，重訪周期4 d，共有藍(lán)光(450～520 nm)、綠光(520～590 nm)、紅光(630～690 nm)以及近紅外(770～890 nm)4個波段。

遙感影像數(shù)據(jù)的處理包括正射校正、輻射定標(biāo)、大氣校正以及鄱陽湖水域面積提取等4個方面，處理過程均采用ENVI5.3軟件進(jìn)行操作。預(yù)處理過程中所需的輻射定標(biāo)參數(shù)和光譜響應(yīng)函數(shù)均從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲取。正射校正采用覆蓋鄱陽湖范圍的同時期Landsat8 OLI全色影像作為參考，結(jié)合全球空間分辨率7.5 s(約200 m)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)對GF-1影像進(jìn)行正射校正； 重采樣方法采用三次卷積法。輻射定標(biāo)之前先修改影像的Gain/Offset值，之后將GF-1影像由DN值轉(zhuǎn)換為輻亮度，并修改影像輸出格式為BIL。大氣校正采用FLAASH Atmospheric Correction工具進(jìn)行處理[22-24]，但不進(jìn)行氣溶膠反演和水汽反演。

1.4 模型方法

1.4.1 單波段模型

對水體反射率與TSM濃度建立相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過光譜分析后選取相關(guān)性最大的對應(yīng)波長反射率建立TSM濃度反演模型。

1.4.2 一階微分模型

一階微分模型最早由Rundquist等[25]提出，對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理可以去除部分線性背景、噪聲光譜對目標(biāo)光譜的影響，而且可以確定光譜拐點和最大、最小反射率波長的位置。離散型的高光譜數(shù)據(jù)的一階微分計算公式為

(2)

式中：R(λi)′為波長λi處的反射光譜一階微分值；R(λi+1)是波長λi+1處的原始水體反射率；λi，λi+1和λi-1分別為3個相鄰波長。

1.4.3 波段比值模型

波段比值模型是多波段模型計算中最常用的模型。采用迭代算法，對350～900 nm(10 nm間隔)波段區(qū)間的實測反射率逐一兩兩比值，與TSM濃度進(jìn)行相關(guān)性計算，選取最優(yōu)相關(guān)性對應(yīng)的波段比值參與建模。

1.5 精度評估

采用均方根誤差(root mean square error，RMSE)以及平均相對誤差(mean relative percentage error，MRPE)評價反演模型的精度，計算公式為

(3)

(4)

式中：xipre和ximea分別表示通過模型計算得到的TSM濃度和實際測量得到的TSM濃度，mg/m3；n為采樣點個數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)參數(shù)特征

鄱陽湖2015年豐水期主要水質(zhì)參數(shù)測定結(jié)果如表1所示。

表1 鄱陽湖采樣點水質(zhì)參數(shù)特征Tab.1 Characteristics of water quality parameters in the Poyang Lake

從表1可知，Chl-a濃度、TSM濃度和濁度平均值分別為5.55 mg/m3，24.76 mg/L和30.65 NTU。3個水質(zhì)參數(shù)的最大值均出現(xiàn)在圖1的C區(qū)域，即鄱陽湖中部大湖面區(qū)域； 平均值最大的區(qū)域為A和B，位于鄱陽湖北部通江水道以及贛江北支和修水的交匯處。

2.2 鄱陽湖水體光譜特征分析

樣點實測光譜經(jīng)過計算得到水體反射率光譜曲線，鄱陽湖水體光譜反射率隨懸浮物濃度的增加而逐漸增大(圖2)。

圖2 鄱陽湖水體反射率光譜曲線Fig.2 Spectral reflectance curve of Poyang Lake water

圖2中，反射率曲線分別為4個采樣區(qū)域的平均值，由于Chl-a的弱吸收和懸浮物的散射作用使得550～600 nm之間出現(xiàn)一個反射峰； 600 nm處的吸收谷是由于純水的吸收而導(dǎo)致的； 650～700 nm波段處由于Chl-a在紅光波段的強(qiáng)吸收而產(chǎn)生了一個明顯的吸收谷[26]； 700 nm處的反射峰也和Chl-a的濃度有關(guān)。

對水體反射率進(jìn)行歸一化處理，可以使在外界環(huán)境變化的條件下測量的水體光譜具有可比性。歸一化公式為

(5)

圖3 歸一化遙感反射率與TSM濃度的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficients for normalized remote sensing reflectance with TSM concentration of water

在33個采樣點中，先選取Chl-a濃度近似相同(約4 mg/m3)、TSM濃度不同(分別為18.6 mg/L，55.8 mg/L和98.4 mg/L)的3個采樣點，對應(yīng)的水面實測遙感反射率曲線如圖4(a)所示； 再選取TSM濃度值近似相同(約6 mg/L)、Chl-a濃度值不同(3.906 mg/m3，6.361 mg/m3和9.700 mg/m3)的3個采樣點，對應(yīng)的水面實測遙感反射率曲線如圖4(b)所示。

(a) Chl-a濃度近似相同、TSM濃度不同(b) TSM濃度近似相同、Chl-a濃度不同

圖4鄱陽湖水面實測遙感反射率光譜

Fig.4MeasuredreflectancespectrainPoyangLake

分析水體的光譜曲線得出，幾乎全波段的反射率大小均與TSM濃度有關(guān)，波長705 nm后的反射率曲線基本不受Chl-a濃度的影響，波長830～900 nm的反射率非常小，且存在一定的噪聲，因此，705～830 nm波段范圍可以作為反演鄱陽湖水體中的TSM濃度的光譜特征波段。

2.3 不同模型估算TSM濃度分析

利用2015年8月實測的33個采樣點光譜數(shù)據(jù)計算得到反射率，分別建立單波段、一階微分和波段比值3種模型對鄱陽湖TSM濃度進(jìn)行估算。在33組中，按照TSM濃度從大到小依次排列，每隔3個點選出一個，即使用3/4數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，1/4數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證[27]。其中，單波段模型通過上述光譜特征分析得出波長為707 nm處反射率與TSM濃度相關(guān)性最優(yōu)； 一階微分模型中776 nm處的一階微分值與TSM濃度相關(guān)性最大； 波段比值模型通過循環(huán)迭代確定717 nm與401 nm處反射率作比值與TSM濃度相關(guān)性最大。

利用25組數(shù)據(jù)將由上述所得最佳波段反射率或反射率組合作為自變量，TSM濃度作為因變量進(jìn)行回歸分析，利用SPSS軟件綜合分析各種擬合關(guān)系得出，三次函數(shù)的擬合效果最好[24]。3種方法估算TSM濃度的反演模型如表2所示。3種方法建立的反演模型中，決定系數(shù)均高達(dá)0.9以上，其中單波段模型的決定系數(shù)最高，為0.980 5。

表2 3種方法的TSM濃度反演模型Tab.2 Total suspended matter concentration retrieval models in three methods

利用其余8組數(shù)據(jù)對3種TSM濃度反演模型進(jìn)行精度評估，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，單波段模型的反演效果最好，RMSE為3.78 mg/L，MRPE為16.99%； 一階微分模型次之，RMSE和MRPE分別為4.46 mg/L和22.76%； 波段比值模型的精度評估結(jié)果低于前2種反演模型。結(jié)合表2可知，單波段模型在鄱陽湖豐水期的反演效果最好，精度評估結(jié)果最優(yōu)，可以用于鄱陽湖豐水期TSM濃度反演。

(a) 單波段模型(b) 一階微分模型(c) 波段比值模型

圖5TSM濃度實測值與預(yù)測值對比

Fig.5Comparisonbetweenmeasuredandestimatedthetotalsuspendedmatterconcentration

2.4 鄱陽湖豐水期TSM濃度GF-1影像反演

對2015年8月3日過境的GF-1影像進(jìn)行預(yù)處理，使用前文得到的單波段模型對鄱陽湖TSM濃度進(jìn)行反演和精度評估。

2.4.1 GF-1影像預(yù)處理

由于鄱陽湖下墊面的復(fù)雜性及其上空氣溶膠的復(fù)雜性，實測反射率光譜與衛(wèi)星遙感反射率之間具有近似的線性關(guān)系，即大氣校正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚28]。結(jié)合實測反射率與衛(wèi)星遙感反射率，分別對每個波段再次進(jìn)行大氣校正。GF-1影像第3波段大氣校正結(jié)果與實測反射率對比關(guān)系如圖6所示。

圖6 GF-1第3波段反射率與實測反射率對比Fig.6 Comparison between the Band3 reflectance of GF-1 imagery and measured reflectance

采用歸一化水體指數(shù)法[29-30]提取鄱陽湖水域面積，得到鄱陽湖水域邊界矢量圖，裁剪影像得到鄱陽湖水域范圍圖像。

2.4.2 單波段模型反演鄱陽湖豐水期TSM濃度

由于鄱陽湖水面反射率與TSM濃度相關(guān)性最大的波段與GF-1衛(wèi)星影像的第3波段最為接近，因此，選用GF-1影像的第3波段，利用表2中單波段模型表達(dá)式對鄱陽湖TSM濃度進(jìn)行反演。反演結(jié)果與實測值之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 GF-1影像數(shù)據(jù)單波段模型反演TSM濃度的反演值與實測值對比(2015年8月)Fig.7 Comparison between retrieved and measured the total suspended matter concentration based on single band model using GF-1 data (August,2015)

其中，R2為0.847 7，RMSE為12.23 mg/L，MRPE為35.22%，由此可得，單波段模型在鄱陽湖豐水期GF-1影像上的應(yīng)用有較好的結(jié)果，GF-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)可以用于鄱陽湖豐水期TSM濃度的反演。反演結(jié)果如圖8所示。

圖8 2015年8月鄱陽湖TSM濃度空間分布Fig.8 Spatial distribution map of suspended matter concentration of Poyang Lake in August 2015

由圖8可知，鄱陽湖的TSM濃度總體水平不高，平均值為23.26 mg/L，最大值為127.36 mg/L，最小值為3.87 mg/L。TSM濃度空間分布的差異性也十分明顯，高值主要集中在鄱陽湖北部通江河道區(qū)域(A)上，以及鄱陽湖中部大湖面區(qū)域(C)，其他水域分布相對均勻。

8月為鄱陽湖豐水期，水位及湖水面積處于1 a中的最大值，且鄱陽湖的TSM濃度的整體水平也較低[31]。由于北部通江河道在采砂、航運(yùn)等一系列人類活動的影響下，TSM濃度值局部偏高，加之2007年以來鄱陽湖采砂活動的南移[32]，使得鄱陽湖中部大湖面區(qū)域懸浮泥沙含量增加。

鄱陽湖豐水期水體中所含的TSM濃度值相對較低，但同時Chl-a濃度值也處于較低的水平； 而且從光譜特征分析中發(fā)現(xiàn)，TSM濃度在水面反射率中占主導(dǎo)作用，Chl-a濃度對此影響不大。因此，在進(jìn)行豐水期TSM濃度的反演中利用單波段模型便足以得到良好的擬合效果，其他反演模型中增加一個波段試圖提高模型精度反而影響了最終的反演效果。Binding等[33]和陳建輝等[9]在研究中也分別提出，在懸浮物濃度占主導(dǎo)的復(fù)雜光學(xué)水體中用單波段模型反演懸浮物濃度是更為有效的方法。

實測水面反射率光譜與TSM濃度的相關(guān)性很高，兩者建立的單波段模型擬合效果較好，但反演結(jié)果與實測TSM濃度之間仍存在一定的差異，造成這種現(xiàn)象的原因可能為： ①大氣校正不充分導(dǎo)致反演結(jié)果存在誤差； ②鄱陽湖河道中采砂船的活動，對水體中TSM濃度的影響較大。中部大湖面區(qū)域(C)采樣時間為2015年8月5日，影像日期為2015年8月3日，2天間采砂船活動所導(dǎo)致湖水TSM濃度的明顯變化減弱了影像與實測之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.5 反演模型驗證

結(jié)合2015年10月23日和24日獲取的21個樣點的TSM濃度數(shù)據(jù)(表3)，將上述鄱陽湖豐水期TSM濃度反演模型應(yīng)用于2015年10月24日GF-1影像中做進(jìn)一步驗證(圖9)。

表3 用于模型驗證的21組TSM濃度數(shù)據(jù)Tab.3 The 21 data samples of total suspended matter concentration for model validation (mg/L)

圖9 GF-1影像數(shù)據(jù)單波段模型反演TSM濃度的反演值與實測值對比(2015年10月)Fig.9 Comparison between retrieved and measured the total suspended matter concentration based on single band model using GF-1 data (October,2015)

對比結(jié)果表明，反演整體效果良好，RMSE為14.11 mg/L，MRPE為38.45%，精度接近于2015年8月影像結(jié)果，表明該模型能進(jìn)一步推廣應(yīng)用到鄱陽湖不同時期總懸浮濃度的反演。

3 結(jié)論

利用地面實測高光譜數(shù)據(jù)建立鄱陽湖豐水期TSM濃度的反演模型，采用2015年8月進(jìn)行實地采樣的33組包含實測反射率、TSM濃度以及Chl-a濃度等的采樣數(shù)據(jù)，在對鄱陽湖豐水期水體光譜特征分析的基礎(chǔ)之上，共建立了單波段、一階微分和波段比值等3種反演模型，并對反演結(jié)果進(jìn)行驗證。研究發(fā)現(xiàn)：

1)鄱陽湖豐水期水體TSM濃度與實測水體反射率呈顯著正相關(guān)。對采樣點的原始反射率進(jìn)行歸一化處理后再與TSM濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，使得特征波段更加明顯，再結(jié)合Chl-a濃度進(jìn)行分析，最終得出適合進(jìn)行鄱陽湖豐水期TSM濃度反演的波長范圍為705～830 nm。

2)TSM濃度反演建模的備選模型為單波段模型、一階微分模型和波段比值模型。利用實測高光譜反射率建立的3種模型擬合度均大于0.9，精度驗證結(jié)果也較好。比較分析表明，單波段模型的擬合效果最優(yōu)，一階微分模型次之，波段比值模型的反演效果低于前2種模型。

3)將單波段反演模型應(yīng)用于2015年8月同現(xiàn)場觀測同步的GF-1影像數(shù)據(jù)得出，鄱陽湖豐水期TSM濃度的高值主要集中在北部河道和鄱陽湖中部大湖面區(qū)域，其余水域分布較為均勻。

4)本研究建立的鄱陽湖豐水期TSM濃度反演模型應(yīng)用于其他時期GF-1影像時得到的反演結(jié)果良好，精度接近于2015年8月反演結(jié)果，表明該模型能進(jìn)一步推廣應(yīng)用于鄱陽湖不同時期的TSM濃度的反演。