基于Sentinel-3 OLCI影像的渤海透明度遙感反演研究

姜玲玲，王龍霄, 2，王 林，高思雯，岳建權(quán)

1. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116026 2. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心海洋遙感技術(shù)室，遼寧 大連 116023

引 言

海水透明度是海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要指標(biāo)，能夠直接反映水體的渾濁程度，與海水的光學(xué)性質(zhì)、漫射衰減系數(shù)、太陽輻射度等均有著密切的關(guān)系。 在漁業(yè)方面，可根據(jù)海水的透明度判斷魚群數(shù)量，預(yù)測魚群的活動范圍；在航海方面，透明度的表現(xiàn)形式為等直線加分冊設(shè)色法，用以輔助航行，保障安全；在環(huán)境評估方面，海水透明度是評估赤潮，富營養(yǎng)化程度以及海洋污染的重要指標(biāo)，是環(huán)境調(diào)查中不可或缺的環(huán)節(jié)。 海洋透明度的遙感反演研究對人們深化海洋認(rèn)識、合理開發(fā)和利用海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境以及了解海洋初級生產(chǎn)力等均具有重要意義。

1865年，意大利天文學(xué)家Pietro Angelo Secchi發(fā)明賽克盤(Secchi disk)用以測量水體透明度(secchi disk depth，SDD)[1]，其過程為： 白晝光透過海水照射到白色圓盤上，再經(jīng)過散射、反射等物理過程達(dá)到人眼觀測的最大能見度作為水體的透明度。 自此，賽克盤被廣泛使用，目前仍作為野外透明度測量的主要方法。 薛宇歡[2]，高磊[3]等人利用多年積累的實(shí)測數(shù)據(jù)資料，總結(jié)了我國海域的透明度分布特點(diǎn)及時空變化特征。 但野外現(xiàn)場測量耗費(fèi)大量人力物力，且無法滿足對廣域海區(qū)的長時間動態(tài)監(jiān)測，遙感技術(shù)的發(fā)展，逐漸彌補(bǔ)了野外測量工作的缺陷，成為海洋監(jiān)測工作的主要手段。

透明度遙感估算模型發(fā)展至今主要分為兩大類。 利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；以光在水體中輻射傳輸理論為基礎(chǔ)，建立現(xiàn)場透明度與水體固有光學(xué)參數(shù)的半分析模型，或通過輻射傳輸方程計(jì)算水體組分的半分析模型。 隨著國內(nèi)外眾多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用于水體透明度研究，該領(lǐng)域也得到了廣泛關(guān)注與發(fā)展： Zeng等[4]基于實(shí)地測量透明度與遙感反射率，開發(fā)了一種新型半分析算法，并將其應(yīng)用于地球靜止海洋彩色成像儀(GOCI)，在渾濁水體中表現(xiàn)良好；周毅等[5]利用資源一號02D衛(wèi)星通過半分析算法對官廳水庫進(jìn)行透明度估算，呈現(xiàn)出較高的反演精度；Lee等[6]開發(fā)了一種反演透明度的新型半分析算法，并應(yīng)用于Lasndsat 8影像，可為湖泊與河口提供高分辨率的透明度產(chǎn)品；禹定峰等[7]基于黃東海透明度數(shù)據(jù)與MODIS遙感反射率建立了透明度三波段反演模型；張春桂等[8]利用MODIS與福建近岸海域海水透明度實(shí)測數(shù)據(jù)建立了臺灣海峽海水透明度的估算模型。 綜合來看，在二類水體透明度的反演研究中取得了一定的研究成果。

2016年，歐空局發(fā)射了搭載海洋和陸地色彩成像儀(ocean land colour instrument，OLCI)的新一代海洋水色衛(wèi)星哨兵3A(Sentinel-3A)，該傳感器空間分辨率為300 m，具有21個波段，波長范圍為400～1 020 nm，衛(wèi)星赤道重訪時間3.8 d。 2018年，同樣搭載OLCI水色傳感器的哨兵3B(Sentinel-3B)升空，形成雙星觀測模式，對全球海洋重訪周期為1.9 d、陸地為1.1 d。 Sentinel-3 OLCI傳感器較其他水色傳感器在產(chǎn)品質(zhì)量、波段數(shù)量、空間分辨率以及數(shù)據(jù)獲取的便捷性方面均有大幅度提升。

目前Sentinel-3 OLCI在我國海域的應(yīng)用尚處于初期階段，利用Sentinel-3 OLCI反演我國海域透明度的相關(guān)研究還鮮有報道。 以渤海為研究區(qū)，首先分析OLCI波段等效遙感反射率與實(shí)測透明度的相關(guān)性，并建立渤海透明度單波段、波段比值及混合波段的遙感反演模型，通過驗(yàn)證確定最佳模型，最終利用OLCI時間序列影像對渤海的水體透明度進(jìn)行反演。 本研究為有效提取渤海透明度的信息提供有力參考與理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)(包括站位分布情況)

渤海(北緯37°07′—41°0′，東經(jīng)117°35′—121°10′)是我國北部的半封閉型內(nèi)海，由遼東灣、渤海灣、萊州灣、中央海盆和渤海海峽組成，水深較淺，平均水深18 m，最深處為83 m。 渤海三面被陸地環(huán)繞，大陸徑流較強(qiáng)，海灣內(nèi)水流不易與外部進(jìn)行交換，同時沿岸有近百個港口，生活污水與工業(yè)廢水的排放造成了嚴(yán)重的海洋污染。 三部委為此聯(lián)合印發(fā)《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》，經(jīng)過近兩年的綜合治理，渤海水質(zhì)已有明顯改善，但對渤海環(huán)境進(jìn)行常態(tài)化的監(jiān)控仍具有重要的意義。

本研究現(xiàn)場數(shù)據(jù)來自2013年—2020年不同季節(jié)期間的多個外業(yè)調(diào)查航次，共計(jì)358站次，站位分布如圖1所示。

1.2 實(shí)測數(shù)據(jù)

透明度測量采用直徑30 cm的透明度盤，按照“GB/T 12763.2—2007海洋調(diào)查規(guī)范第2部分： 海洋水文觀測”規(guī)定進(jìn)行觀測。 在甲板背光側(cè)將透明度盤置于水中，下降到肉眼剛好看不到的深度，再提至隱約可見，記錄當(dāng)時繩索標(biāo)記值作為透明度深度。 現(xiàn)場光譜數(shù)據(jù)使用美國ASD雙通道地物光譜輻射計(jì)，采用水面之上法測量，其光譜范圍為350～2 500 nm。 儀器觀測平面與太陽入射平面的夾角為135°，儀器與海面法線的夾角為40°，可避免絕大部分的太陽直射反射，并減少船舶陰影的影響。 從各站位點(diǎn)分別采集標(biāo)準(zhǔn)板輻亮度、水體輻亮度以及天空漫散射輻亮度，并按式(1)計(jì)算，得到現(xiàn)場水體的遙感反射率Rrs

圖1 渤海海域采樣調(diào)查站位點(diǎn)及衛(wèi)星匹配點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling stations

(1)

式(1)中：Lsw為水體輻亮度；r為水-氣界面漫散射光反射率，一般取0.028，海面平靜時可取0.026；Lsky為天空漫散射光輻亮度；ρp為標(biāo)準(zhǔn)板反射率；Lp為標(biāo)準(zhǔn)板輻亮度。

本文旨在實(shí)現(xiàn)Sentinel-3 OLCI傳感器對渤海海區(qū)透明度反演，因此需針對該傳感器的波段設(shè)置進(jìn)行波段響應(yīng)函數(shù)[式(2)]運(yùn)算。

(2)

式(2)中：Rrs(Bandx)為Sentinel-3 OLCI傳感器Bandx波段等效遙感反射率；Rrs(λ)為ASD光譜儀獲取的現(xiàn)場遙感反射率；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)，可從NASA Ocean Color下載(https: //oceancolor.gsfc.nasa.gov/docs/rsr/rsrtables/)。

1.3 遙感數(shù)據(jù)

OLCI傳感器基于中分辨率成像光譜儀(MERIS)開發(fā)，優(yōu)化后相比較MERIS傳感器改進(jìn)了7個光譜波段，可觀測到沿海地區(qū)的海洋水色，傳感器向西傾斜，盡可能弱化太陽反射耀斑的作用[9]。

結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時間，下載2017年6月14日、9月19日、9月23日OLCI Level 1 EFR(full resolution top of atmosphere radiance)遙感影像進(jìn)行透明度反演結(jié)果驗(yàn)證，同時下載2020年全年無云渤海衛(wèi)星影像進(jìn)行渤海透明度時空變化特征研究。 影像均來自于歐洲航天局(ESA)官方網(wǎng)站(https://coda.eumetsat.int/)。

衛(wèi)星與實(shí)測驗(yàn)證數(shù)據(jù)的時空匹配要求為： 以測量點(diǎn)的地理位置為中心，選取周圍3 pixel×3 pixel區(qū)域內(nèi)所有有效點(diǎn)平均值作為該地理位置的遙感反射率反演值，并要求有效點(diǎn)周圍點(diǎn)位的有效像素百分比η需滿足η>50%，否則作為無效點(diǎn)排除。 同時規(guī)定3 pixel×3 pixel區(qū)域內(nèi)所有像素的平均值Nmean與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的取值范圍，若超過平均值±1.5σ，則不考慮該像素值。 本工作的時間匹配窗口設(shè)置為±3 h。 篩選后共10個站位點(diǎn)滿足時空匹配要求。

衛(wèi)星接收到的光學(xué)信號中包含著大氣層頂部的反射光，但水面的反射率通常較低，因此需將光學(xué)信號進(jìn)行大氣校正處理以甄別水面信號。 ESA針對哨兵系列衛(wèi)星提供免費(fèi)處理影像的SNAP (sentinel application platform)軟件，其中包含多種利用輻射傳輸模型模擬建立的大氣校正方法。 針對哨兵三號衛(wèi)星，本研究采用C2RCC(Case-2 regional coast colour)算法對OLCI影像進(jìn)行大氣校正處理，該算法基于MERIS與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(neuro network)開發(fā)，在二類水域的研究中得到廣泛應(yīng)用與認(rèn)可[10-11]。

此外，經(jīng)大氣校正處理后的影像需進(jìn)行幾何校正處理，利用地面控制點(diǎn)和幾何校正數(shù)學(xué)模型來校正非系統(tǒng)性因素產(chǎn)生的偏差，將衛(wèi)星影像投影到平面，使其符合地理投影系統(tǒng)，并進(jìn)行重采樣，設(shè)定空間分辨率為300 m。 最后，根據(jù)渤海經(jīng)緯度矢量圖，進(jìn)行區(qū)域剪裁，僅保留研究區(qū)的影像，對異常值進(jìn)行剔除后，進(jìn)行遙感應(yīng)用。

1.4 精度評價

通過OLCI傳感器特征波段的遙感反射率與現(xiàn)場透明度數(shù)據(jù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)(r) [式(3)]，確定模型選用波段，采用數(shù)學(xué)回歸方法建立水體透明度反演的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并通過MATLAB軟件采用最小二乘法確定模型參數(shù)。 為消除建模時產(chǎn)生的異方差問題，將原始透明度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對數(shù)處理。

(3)

反演水體透明度的精度評價指標(biāo)選擇平均相對誤差(mean relative error，MRE)和均方根誤差(root mean squared error，RMSE)。 兩者表達(dá)如式(4)與式(5)

(4)

(5)

式(5)中：dm為第m個實(shí)測值；dp為對應(yīng)的第p個遙感反演值；n為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場光譜

遙感反射率是對水體中各物質(zhì)信息的綜合反映，根據(jù)圖2可見渤海海水光譜具有明顯的二類水體光譜特征。 遙感反射率從350 nm開始逐漸升高，在580 nm處受細(xì)胞散射與葉綠素a吸收較弱的共同作用，出現(xiàn)明顯光譜反射峰，遙感反射率范圍為0.002～0.045 sr-1；之后隨著波長的增加，遙感反射率不斷降低，在680 nm處葉綠素進(jìn)行光合作用釋放能量，光譜出現(xiàn)較弱的反射峰，遙感反射率在0.000 1～0.037 sr-1之間；隨后遙感反射率呈現(xiàn)下降趨勢，受泥沙后向散射的影響，在810 nm左右再次出現(xiàn)明顯反射峰，遙感反射率范圍介于0.000 1～0.038 sr-1。

圖2 各站位水體光譜曲線Fig.2 In situ Rrs spectra

2.2 透明度與OLCI中心波段相關(guān)性分析

根據(jù)式(2)，結(jié)合OLCI的波譜響應(yīng)函數(shù)，將現(xiàn)場遙感反射率轉(zhuǎn)換為OLCI中心波段等效遙感反射率，并與現(xiàn)場實(shí)測透明度進(jìn)行相關(guān)性分析，擬合結(jié)果如表1所示。 可見兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要由于渾濁區(qū)域的透明度較小，懸浮物濃度較大，導(dǎo)致遙感反射率的數(shù)值較高，相關(guān)系數(shù)介于-0.5～-0.7之間。 其中最高的兩波段為綠光波段B6(560 nm)與紅光波段B7(620 nm)，分別為-0.692和-0.664。 當(dāng)光照射到透明度盤表面時，一般僅剩下單色光。 Jerlov[12]指出，在清潔水體中藍(lán)光波段(430～480 nm)作為主導(dǎo)，而在湖泊與近岸水體中主導(dǎo)波段向紅綠光波段遷移。 本研究結(jié)果也與該結(jié)論相符。 波段比值法可以在一定程度上減少大氣校正以及水體的二向反射問題，同時可提高光譜信號的強(qiáng)度。 目前大多數(shù)衛(wèi)星的葉綠素業(yè)務(wù)算法均為波段比值法，如應(yīng)用于SeaWIFS的OC4算法；MODIS的OC3M算法等。 因此，本工作也采用波段比值法，將可見光內(nèi)不同的波段進(jìn)行組合，與透明度進(jìn)行相關(guān)性分析；如表2所示，可見相關(guān)系數(shù)較高的波段組合中均有B7波段，相關(guān)系數(shù)均在0.9左右，再次驗(yàn)證了紅光與透明度的關(guān)聯(lián)性更為緊密。

表1 中心波段遙感反射率與透明度的相關(guān)性分析Table 1 Correlation between Rrs and SDD at central band

表2 波段組合與透明度的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between Rrs combination and SDD

2.3 OLCI影像大氣校正結(jié)果分析

利用與衛(wèi)星數(shù)據(jù)時空同步的現(xiàn)場遙感反射率數(shù)據(jù)，驗(yàn)證OLCI影像經(jīng)大氣校正后的遙感反射率結(jié)果，由圖3可知實(shí)測遙感反射率與Sentinel-3 OLCI的遙感反射率一致性較高，兩者之間的R2為0.95，RMSE為0.000 53 sr-1，MRE為31%。 各波段大氣校正結(jié)果如表3所示，在620與665 nm處大氣校正的結(jié)果相對其他波段較差，MRE的值分別為35.73%和37.97%，其余波段MRE的值均小于30%。 該結(jié)果充分體現(xiàn)了C2RCC大氣校正算法的精確性與可靠性，表明可利用該大氣校正方法進(jìn)行下一步的透明度遙感反演應(yīng)用。

圖3 實(shí)測遙感反射率與Sentinel-3 OLCI遙感反射率對比圖Fig.3 Comparison of in situ Rrs withSentinel-3 derived OLCI Rrs

表3 各波段大氣校正結(jié)果Table 3 Atmospheric correction results for each band

2.4 透明度反演模型的建立

根據(jù)上述相關(guān)性結(jié)果進(jìn)行中心波段的篩選，最終選取B5—B10波段與lgSD建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?并利用衛(wèi)星同步站位點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行透明度反演模型的精度驗(yàn)證(詳見表4與表5)，結(jié)果表明： 在單波段模型中，以B7(620 nm)作為參量建立透明度反演模型的反演效果最佳，在其二次項(xiàng)模型中R2高達(dá)0.72，RMSE為0.4 m，MRE為19.35%；波段比值模型中以510/620 nm為參量的一次項(xiàng)透明度反演模型反演效果最佳，其R2為0.56，RMSE為0.519 m，MRE的值為18.68%；根據(jù)單波段與波段比值反演效果，選取B5(510 nm)，B6(560 nm)和B7(620 nm)進(jìn)行混合波段模型構(gòu)建與反演，發(fā)現(xiàn)利用B6和B7為敏感因子建立的透明度反演模型效果最佳(圖4)，透明度反演值與實(shí)測值均勻分布在1∶1線兩側(cè)，R2為0.68，MRE為15.93%，RMSE為0.48 m。 叢丕福[13]等基于MODIS數(shù)據(jù)對遼東灣海水透明度進(jìn)行了反演，發(fā)現(xiàn)利用667 nm波段建立的單波段遙感反演模型具有良好的反演效果，其反演結(jié)果平均相對誤差為13%。 比較而言，本研究范圍相對廣闊，以560和620 nm建立的混合波段模型反演精度相對更高，對渤海海域的透明度反演更具有良好的適用性。

表4 透明度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途闰?yàn)證結(jié)果表Table 4 Validation results of empirical transparency model

續(xù)表4

表5 衛(wèi)星匹配站點(diǎn)透明度反演結(jié)果Table 5 The result between SDD estimated and in situ SDD

圖4 透明度實(shí)測值與反演值Fig.4 Comparison between in situ SDD andSentinel-3 OLCI retrieved SDD

2.5 渤海透明度時空變化分析

在上述研究基礎(chǔ)上，利用最佳反演模型結(jié)合2020年OLCI時間序列影像，對渤海透明度進(jìn)行反演研究，獲得2020年渤海透明度月均遙感產(chǎn)品，如圖5所示，透明度變化趨勢如圖6所示。 研究結(jié)果表明： 渤海水體透明度存在明顯的區(qū)域性與季節(jié)性變化差異。 在夏季7、8月最高，透明度最大值可高于9 m，該季節(jié)平均風(fēng)速2～3 m，風(fēng)速較低、風(fēng)期較短且懸浮物濃度低，對透明度的影響也比其他季節(jié)相對較??；透明度在冬季1、2月最低，最大值仍低于2 m，該季節(jié)平均風(fēng)速達(dá)7～8 m·s-1，受海浪作用懸浮物濃度也相對較高。 此外，渤海海區(qū)透明度的空間變化趨勢呈現(xiàn)沿岸區(qū)域較低，中部區(qū)域較高；其中在秦皇島附近海域透明度要高于其他沿岸區(qū)域，因該海區(qū)附近岸線屬砂質(zhì)海岸，且該位置較其他海區(qū)更為開闊，在該海區(qū)灤河入海對其帶來的影響相對其他海區(qū)河流入海的影響較小。 渤海灣、萊州灣與遼東灣水體透明度全年較低，因三灣海岸線屬淤泥質(zhì)海岸，且分別為海河、黃河與遼河入?？?，大量懸浮物、有機(jī)物與陸源物質(zhì)被攜帶入海，三灣周圍城市群較多，產(chǎn)生的生活廢水、工業(yè)污水因地理位置原因，會長期徘徊于三灣內(nèi)。 中央海盆的透明度在一年間的變化最為明顯，變化區(qū)間在0.5～4 m。 渤海海峽透明度整體呈現(xiàn)由北向南逐漸降低，由西向東逐漸增高的趨勢。 該海區(qū)透明度趨勢與渤海海峽海底及周邊地形走勢相通，由北向南海底深度變小，廟島群島與山東半島城市群均位居于渤海海峽南部，受自然地理與城市因素的影響，渤海海峽北部透明度高于海峽南部，由渤海海峽進(jìn)入黃海后透明度會大幅度提高。

圖5 2020年渤海水體月平均透明度空間分布圖Fig.5 The spatial distribution of monthly average SDD of Bohai Sea in 2020

3 結(jié) 論

利用渤海實(shí)測光譜與透明度數(shù)據(jù)，結(jié)合Sentinel-3 OLCI傳感器中心波段建立了適用于渤海的透明度反演模型，并將模型結(jié)合Sentinel-3 OLCI同步影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了透明度反演精度驗(yàn)證，其中以B6、B7為敏感因子建立混合波段模型反演效果最佳，其R2為0.68，MRE為15.93%，RMSE為0.48 m。 將該模型應(yīng)用于渤海透明度反演，得到2020年月均渤海透明度時空分布產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)渤海透明度具有明顯的季節(jié)性與區(qū)域性特征。 地域上，透明度呈現(xiàn)近岸海域低、離岸海域高的分布特點(diǎn)，三灣內(nèi)透明度常年較低，渤海中央海盆與渤海海峽透明度相對較高；時間上，夏季7、8月份透明度全年最高，冬季1、2月份透明度處于低值期，考慮到冬季部分海域會有海冰的影響，該反演結(jié)果在局部產(chǎn)生一定的誤差，但對渤海整體的變化趨勢影響不大。 本研究結(jié)果為渤海透明度遙感監(jiān)測提供良好的理論基礎(chǔ)，同時由于構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)主要以渤海近岸為主，渤海海盆采樣數(shù)據(jù)較少，使得渤海海盆的透明度反演結(jié)果存在一定的不確定性，有待于補(bǔ)充大量現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

圖6 2020年渤海透明度月度變化趨勢圖Fig.6 The monthly change trend of Bohai Sea SDD in 2020