珠江口海域ag(440)遥感模式研究及应用

黄妙芬，王迪峰，邢旭峰，韦济安，刘东，赵祖龙，王伟轩，刘阳

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.国家海洋局 第二海洋研究所 国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学实验室，浙江 杭州 310012)

珠江口海域ag(440)遥感模式研究及应用

黄妙芬1，王迪峰2，邢旭峰1，韦济安2，刘东2，赵祖龙1，王伟轩1，刘阳1

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.国家海洋局 第二海洋研究所 国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学实验室，浙江 杭州 310012)

有色可溶性有机物质(Coloured Dissolved Organic Matter，CDOM)直接影响着海水的光学性质，为水体有机污染物含量遥感反演的基础参数之一。在水色遥感研究领域，一般用440 nm波长位置的吸收系数ag(440)来表示其浓度，因而建立ag(440)遥感反演模式，对于掌握相关海域CDOM浓度的空间变化规律及进一步提取其他水环境参数具有重要的作用。利用2013年11月和2014年2月两个航次在珠江口海域现场采集的表观光学量及固有光学量数据，建立了基于HJ-1/CCD卫星传感器的ag(440)遥感反演模型，并应用于珠江口海域，得到该区域2012年1月至2014年6月晴天CDOM浓度空间动态分布图。研究结果表明：(1)现场测定的珠江口海域ag(440)在0.1～0.3 m-1，且不同断面ag(440)呈现出一定的规律性变化；(2)利用现场实测数据对遥感模式估算值进行验证，计算出估算值的相对误差为9%，表明所建立模式具有较高的准确率；(3)遥感反演的CDOM空间分布数据与实测数据得到的分布特征基本吻合，整个珠江口及其邻近海域ag(440)的数值范围为0.07～0.31 m-1，而且珠江口西部海域ag(440)高于中部和东部海域。

珠江口海域；CDOM；ag(440)；遥感模式

1 引言

有色可溶性有机物质(Coloured Dissolved Organic Matter，CDOM)是以溶解有机碳为主体成分且分子结构复杂的一大类物质的统称，为水色遥感可探测到光学特性的三大成分之一，也是重要的水质参数之一。CDOM能有效地吸收紫外辐射从而保护水生生物，同时其吸收系数与溶解有机碳(DOC)浓度和海水盐度有密切的关系，在河口及近岸海域CDOM除了来源于叶绿素的碎屑物，还包括陆源有机污染物，故其浓度可作为海水污染程度的“指示剂”。因而，研究河口及近岸海域的CDOM浓度空间分布特征具有重要的实际意义。珠江口海域是我国重要的经济活动区域之一，它不仅接纳了毗邻沿岸地区排放的污水，还接收通过各大小径流携带入海的污染物以及大规模的水产养殖业带来的污染物，人类活动与自然因素的共同作用导致该海域水质污染严重已经是不争的事实。因而建立珠江口海域CDOM浓度的遥感反演模式，对于掌握该海域污染物的来源及水质动态变化，保护珠江口及毗邻海域生态环境将起着重要的作用。

利用遥感技术提取河口及近岸海域CDOM浓度的模式研究，早期主要运用CZCS传感器，随着遥感技术的发展，SeaWiFS、MERIS、MODIS和GLI等传感器也陆续得到较为广泛的应用[1—6]，但这些海洋水色传感器的空间分辨率一般在300～1 000 m之间，分辨率相对较低。在河口及近海海域，由于受陆源物质影响大，使得水质参数的空间变化较大，因而空间分辨率较低的海洋水色传感器就不能满足水质参数高分辨率动态监测的要求。而具有中等空间分辨率陆地遥感数据(空间分辨率10～30 m)在进行水质参数速报方面展现出了较好的优势，利用中等空间分辨率陆地遥感数据研究河口及邻近水域CDOM信息提取的相关工作已经开展，常用的陆地遥感数据有HJ-1/CCD、LANDSAT/TM/ETM+/OLI、CBERS/CCD、SPOT/HRV、IRS-P6/LISS-III/AWIF、EO-1/ALI、EOS/ASTER和BJ-1/CCD等[7—9]。HJ-1/CCD属于国产卫星，具有较高的空间分辨率和时间分辨率，从2008年8月发射后，在我国近岸水体环境参数遥感反演中已得到了广泛的应用[10—12]。

由于CDOM成分的复杂性，直接测量其浓度有一定困难，一般用某一特征波段λ0的吸收系数ag(λ0)来表示其浓度，关于λ0的选择视不同研究领域而定。一些学者针对不同河口海域分别建立了利用遥感反射比估算CDOM的ag(λ0)遥感模式。Tiwari等，Hirtle等，Bowers等，Rochellc等和黄妙芬针对不同的河口海域分别建立了利用遥感反射比估算CDOM的ag(λ0)遥感模式[7，9—10，13—14]，其中λ0取值有412 nm、443 nm和440 nm，这些模式基本上都是采用统计方法建立，即通过现场采样，分析CDOM浓度与模拟光谱资料的关系，然后选择最佳波段并以此波段组合建立CDOM信息提取模式。

目前，关于渤海、黄海、东海、南海及我国几大湖泊的ag(λ0)遥感模式已经有众多的研究[1—3，15—16]，对于珠江口海域的CDOM特性也有一些研究。陈楚群等针对SeaWiFS数据的波段特征[2]，利用在珠江口采集的样本，提出了利用670 nm和412 nm波段遥感反射率反演水体溶解有机碳浓度的模式，来直接作为CDOM浓度，但没有建立ag(λ0)遥感模式。周博天等利用香港周边海域采集的样本[11]，选择490 nm、555 nm和670 nm 3个波长，应用光谱指数法分别建立了提取ag(412)和ag(443)的模式，再根据ag(412)和ag(443)提取ag(440)，所提出的模式也主要针对香港周边海域局部区域。王福利和郭卫东，通过现场实验，对珠江口CDOM光降解程度进行了研究[17]。综上所述，目前关于珠江口海域ag(λ0)遥感模式研究还鲜见报到。

本文利用2013年11月和2014年2月两个航次在珠江口海域现场采集的表观光学量及固有光学量数据，结合HJ-1/CCD的波段响应函数，模拟出较高应用精度的HJ-1/CCD卫星反演水体CDOM浓度的遥感指数模式，所建立模式可为在更广阔的南海海域建立固有光学参量的遥感算法提供依据。

2 研究海区和方法

2.1 研究海区

研究海区包括珠江口及邻近海域，位于21°～22°N、113°～114°E，北从虎门开始，南到珠海大万山岛以南35海里，西到珠海高栏港，东到香港的离岛区，涵盖近岸陆源影响水体和外海较清洁水体，共布设站位29个(见图1)。珠江口海域分为东部(站点编号：D11～D17)、中部(站点编号：D21～D27)和西部(站点编号：D31～D36)3个断面，南部海域站点编号为(R17～R19，R27～R29，R37～R39)。

试验时间为2013年11月和2014年2月。2013年11月的测量航次，由于海况恶劣，图中靠近南海海域的大部分站点未能测量，获取的CDOM有效测量样本为18个，主要集中在珠江口一带。2014年2月的测量航次，海况比2013年11月有所好转，所以靠近南海海域的10个站点得到测量，获取的CDOM有效测量样本为28个。两个航次CDOM有效样本总计46个，由于光谱测量对天气稳定性的要求较高，两个航次对应的现场光谱测量数据为33个。

2.2 采样和测量方法

调查采用船只沿图1布点起航采样，然后回实验室测量分析的方法，即在船上采集站点水样后现场过滤并冷冻保存，然后带回实验室解冻后进行吸收光谱测量及分析，测量按照美国国家航空航天局(NASA)的相关规程和国家海洋监测规范标准执行[18-19]。CDOM吸收系数分析仪器采用的是美国PerkinElmer公司生产的的LAMBDA35紫外线/可见光系统(UV/VIS Spectrometer)，波长范围为190～1 100 nm，带宽为0.5～4 nm。水体光谱测定采用美国ASD公司生产的可见近红外地物光谱仪(ASD FieldSpec3 350～2 500 nm)，参考板为30%反射率的标准板。测量方法依据水面之上法，采用(40°，135°)相对观测几何，其中观测天底角为40°，仪器观测方位角和太阳光夹角为135°，水体光谱测定的目的在于建立利用遥感反射比反演ag(440)模式。

图1 站点分布图Fig.1 The distribution of sampling sites

2.3 数据处理

考虑到实验过程会遇到很多不确定的因素，这些因素使得实验误差不可避免，为了能够更好地减小误差，关于CDOM吸收光谱的测定采用了平行样观测方法，即在实验过程中，对于每个站点采集两个样品进行平行测量且测量两次，然后从测量的4组数据中选择一组作为实验数据，最大程度地保证数据的测量精度。

测定时，利用孔径为0.22 μm的聚碳酸酯滤膜过滤水样，作为CDOM样品。按照NASA给定的海洋光学测量规范[19]，CDOM吸收系数的计算公式为:

(1)

式中，l为比色皿的光程(通常取值0.1m)，ODs(λ)是样品相对于参比纯水的光学密度(无量纲)，ODbs(λ)是经过样品处理程序处理的空白纯水相对于参比纯水的光学密度(无量纲)；ODnull(λ)是在可见光长波段或近红外波段溶解物质吸收可以假定为零的波段的表观残余光学密度(无量纲)，即在长波段可见光或近红外波段的残余吸收。将每个样本用分光光度计测量的这些数值代入根据公式(1)计算出相应的吸收光谱。然后取出在440nm波段的光谱吸收系数，取出时采用435～445nm之间各波段吸收系数进行算术平均作为ag(440)的方法，以提高ag(440)的取值精度。

3 分析与讨论

3.1 现场测定CDOM吸收系数特征

图2a～c分别为2013年11月航次测量得到的3个断面的CDOM光谱曲线图，代表秋季的情况。

从图2a可以看出，D11和D12、D13和D17、D14和D16曲线基本重合，D11和D12的值最大，ag(440)值分别为0.330 m-1和0.336 m-1，其次是D13和D17，ag(440)分别为0.290 m-1和0.289 m-1，D14和D16站点值最小，ag(440)都为0.206 m-1。D11、D12和D13站点分别位于珠江口的西断面上、中、下区域，受珠江入海河水陆源污染物的影响为主，因而CDOM浓度高，相应ag(440)大；D17位于河流的入海口，同样受到陆源污染物的作用，表现出较高的ag(440)值。D14位于澳门南部海域，D16位于珠海高栏岛南部海域，离陆地较远，受到海水的混合稀释作用显著，因而出现较低的ag(440)值。图2b为中部断面站点，一共7个站位，按D21至D27的顺序，相应的ag(440)值分别为0.281 m-1、0.317 m-1、0.297 m-1、0.254 m-1、0.193 m-1、0.275 m-1、0.224 m-1。D21、D22、D23处于上游和中游区域，受淡水影响大，数值相对高，而D24、D25、D26和D27靠近下游和靠近南海，受海水影响大，数值相对低一些。图2c为东部断面，D31、D32、D34、D33这4个站点的ag(440)值分别为0.352 m-1、0.223 m-1、0.185 m-1、0.186 m-1，呈现明显的规律变化，从入海口的上游向下游明显减小。另外从图2a～c还可以看到，西部和东部断面由于受近岸生活和生产污水排放的影响，在短波段的吸收系数都超过了0.6 m-1，而中部断面相对来说受近岸影响小一些，所以CDOM在短波的吸收系数小于0.6 m-1。

图2 2013年11月航次不同断面样本CDOM吸收光谱曲线Fig.2 CDOM absorption spectrum curve of different cross section samples in November 2013 voyage

图3a～d分别为2014年2月航次测量得到的4个断面的CDOM光谱曲线图，代表了冬季情况。

图3 2014年2月航次不同断面样本CDOM吸收光谱曲线Fig.3 CDOM absorption spectrum curve of different cross section sample in February 2014 voyage

图3a为西部断面站点，和2013年11月一样，D11、D12和D13 3个站点的CDOM在短波的吸收系数ag值和ag(440)明显高于其余4个站点，和秋季相比，冬季的D16站点的ag值明显高，究其原因有待进一步分析。图3b为中部断面站点，按D21～D27的顺序，CDOM的吸收系数逐渐降低，ag(440)也呈现出明显的规律性变化。图3c为东部断面站点，由上游到下游CDOM的吸收系数呈现出逐渐减小的规律性变化。图3d为南部海域站点，从图中可以看到，CDOM在短波的吸收系数，明显小于东、西和中部断面，约为其他断面的1/3，ag(440)数值基本在0.11 m-1，表明这些站点受陆地的影响明显较小。另外，与2013年11月相比，2014年2月ag的数据整体要小，ag最大值基本上都在0.6 m-1以下，特别是东断面，2013年11月ag最大值接近0.7 m-1，而2014年2月ag最大值在0.6 m-1以下。

3.2ag(440)遥感模式建立及精度验证

Bricaud等提出了CDOM吸收系数参数化模型[20]，即

(2)

式中，ag(λ)为CDOM各波长λ对应的吸收系数；ag(λ0)为CDOM在参考波长λ0的吸收系数；Sg为吸收光谱斜率，一般根据研究区域的实测吸收光谱确定，具有较强的区域性，本文对此参数不做研究。前面已经提到，在水体CDOM的研究中，一般用ag(λ0)来代表CDOM的浓度值，本文主要研究ag(440)遥感模式。关于λ0视不同的研究领域取值不同。根据公式(2)，CDOM的吸收光谱随着波长的增加呈指数衰减趋势，换句话说，CDOM吸收光谱在紫外和蓝光波段呈现高值。因而在开阔的大洋水域，考虑信噪比和自然水体中CDOM对紫外光的衰减，λ0一般取350 nm；对于淡水，λ0一般取380 nm、375 nm和280 nm；对于近岸海域，由于短波处的大气校正有很大的误差，CDOM算法不能选择短波波段，同时考虑到CDOM和浮游植物色素在蓝光处吸收重叠的原因，λ0一般取440 nm[21—22]。考虑到一般的中等空间分辨率陆地遥感数据均设有蓝光探测波段(430～490 nm)，且不同波长之间的吸收系数可互相转换，因此λ0采用440 nm具有一定的普适性。

目前提取CDOM浓度的模式主要有两大类，一类是基于水体表观光学量，即利用单波段、双波段或者多波段遥感反射比的组合，建立提取CDOM浓度的模式，也称为光谱指数法；另外一类是基于水体固有光学量，利用叶绿素含量及其吸收系数，建立提取CDOM浓度的模式[23—26]。周天博等[11]针对香港海域建立的光谱指数模式，通过表观光学量与ag(412)和ag(443)的关系模式，间接提取ag(440)。如果希望业务化运行的话，利用表观光学量直接提取ag(440)是有效的方法之一，间接提取的模式相对会繁琐一些，也可避开烦琐的固有光学量测量过程。

黄妙芬等以Bowers模式为基础[10]，针对辽东湾海域，建立了利用HJ-1/CCD通过CDOM的ag(440)反演化学需氧量的模式，取得了较好的精度。本文同样以Bowers模式为基础，利用2013年11月和2014年2月在珠江口及其入海口南部海域的2个航次，现场测量得到33个光谱样本数据。利用其中22个试验样本，结合HJ-1/CCD的波段响应函数，模拟出利用非水色卫星HJ-1/CCD两个宽波段(B1：430～490 nm和B3:630～690 nm)反演水体CDOM的遥感指数模式，即

ag(440)=0.108 6×exp[0.928 9(R3/R1)]

(3)

式中，ag(440)为400 nm波长对应的吸收系数，R1、R3分别为HJ-1/CCD的B1和B3波段对应的遥感反射比(sr-1)。

由于难以获取HJ-1卫星过境时同步的水体CDOM观测数据，故采用试验中预留的11个样本，模拟HJ-1相应波段的遥感反射比，带入式(3)中，获取估算的CDOM浓度值ag(440)，并用对应水体样本的CDOM分析值进行验证，结果见表1。根据表1可计算出估算值的相对误差为9%，表明根据式(3)计算的结果具有较高的准确率。

表1 CDOM估算值误差

3.3 模式的应用

将本文所建立的ag(440)遥感模式应用于珠江口区域晴天下获得的12景HJ-1/CCD卫星数据，得到该区域CDOM空间分布图。

3.3.1 HJ-1/CCD数据处理

HJ-1/CCD遥感数据是以灰度值(Digital Number，DN)进行存储。DN值是传感器所接受到的大气上界上行辐射能量的量化结果，并不直接反映海表的辐射特性。因此，首先需要在像元光谱数据层次上，将DN值重新转换成反映海表的辐射特性物理量，即测量的表观光学量，其关系如下：

(4)

式中，Lλ为测量的表观辐亮度；DN为原始影像象元灰度值；g和b为传感器对应的增益和偏差值。对于HJ-1卫星CCD数据，g和b基于陆地目标进行在轨定标而获取，可从下载数据的原数据文件中得到。已有研究表明，用陆地场定标系数获取离水辐亮度值时，由于陆地场高反射率会导致获取的离水辐亮度偏高[27]。基于此原因，本研究采用文献[27]提供的基于水体目标的辐射定标系数。

太阳辐射在穿过大气过程中，会受到大气分子、气溶胶的散射以及臭氧、水汽等气体的吸收，导致遥感器接收的辐射值有一部分是来自大气的作用。因此大气校正是HJ-1卫星CCD数据地表参数定量反演的一个必备环节。关于HJ-1卫星CCD数据的大气校正的方法有不少的研究[28—29]。本文主要使用遥感图像处理软件下的FLAASH大气校正模块，完成相应遥感图像的大气校正工作。

3.3.2 模式应用

图4～6为将建立的遥感模式应用于珠江口而获取的CDOM空间分布图。从图4～6可见，整个珠江口及其邻近海域，CDOM的数值基本在0.07～0.25 m-1之间，遥感反演的CDOM空间分布数据与实测数据得到的分布特征基本吻合，珠江口西部的CDOM数据明显高于中部和东部海域，2013年和2014年两个航次的实测数据也表明了这一点。

2013年9月19日的遥感数据显示，整个珠江口海域CDOM的数值相对比较高，最大值在0.44 m-1，而且大部分区域都高于0.2 m-1，2012年9月28日的图像也显示出较高的CDOM数值，最大值在0.37 m-1，而且大部分区域都高于0.19 m-1，究其原因需要更多相关数据来支撑分析。

根据陈楚群等[2]所建立的CDOM吸收系数ag(440)与CDOM浓度之间的关系模型，可按公式(5)通过ag(440)直接计算出CDOM的浓度Y(mg/L)：

(5)

以图4c数据为例，图4c用遥感模式反演得到的ag(440)在0.01～0.25 m-1之间，代入公式(5)后，计算得到Y值在7.35～183.7 mg/L之间。利用公式(5)计算得到的2012-2014年整个香港水域Y值在95～139 mg/L之间，周天博等[12]按照公式(5)计算出2009—2011年香港水域的3月、8月和12月的Y值在150～330 mg/L，也就是说，在2009—2011年之间的这3个月，香港水域ag(440)在0.20～0.44 m-1之间，而根据本文所建立的遥感模式在0.12～0.20 m-1之间，明显低于周天博等的研究结论，造成差异的主要有3个原因：(1)周天博等利用HJ-1/CCD头文件的辐射定标系数，计算结果表观辐亮度高于本文采用的水体目标的定标系数；(2)周天博等采用的方法是先提取ag(412)和ag(443)，再建立ag(412)和ag(443)与ag(440)的关系模型，而本文是直接利用表观光学量直接提取ag(440)；(3)周天博等研究的时段是2009—2011年，本文研究的时段是2012—2014年，由于时段不同，水体的性质必然会存在一定的差异。

图4 2012年珠江口海域CDOM浓度空间分布图Fig.4 The spatial distribution of CDOM concentration of Zhujiang River Estuary water in 2012

图5 2013年珠江口海域CDOM浓度空间分布图Fig. 5 The spatial distribution of CDOM concentration of Zhujiang River Estuary water in 2013

图6 2014年珠江口海域CDOM浓度空间分布图Fig.6 The spatial distribution of CDOM concentration of Zhujiang River Estuary water in 2014

4 结束语

珠江口海域是我国重要的经济活动区域，也是我国水质污染较严重的区域之一。有色可溶性有机物质CDOM可以作为污染程度的“指示剂”之一，因而掌握其空间和时间变化特征具有重要的意义。本文利用2013年11月和2014年2月两个航次实测的数据，将珠江口分为3个断面展开分析。整体来看，西部断面ag(440)数值高于中部断面和东部断面，形成高值区，反映以珠江冲淡水为主的陆源输入特性，加上沿岸生活生产污水的排放，比东部沿岸区域要严重。所建立的基于HJ-1/CCD卫星传感器的ag(440)遥感反演指数模式，经过实测数据的验证，呈现了较高的精度。将所建立的模式应用于2012—2014年获取珠江口海域的HJ-1/CCD数据，得到多时相的空间分布图。图像分析表明遥感反演的CDOM空间分布数据与实测数据得到的分布特征基本吻合，且研究区海域的CDOM浓度分布有明显的区域性差

异。这些结论对于深入了解珠江口海域CDOM的光谱吸收特性具有重要的意义，也为进一步在南海海域建立固有光学参量的遥感算法提供了参考。

致谢：试验和部分数据处理得到广东省海洋与渔业环境监测中心叶四化主任和黄维聪技术员，广东海洋大学付东洋博士、刘大召博士和王立安博士、秦皇岛中科遥感信息技术有限公司李占强技术员的帮助，中国资源卫星应用中心提供了HJ-1/CCD数据支持，在此一并谢忱!

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The research on remote sensing mode of retrieving ag(440) in Zhujiang River Estuary and its application

Huang Miaofen1，Wang Difeng2，Xing Xufeng1，Wei Ji’an2，Liu Dong2，Zhao Zulong1，Wang Weixuan1，Liu Yang1

(1.SchoolofMarineEngineering，DalianOceanUniversity，Dalian116023，China;2.TheSecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China)

Colored dissolved organic matters(CDOM) directly affect the optical characteristics of sea water. As one of the fundamental parameters of inverse modeling the water organic pollution content water color remote sensing，the concentration of CDOM in the water is usually indexed by the absorption coefficeient at 440 nm wavelength，ag(440). Therefore，in order to obtain the spatial variability of the CDOM concentration in the relevant areas and to extract other water environmental paramenters，it is essential to establish a remote sensing inverse model ofag(440). Applying the in-site measured apparent and inherent optical properties of Zhujiang River Estuary of southern China in November 2013 and February 2014，respectively，we established a remote sensing inverse model ofag(440) based on the HJ-1/CCD satellite. The model is then applied to Zhujiang River Estuary to obtain the spatial distribution of CDOM concentration under the clear sky between January 2012 and June 2014. The results that，(1) the in-situ measuredag(440) in Zhujiang River Estuary varied between 0.1 and 0.3 m-1，the value is obviously larger in the areas with high influence of land and river runoff than those with low influence of land and river runoff. It also shows some regular variation with differene sections; (2) the validation of the model by the in-situ data givers a relative error of 9%，indicating a high accuracy of the inverse model; (3) the CDOM spatial distribution data from the inverse model are in good agreement with the observation，in the whole Zhujiang River Estuary and the adjacent areas，ag(440) varies between 0.07 and 0.31 m-1，and the value is higher in the western part of the estuary than the eastern part．

Zhujiang River Estuary; CDOM;ag(440); remote senseing

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.007

2014-07-20；

2014-12-22。

国家科技支撑计划项目——粤港澳水量与水环境遥感监测应用系统(2012BAH32B01-4)；国家自然科学基金项目——石油类污染水体固有光学特性研究与反演(41271364)；国家海洋公益性行业科研专项——海洋生态环境监测仪器产业化及示范应用研究(201005025-04)。

黄妙芬(1963—)，女，广东省汕头市人，教授，博士，从事水色遥感和热红外遥感研究。E-mail:hmf808@163.com

P716

A

0253-4193(2015)07-0067-11

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