長蕩湖葉綠素a濃度衛(wèi)星遙感反演研究

梁文廣， 蔣志昊， 王金東， 王軼虹， 王冬梅

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017； 2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處， 江蘇 宿遷 223800)

水中葉綠素a濃度是浮游生物分布的指標(biāo)，是衡量水體初級生產(chǎn)力(水生植物的生物量)和富營養(yǎng)化作用的最基本的指標(biāo)[1]。因此監(jiān)測葉綠素a濃度是水環(huán)境遙感中的主要的監(jiān)測項目之一[2]。關(guān)于水體葉綠素a濃度的遙感監(jiān)測研究，朱冰川等[3]利用靜止軌道海洋水色遙感器(GOCI)遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建了太湖葉綠素a反演的三波段模型，可以用于GOCI遙感數(shù)據(jù)反演太湖葉綠素a濃度；包穎等[4]以太湖為研究區(qū),針對不同水體類型分別建立基于GOCI影像的葉綠素a反演模型，實現(xiàn)不同類型水體的葉綠素a濃度反演。黃啟會等[5]結(jié)合HJ-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)與2012年4月實測的光譜數(shù)據(jù),建立百花湖葉綠素a的遙感反演模型，結(jié)果表明第1波段和第2波段比值(B2/B1)與葉綠素a濃度的相關(guān)性最好,利用波段比值構(gòu)建的回歸模型具有不錯的反演效果。王珊珊等[6]根據(jù)太湖2007年11月、2009年4月和2011年8月實測水質(zhì)參數(shù)以及同步光譜數(shù)據(jù),結(jié)合水色遙感傳感器MODIS、MERIS、GOCI及我國自主發(fā)射的HJ-1號衛(wèi)星CCD傳感器波段參數(shù),基于差值模型、比值模型、三波段模型及APPEL模型,分別建立太湖水體葉綠素a濃度反演模型,并分析模型的適宜性。江輝[7]通過分析水體葉綠素a濃度與高光譜反射特征的相互關(guān)系,采用一階微分值和峰值比值法分別建立了葉綠素a的高光譜定量反演模型,在此基礎(chǔ)上與同步MODIS數(shù)據(jù)敏感波段建立衛(wèi)星定量反演模型。

考慮到江蘇省水質(zhì)監(jiān)測以常規(guī)的人工取樣-實驗室分析為主，為了探索利用遙感數(shù)據(jù)對水體葉綠素a濃度進(jìn)行監(jiān)測，本研究以江蘇省典型湖泊長蕩湖為研究區(qū)，利用實測水體光譜數(shù)據(jù)與水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建葉綠素a濃度遙感反演模型，采用同期哨兵二號遙感數(shù)據(jù)開展長蕩湖葉綠素a濃度反演研究。為我省水質(zhì)監(jiān)測提供新的技術(shù)方法。

1 研究區(qū)

長蕩湖又名洮湖，位于江蘇省南部、太湖流域上游，跨金壇、溧陽兩地，京杭運(yùn)河以南，滆湖以西，東經(jīng)119°30′～119°40′，北緯31°30′～31°40′，系古太湖分化湖之一，屬太湖水系。長蕩湖是典型的淺水草型湖泊，湖底平均高程為2.36 m(吳淞高程基準(zhǔn))，長蕩湖保護(hù)范圍面積120.74 km2，水域面積85 km2，是江蘇十大淡水湖之一。長蕩湖為太湖流域湖西區(qū)重要的調(diào)蓄性湖泊之一，具有行洪泄洪、飲用水源、旅游觀光、漁業(yè)生產(chǎn)等功能。屬于北亞熱帶海洋性氣候，常年氣候溫和，雨量充沛，四季分明。春末夏初時多有梅雨發(fā)生，夏季炎熱多雨，最高氣溫達(dá)36℃以上，冬季空氣濕潤，氣候陰冷。

2 數(shù) 據(jù)

遙感數(shù)據(jù)選用2020年5月3日的歐洲哨兵二號(Sentinel 2)多光譜成像儀(MSI)衛(wèi)星。多光譜成像儀覆蓋13個光譜波段(表1)，幅寬達(dá)290 km。地面分辨率分別為10 m、20 m和60 m。哨兵二號具有S2A和S2B 2顆衛(wèi)星，1顆衛(wèi)星的重訪周期為10 d，2顆互補(bǔ)，重訪周期為5 d。本項目采用的哨兵二號(Sentinel 2)多光譜數(shù)據(jù)為歐空局ESA數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供L2A級地表反射率產(chǎn)品數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣校正后的地表反射率數(shù)據(jù)。

表1 Sentinel 2圖像各個波段中心波長和空間分辨率

項目組于2020年5月3日在長蕩湖湖面開展星-地同步遙感試驗，在長蕩湖全湖布設(shè)站點20個(圖1)，獲取每個樣點水面光譜數(shù)據(jù)、水樣、地理位置坐標(biāo)和氣象數(shù)據(jù)等。其中光譜數(shù)據(jù)采用用美國ASD光譜儀測量350～2 500 nm水面光譜反射率曲線，水樣在實驗室基于熱乙醇萃取的分光光度法測試得到每個水樣葉綠素a濃度。其中獲取的20個站點的光譜數(shù)據(jù)和實測葉綠素a濃度數(shù)據(jù)作為遙感建模的主要數(shù)據(jù)。

圖1 2020年5月3日野外試驗點位分布示意圖

圖2 2020年5月3日長蕩湖采樣點的水體光譜反射率

3 遙感建模

根據(jù)研究區(qū)域的水體光譜特征，分析不同水質(zhì)參數(shù)的特征波段，再將不同波段的光譜反射率數(shù)據(jù)與地面實測水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，選擇最優(yōu)波段。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于Sentinel-2影像的水質(zhì)參數(shù)反演模型。

(1)多光譜波段等效

實測的光譜數(shù)據(jù)是間隔1nm的連續(xù)光譜曲線，而Sentinel-2衛(wèi)星是離散的多光譜波段，各波段都有一定的波長響應(yīng)寬度。為了將實測光譜反射率Rrs應(yīng)用到Sentinel-2影像中，需要將實測光譜反射率Rrs通過計算等效模擬到Sentinel-2衛(wèi)星多光譜波段等效反射率Rrseq，計算公式為

(1)

式中：Rrseq為衛(wèi)星波段等效反射率；Rrs(λ)為實測的光譜反射率；fSRF(λ)為衛(wèi)星的光譜響應(yīng)函數(shù)；F0(λ)為大氣層外太陽輻照度。

(2)葉綠素a濃度特征波段分析

水質(zhì)參數(shù)遙感估測模型的精度很大程度上取決于反演波段的選擇，所以波段的選擇十分重要。采用半經(jīng)驗法根據(jù)各水質(zhì)參數(shù)表征的光譜特征，選擇合適的Sentinel-2 特征波段或波段組合，建立特征波段與水質(zhì)參數(shù)的之間的統(tǒng)計關(guān)系。

葉綠素a主要有2個吸收峰，通常位于波長440 nm和675 nm附近。然而，對于內(nèi)陸水體來說波長440 nm處受非色素顆粒物和黃色物質(zhì)吸收的影響較大，而波長675nm受其他水體要素的影響較小，所以往往選擇波長675 nm處的反射率谷值。由于波長675 nm反射率的吸收谷會引起在700 nm處存在反射率峰值，因此往往利用675 nm處和700 nm處的反射率比值反演葉綠素a濃度，對應(yīng)的Sentinel-2影像的波段4(B4，中心波長665 nm)和波段5(B5，中心波長705 nm)。

(3)長蕩湖葉綠素a濃度遙感反演模型構(gòu)建

為了進(jìn)一步用實測數(shù)據(jù)分析葉綠素a濃度模型構(gòu)建的特征波段，對Sentinel-2數(shù)據(jù)B3、B4、B5、B8這4個波段及波段間組合與葉綠素a濃度實測值之間進(jìn)行相關(guān)性分析，以尋求反演長蕩湖葉綠素a濃度的特征波段，相關(guān)系數(shù)如下表2所示。

表2 Sentinel-2波段及波段組合與葉綠素a濃度的相關(guān)分析

這4個波段及波段間組合與葉綠素a濃度的相關(guān)分析可知，B4/B5和B5/B4與葉綠素a濃度相關(guān)系數(shù)最高，分別為-0.347和0.358。

結(jié)合長蕩湖試驗實測的水樣葉綠素a濃度與經(jīng)過波段等效模擬到Sentinel-2衛(wèi)星多光譜波段數(shù)據(jù)共有20個對應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)建葉綠素a濃度反演模型。結(jié)果顯示，采用B4/B5波段建模精度更高，因此采用B4/B5的比值模型反演長蕩湖葉綠素a濃度。構(gòu)建的葉綠素a濃度參數(shù)(Chl-a)模型如下：

為了評價反演精度，通過模型計算得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與實測的20個采樣點葉綠素a濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，分別采用平均相對誤差(MRE，式中用EMRE表示)和均方根誤差(RMSE，式中用ERMSE表示)用于模型評價。其計算公式為

(2)

(3)

式中：TPre，i為反演得到的葉綠素a濃度；TMea，i為實測的葉綠素a濃度；n為采樣點個數(shù)。

結(jié)果如圖3所示。

可以看到，葉綠素a濃度的平均相對誤差MRE為25.56%、均方根誤差RMSE為4.91μg/L。對于遙感監(jiān)測，該誤差是可以接受的。由圖3散點圖來看，部分葉綠素a濃度的反演值和實測值相差較大，可能是由于實測的葉綠素a濃度存在一定的誤差而導(dǎo)致的。

圖3 模型的精度評價

4 應(yīng) 用

利用長蕩湖2020年5月3日的哨兵二號多光譜影像數(shù)據(jù)，代入構(gòu)建的葉綠素a濃度反演模型得出反演結(jié)果如圖4所示。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果經(jīng)過統(tǒng)計分析，長蕩湖葉綠素a濃度主要位于11.03～21.21 μg/L之間，平均值為15.00 μg/L。從分布來看，長蕩湖葉綠素a濃度西部高、東部低。

表3 長蕩湖葉綠素a濃度反演模型

圖4 2020年5月3日長蕩湖葉綠素a濃度分布圖

5 結(jié) 語

本試驗利用實測葉綠素a濃度和光譜數(shù)據(jù)，建立了長蕩湖葉綠素a濃度反演模型；結(jié)合哨兵二號多光譜遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了長蕩湖葉綠素a濃度衛(wèi)星遙感的反演。試驗結(jié)果表明：遙感方法能夠快速實現(xiàn)長蕩湖葉綠素a濃度的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果能夠反映湖泊葉綠素a濃度的分布狀況，是水環(huán)境監(jiān)測的一種先進(jìn)的技術(shù)手段，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。后續(xù)的研究主要圍繞葉綠素a濃度遙感監(jiān)測精度的提高和全省河湖的應(yīng)用。