辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法

潘 进，丁贤荣，康彦彦，葛小平，李 森

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098；3.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法

潘 进1，丁贤荣2，康彦彦3，葛小平2，李 森1

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098；3.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

利用2006年江苏908调查水文泥沙测验数据和同期MODIS影像建立遥感定量反演模式，获取了半个潮周期的悬沙场以及全潮平均悬沙场，进行了辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法的研究，并结合悬沙数学模型对结果进行了验证。研究表明，在辐射沙脊群海域，敏感参数(B1-B4)/(B1+B4)的对数模式反演悬沙场精度较高；遥感反演结果在总体上与数学模型计算结果相似，悬沙高值区主要分布在弶港、废黄河口和长江口附近；在细节上比数学模型表现得更精细，能清晰地反映河口、沙洲、水道等地貌对悬沙分布的影响。

辐射沙脊群；遥感反演；悬沙场；MODIS影像

悬沙场反映悬浮泥沙在海洋环境动力作用下的时空分布，对研究沙脊发育、地貌演变和滩涂围垦、海岸工程等具有重要意义。辐射沙脊群位于江苏岸外南黄海海域，呈辐射状分布，水动力条件复杂，水下地形多变，潮汐通道众多，泥沙资料匮乏[1]。采用传统的海上随船定点测量方式调查速度慢、周期长，且仅能获得在时间和空间分布上离散的少量数据，很难对该海域悬沙场进行动态、连续、同步的观测。卫星遥感技术具有快速、重复、覆盖面积大、数据同步性好等特点，在空间尺度、数据获取方面可以与传统测量方法互补，被广泛应用于悬浮泥沙研究，如宋召军等[2]利用NOAA/AVHRR 2003年的遥感数据对南黄海春秋2季悬沙的空间分布进行了反演；邢飞等[3]利用TM数据反演悬沙并分析江苏近岸海域悬沙浓度的时空分布特征。本文以江苏908水文泥沙测验数据和同期MODIS影像为基础，通过建立遥感定量模式反演辐射沙脊群海域悬沙场，并结合基于海洋环境动力的悬沙数学模型进行验证，证明了悬沙场遥感反演方法的可行性，为研究该区域悬沙场运动规律提供技术途径。

1 研究基础与方法

1.1 研究基础

本文收集的数据主要包括江苏908调查水文泥沙测验资料、MODIS 500 m分辨率影像和大丰港历史潮位资料。江苏908调查分别在夏季大潮（2006-08-24）、夏季小潮（2006-08-31）、冬季大潮（2007-01-03）、冬季小潮（2007-01-11）对辐射沙脊群海域设立了16条垂线进行水文泥沙测验，各测站同步连续测量，1 h观测1次。本文选用MODIS 500 m分辨率数据进行悬沙场遥感反演研究。从收集的96景MODIS 500 m分辨率影像中筛选出8景，并结合大丰港潮位资料整理MODIS数据成像时刻潮流状况（见表1）。MODIS影像选取的条件是：要求影像质量好、云层少；保证存在影像与实测悬沙数据同步或准同步，便于模型的建立和验证；选取潮差相似、不同潮时的卫星数据，便于将影像同步到同一潮周期。

表1 MODIS影像成像时潮情统计表

数据的处理主要包括实测悬沙数据整编和遥感影像预处理2个部分。实测悬沙数据是按整点进行取样记录的，不与卫星成像时刻完全匹配，且存在部分异常点，需要进行整编，使其与卫星影像准同步，方便悬沙反演模式的建立和验证。遥感影像预处理主要包括几何校正、大气校正、裁剪、掩膜去云和水陆分离等，最终得到不同波段的遥感反射率，为研究悬沙场遥感反演方法提供基础。

1.2 研究方法

本文利用2006年江苏908水文泥沙测验数据和同期MODIS影像进行辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法研究。一方面提取测点反射率与对应悬沙数据进行相关分析，选择与悬浮泥沙相关性较高的敏感参数，建立多个遥感定量反演模式并进行精度评价，选择最佳遥感定量模式；另一方面结合悬沙数学模型对遥感定量模式反演结果进行验证，分析两者之间的差异，形成一套基于MODIS数据的辐射沙脊群海域悬沙场遥感反演方法。

2 悬沙场遥感反演

2.1 敏感参数的选择

敏感参数的选择是悬沙场遥感定量反演的基础和前提。不同遥感数据的不同波段及波段组合对悬浮泥沙的敏感程度明显不同。悬浮泥沙光谱反射率具有双峰特征：第一反射峰位于550~670 nm，第二反射峰位于780~830 nm。当水体中悬沙浓度增大时，反射光谱上的反射峰由短波向长波方向位移，即具有“红移现象”[4,5]。

MODIS数据单波段B1、B2、B4与悬沙浓度相关性较高。本文选用2006-08-24下午的MODIS 500 m分辨率影像，剔除受云干扰部分后提取各测点的反射率，与悬沙数据进行相关分析，计算其相关系数。通过表2可以看出，B1、B2、B4波段反射率与悬沙浓度相关性较好，这与MODIS数据的波谱特性相关：B1波段(620~670 nm)、B4波段(545~565 nm)位于第一反射峰，B2波段(841~876 nm)位于第二反射峰附近。

MODIS数据波段组合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)与悬沙浓度相关性较高。选择B1、B2、B4这3个悬沙敏感波段进行组合，并与悬沙数据进行相关分析。通过表3可以看出，波段组合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)与悬浮泥沙的相关性较高，综合分析表2与表3，选取单波段B1和波段组合B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)作为敏感参数建立遥感定量反演模式。

表2 悬沙浓度与MODIS影像单波段相关性

表3 悬沙浓度与MODIS影像波段组合相关性

2.2 遥感定量反演模式建立

水体的反射辐射与水中的悬沙含量密切相关，进行悬沙遥感定量反演的关键是确定反射率R与悬沙浓度SSC之间的函数关系。近年来，国内外学者对此进行了研究，提出了一系列模式[6-8]，主要分为理论模式、经验模式和半分析模式3种。本文选用经验模式，分别对敏感参数B1、B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)与悬沙数据进行回归分析，建立线性、对数以及多项式3种经验模式，并用最小二乘法计算其相关系数。通过表4可以看出，敏感参数对数模式的相关系数普遍比线性模式和多项式模式大，其中B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)的对数模式与悬浮泥沙的相关系数达到0.96以上，因此选用对数模式作为最优遥感定量反演模式。

表4 悬沙浓度反演模式及其相关系数

2.3 反演精度的评价

(B1-B4)/(B1+B4)对数模式的反演精度最高。选取2006-08-24上午的MODIS影像，剔除受云干扰部分后提取各测点反射率，分别运用敏感参数B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)的对数模式定量反演悬沙场，计算各测点悬沙反演值与实测值之间的相对误差，进行精度评价，检验其反演能力，选择最优定量模式。

从表 5可以看出，B1-B4、B1/B4、(B1-B4)/(B1+B4)对数模式的反演精度都很高，平均相对误差均小于30%。其中，(B1-B4)/(B1+B4)对数模式的精度最高，达到79.04%，反演能力明显优于其他模式，故选择其作为辐射沙脊群海域悬沙场的遥感反演模式，对夏季大潮不同潮时的6景MODIS影像进行定量反演，生成半个潮周期的悬沙场分布图（如图1所示），其中绿色部分为陆地，白色部分为被云覆盖区域。

表5 悬沙浓度反演模式精度评价

3 悬沙场数学模型的验证

波浪和潮流是引起海岸泥沙运动的主要动力因素，很多学者对此进行了研究，通过模拟波流运动建立泥沙数学模型[9-11]。杨耀中等[12]通过人工神经网络，将潮流数值模型、天气图和江苏908水文泥沙测验数据联系起来，构建平面二维悬浮泥沙模型，计算了辐射沙脊群海域大潮、小潮的全潮平均含沙量。由于均采用江苏908水文测验数据，本文直接引用杨耀中等的夏季大潮的全潮平均悬沙分布图[12]（见图2a），对夏季大潮悬沙场遥感反演结果进行验证。

悬沙遥感定量反演的优势在于能获取大面积、同步的悬沙场，悬沙数学模型的计算结果常用全潮平均含沙量来描述。为了实现悬沙场数学模型验证，需要对遥感反演结果进行分析处理，采用全潮平均含沙量来描述悬沙场。悬沙浓度随流速呈现周期性变化[1]。本文根据这一特征计算半个潮周期的平均含沙量代替全潮平均含沙量，生成辐射沙脊群海域夏季大潮的全潮平均悬沙场（见图2b）。

图2 全潮平均悬沙场示意图

通过图2可以看出，遥感反演结果在总体上与数学模型计算结果相似，细节上比数学模型更精细。从整体上看，悬沙高值区主要分布在弶港、废黄河口和长江口附近。其中弶港北部的近岸水域悬沙含量最大，在0.7kg/m3以上；辐射沙洲、废黄河口、长江口悬沙分布范围广，含沙量由近岸向海逐渐减少，一般在0.3~0.6 kg/m3之间。从细节上看，遥感反演能清晰地展现沙脊、潮流通道、河口等地貌附近的悬沙分布。辐射沙洲地区的悬沙含量由里向外逐渐减小，分布形态与水下地形相似。

4 结 语

本文利用江苏908实测悬沙数据和同期MODIS影像，建立悬沙遥感反演模型，对夏季大潮不同潮时的6景MODIS影像进行了定量反演，计算了全潮平均悬沙场，并与悬沙二维数值模拟结果进行了验证。结果表明，(B1-B4)/(B1+B4)对数模式的辐射沙脊群海域悬沙场反演精度最好，相对误差在20%左右；遥感反演结果与数值模拟结果总体一致，但细节上表现更加详尽，能清晰地反映河口、沙洲、水道等地貌对悬沙分布的影响。因此在辐射沙脊群海域运用MODIS数据反演悬沙场是可行的，且可将结果引用到悬沙输运研究中。

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Remote Sensing Retrieval of Suspended Sediment Concentration Field in Radial Sand Ridges Area

byPAN Jin

Suspended sediment field has great significance in the study of sand ridge development and geomorphic evolution, also in the matter of tidal flat reclamation and coastal engineering. In this paper, on the basis of hydrology-sediment data obtained in JS908 investigation in 2006 and contemporaneous MODIS images, remote sensing quantitative retrieval model was established. Suspended sediment concentration distribution maps in different tide levels and mean sediment concentration distribution map of a half tidal cycle were obtained. The retrieval map was compared with the numerical simulation map using suspended sediment dynamic mathematical model. The result showed that: the precision of (B1-B4) / (B1+B4)logarithm mode was high. The remote sensing retrieval map was similar to the numerical simulation map. High-concentration region of suspended sediment were mainly located in near Jianggang,Feihuanghe estuary and Yangtze estuary. Retrieval map had more details than the simulation map. It can reflect clearly the influence of the estuaries, sandbars, waterways on the distribution of suspended sediment, and can provide technical support for the exploration of suspended sediment transport.

radial sand ridges, remote sensing retrieval, suspended sediment field, MODIS images

P208

B

1672-4623（2013）02-0082-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.026

2012-10-22。

项目来源：国家973计划资助项目(2010CB429001)；国家海洋公益性行业科研专项资助项目(201005006-3); 国家科技支撑计划资助项目(2012BAB03B01); 江苏近海海洋综合调查与评价资助项目(JS-908-01-02)。

潘进，硕士，主要从事海洋遥感和地理信息系统研究。