II类水体悬浮泥沙遥感监测技术综述

庞毓雯,周斌,殷守敬,于之锋,,华康,何贤强

(1.杭州师范大学理学院，浙江 杭州310036； 2．环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094; 3.国家海洋局第二海洋研究所

卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012)



II类水体悬浮泥沙遥感监测技术综述

庞毓雯1,周斌1,殷守敬2,于之锋1,3,华康1,何贤强3

(1.杭州师范大学理学院，浙江 杭州310036； 2．环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094; 3.国家海洋局第二海洋研究所

卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012)

摘要：II类水体与人类关系十分紧密，而悬浮泥沙广泛存在于II类水体中，其浓度对水体的光学特性、海岸航运、水体观感等有重要影响.本文总结了国内外学者在此领域开展的多项研究，包括遥感反演算法、区域反演模型改进等，由此对未来的发展提出展望，期待监测技术进一步创新.

关键词：II类水体；悬浮泥沙；遥感监测技术

0引言

II类水体主要分布在内陆湖泊、河口、近岸等水域，其光学性质不仅受浮游植物及其降生物的影响,而且也受其它物质如外生的粒子和外生的有色可溶有机物的影响[1].在II类水体中悬浮泥沙浓度是一个十分重要的水质指标[2].悬浮泥沙对水体的光学性质如：透明度、反射率、能见度造成影响，改变水体含氧量从而对水生生物的生存带来影响[3-5].近海和河口是重要的航运港口所在地，一直以来入海口就有大量泥沙淤积，这对海岸防护带的稳定、海洋航运的通畅、海洋圈的物质循环都有不同程度的危害[6-7]；对于内陆水体而言，悬浮泥沙与水生态、水资源安全也有密切联系[8-9].与常规悬浮泥沙监测方法相比，遥感技术具有面积大、时间长、同步获取地面数据等优势[10]，在悬浮泥沙监测中已有广泛应用.目前许多专家学者在遥感反演算法、大气校正、区域反演模型建立上都做了大量研究，已经形成较成熟的理论和实践成果[11-15]，但还没有研究出大区域通用的模型.本文旨在总结II类水体悬浮泥沙遥感监测技术所取得的进展，针对存在的问题，提出适当建议，为以后的技术发展提供借鉴.

1水色卫星传感器的发展

遥感技术在20世纪60年代开始进入高速发展阶段，随着新型传感器的相继发明，光谱分辨率不断提高，使其在各项定量、精密研究中发挥越来越重要的作用.遥感技术主要有监测范围广、数据更新快、重访周期短、制约因素少、获取信息量大、质量高，同时能节省人力、财力、物力等优点，已广泛运用到环境监测中[16].自1978年10月第一台水色卫星传感器CZCS(Coastal Zone Color Scanner)投入使用至今，发射的水色遥感卫星越来越多，传感器的设置越发精密.第二代海色观测范围覆盖全球的卫星传感器主要有美国的SeaWiFS、MODIS、MISR,日本的OCTS、GLI，法国的POLDER,欧空局的MERIS等[3].以SeaWiFS为例，它打破了以往传感器在Ⅱ类水体反演的局限性，校准了传感器对叶绿素浓度的反演算法，提高了光谱分辨率、辐射灵敏度[17].VIIRS(Visible infrared Imaging Radiometer)由美国设计，是高分辨率辐射仪AVHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进，于2011年发射成功[18-19].印度的第二代海洋水色监视仪(OCM-2)、地球静止海洋水色成像仪(Geostationary Ocean Color Imager, GOCI)、欧盟的海洋和陆地颜色仪(Oceanand Land Color Instrument, OLCI)、第二代全球成像仪(SGLI)、超光谱成像仪(HSI)、以及改进型COCTS及CZI等传感器已经或预计发射，这将给国际的海洋遥感领域带来极大的推动作用[19-20].

2遥感技术在悬浮泥沙监测中的进展

随着遥感技术的发展，逐步深入地应用到水体悬浮泥沙的监测中[21].依靠遥感技术得到高精度的悬浮泥沙浓度数据，关键在于建立恰当的悬浮泥沙浓度遥感反演模型[22].因悬浮泥沙对光有散射作用，在对不同浓度的悬浮泥沙的水体进行光谱吸收测量，可见光波段范围内的反射率会出现波动.Chen等[23]研究了在不同浓度下悬浮物的光谱特征，研究表明在450~700 nm的波长范围内，悬浮物浓度与反射率呈对数关系，当悬浮物浓度大于350 mg/L时，悬浮物与反射率转变为线性关系，表明悬浮物浓度与光谱反射率对应关系存在变动，找到两者间合适的对应关系是建立最佳反演模型的关键[24].另有研究表明，对悬浮泥沙最为敏感的电磁波波长为550~670 nm，当泥沙达到一定浓度后在550 nm处会出现饱和，而670 nm更适合于高泥沙浓度的探测[25-26].悬浮泥沙浓度监测精度的提高不仅仅是依靠算法和模型的精确化，在选取卫星上也大有文章.Reddy[27],Lira等[28],Ouillon等[29]和李四海等[25]就分别利用Landsat、SPOT和NOAA,同时结合了实地测量数据和准同步采样的悬浮泥沙浓度数据,建立了基于不同卫星数据下的悬浮泥沙浓度的统计分析方法和反演模型.利用遥感反演悬浮泥沙浓度过程中，所有环节都会对最终的反演结果产生影响，在确定主要影响因子之后，结合研究区域选取最佳反演方法，构建模型，获得高精度的浓度数据，实现悬浮泥沙的动态监测.

2.1　国外研究进展

国外对悬浮泥沙的遥感监测技术研究主要围绕提高遥感反演精度和确定定量的反演模式.Ronald[30]最早提出将遥感技术应用于获取悬浮泥沙浓度，他在1978年就发现实测悬浮泥沙浓度与光谱数据之间有相关性，由此提出悬浮泥沙遥感监测的初步构想；此后有更多专家学者对此进行探索，如John、Bjorn等[31]利用1984年、1987年的两景TM影像绘制出美国墨西哥湾悬浮泥沙的分布图，将悬浮泥沙浓度的研究推广到更大的空间范围；另一方面越来越多水色卫星升空，能够获得的数据更多，质量和精度也更好，使研究悬浮泥沙的光谱响应机制成为可能.Han和Rundquist[32]对悬浮物类型、粒径与遥感反射率之间的关系进行研究，而Choubey、Subramanian[34]进一步探索了这一研究内容，指出悬浮泥沙颗粒的尺寸比浓度对光谱数据的影响更大，并且当悬浮泥沙的浓度达到90 mg/L时，两者的相关性变差；John等[34]利用Landsat MSS数据反演得到水体悬浮泥沙浓度、浊度和透明度，将遥感对水体的研究范围扩大；Davdi等[35]人在2000—2001年间，对Grionde河口高浑浊水体进行光谱测量，发现SPOT的近红外XS3(790～890nm)的遥感反射率Rrs(XS3)、Rrs(XS3)/Rrs(XS1)和Rrs(XS3)/Rrs(XS2)与悬浮泥沙的浓度有很好的相关性，指出使用波段比值的方法，可以有效减少照明、悬浮物类型等因素对水体反射率测量的影响，同时他们还通过实地测量的方式，进一步对该流域水体的光谱特征进行分析，指出水体内部的光学参数是影响水体反射率的主要因子，验证了对SPOT数据，使用波段比值法能进一步提高光谱反射率和悬浮泥沙浓度相关性这一结论[36].与此同时，越来越多的数学方法在遥感模型中的运用得到关注，如：Louis和Xiao[37]提出了近岸混浊水体叶绿素与悬浮泥沙两个要素同时遥感反演的神经网络模式，模式的相对误差<10%.纵观国外的研究进程，其技术发展与应用研究是同步进行的，以此开创II类水体悬浮泥沙遥感监测技术的新纪元.

2.2　国内研究进展

国内遥感技术起步、发展和应用都比国外晚，随着我国海洋卫星的发射，在海色遥感领域中不断加大投入，现在也取得了很多理论成果和技术创新[38].我国学者根据国情对长江口及其流域范围内做了广泛的研究，如：陈勇等[39]采用Gordon模型在长江口地区开展了悬浮泥沙浓度反演研究，能够很好的体现经过三峡大坝截流之后河流中悬浮泥沙含量的变化情况；乔晓景等[40]利用MODIS影像对长江中游河段的悬浮泥沙浓度进行了反演，结果表明，在MODIS影像的红波段与悬浮泥沙的浓度关联性最好；彭翔翼和沈芳[41]则通过对Terra/MODIS、FY-3A/MERSI、COMS/GOCI传感器入瞳处的辐射亮度进行反演计算,得出了相应遥感反射率Rrs与悬浮颗粒物浓度的数据,并将上述反演与Envisat/MERIS反演进行了对比.从长江流域悬浮泥沙浓度的反演进展可以看出，通过对传感器的对比分析能够获得更好的反演精度，研究已有能力服务长江流域悬浮泥沙浓度的监测工作.我国许多学者对基于MODIS影像的悬浮泥沙浓度反演进行了多项研究.王荣等[42]通过研究发现MODIS多光谱数据完全可以用来定量测量地物的光谱辐射亮度和反射率；唐洪钊等[43]针对陆地遥感影像,提出了一种利用MODIS遥感数据反演高分辨率气溶胶光学厚度(AOD)进行大气效应校正的方法，该成果有助于地物真实光谱信息的提取及其识别研究；周正等[44]，刘良明和张红梅[45]研究了MODIS影像反演悬浮泥沙的方法，推进了遥感技术监测II类水体悬浮泥沙浓度的应用进程.孙德勇等[46]更进一步进行了不同浓度悬浮泥沙水体的光谱吸收特性模拟，研究结果为内陆水色遥感分析模型的建立提供了重要的参数保障；张春桂等[47]在福建近岸海域进行了悬浮泥沙浓度遥感定量监测研究，利用9个站点的海洋水色数据建立遥感模型，分析得出福建近海流域内悬浮泥沙的时空分布特征，阐明了悬浮泥沙的运动特征；李洪灵等[48]通过对等效算出的ETM+各个波段遥感反射率和悬浮泥沙浓度这两组数据的相关分析,得到4种形式的经验模型，得出TM4与TM1波段光谱值的比值与悬浮泥沙浓度之间的相关系数最高[9]；刘志国等[49]根据现状归纳了我国目前近岸河口悬浮泥沙的研究进展，指出加强地面水文光谱实验研究,建立多光谱SSC定量模式,以高分辨率和高光谱遥感融合数据为基础的SSC定量遥感是以后的发展趋势.

3悬浮泥沙监测技术未来的发展趋势

未来的遥感技术向着高空间、时间、光谱分辨率的方向发展，更好地服务高精度的科学课题，开拓崭新的遥感商业应用项目[50].目前海色遥感的传感器已非常丰富，但我国的海洋遥感实力与世界先进水平还有距离，在未来我国将不断开拓和发展更精密的海洋卫星，提升我国的海洋遥感实力.在对Ⅱ类水体进行光学性质检测时会出现重叠范围，为遥感数据的处理增加难度，更困难的是这些影响大多是没有规律的，难以通过人工方法消除，再加上季节周期更替对水体理化性质的改变等等，都是悬浮泥沙浓度监测技术发展过程中会遇到的障碍.针对此现状，对未来的研究有如下建议：

3.1提高遥感数据信息挖掘能力、数据的使用率、传感器光谱分辨率.高光谱影像数据中每个像元提供至少数十个甚至上百个波段光谱信息,能够形成一条较为光滑的光谱曲线[51].但不同含沙量的水体会有不同的光谱曲线,而它们之间的差异都是相当细微的，只有进一步提高了传感器的光谱分辨率，使其绘制出的光谱曲线更接近真实值，确保能够区分出更加细小的差别.

3.2针对不同的研究流域选取不同的反演模型，在反演过程中尝试多种算法.对于不同的研究区域，不同的算法最后呈现的实验精度都有所差异，因此加强地面的光谱分析研究，运用多年的实测数据结合遥感数据提升算法精度.

3.3扩大对水体固有光学特性的研究,以辐射传输理论为基础,研究遥感反演得到的水体中各项信息之间的关联性.

3.4　加快3S综合监测系统

遥感技术在环境监测上有很多优势，当其与GPS、GIS建立起一个综合的管理平台，更好的实现悬浮泥沙的实时监测和动态发布[52-53].国外学者在整合平台上比国内领先很多，已经形成了较为成熟的管理和发布系统.而国内在此方面的应用还较为滞后，在未来应当加大在这方面的投入和研究.

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Literature Review of Suspended Sediment Remote Sensing Monitoring

Technology in Case II Waters

PANG Yuwen1, ZHOU Bin1, YIN Shoujing2, YU Zhifeng1, 3, HUA Kang1, HE Xianqiang3

(1.College of Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.Satellite Environment Center, Ministry of

Environmental Protection, Beijing 100094, China; 3.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment

Dynamics, Second Institute of Oceanography, Hangzhou 310012, China)

Abstract:Case II waters have very close relationship with human. The suspended sediment widely lies in case II waters, and its concentration has important impacts on the optical properties of water bodies, coastal shipping, water body perception, and so on. This paper summarizes a number of domestic and foreign scholars’ studies in this field, including remote sensing inversion algorithm research, regional inversion model improvements, and so on. Thus the prospects for the future development are proposed, and the monitoring technology innovation is expected.

Key words:case II waters; suspended sediment; remote sensing monitoring technology

文章编号:1674-232X(2016)01-0108-05

中图分类号:TP79

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.01.020

通信作者：于之锋(1984—)，男，讲师，博士，主要从事环境遥感研究.E-mail:zhifeng_yu@163.com

基金项目：国家自然科学基金项目(41206169)；浙江省自然科学基金项目(LY13D010008); 国家环保公益性行业科研专项(201309036)；国家863计划课题资助(2014AA123301);卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放基金项目(SOED1304)；浙江省新苗人才计划(2014R421021).

收稿日期：2015-05-17