基于星地同测的长江口水文数据建模研究*

2020-11-09包起帆彭德艳鲍道阳

水运工程 2020年9期

包起帆，彭德艳，鲍道阳，楼飞

(华东师范大学，上海 200062)

1 高光谱遥感技术用于水体监测

高光谱遥感技术应用于地物识别范畴不断扩大，在人工测量不方便或不安全的水体遥感遥测方面已经有了比较系统的研究和应用。江辉以鄱阳湖为研究对象，对湖体污染的主要水质参数利用MODIS和TMETMJ+遥感数据的敏感波段建立了卫星遥感的水质反演模型[1]；叶雪辉获取悬浮物和叶绿素a的最佳敏感波段组合，建立水质参数定量反演的半经验模型[2]；刘忠华构建了针对实测高光谱数据、高分卫星数据的多种叶绿素浓度遥感反演模型[3]；周伟奇利用多元回归统计分析方法，建立叶绿素a和悬浮物的遥感定量估测模型[4]；阎福礼等建立并验证了水质参数高光谱遥感反演模型[5]；中国水利水电科学研究院公开了一种改进DBPSO的水质参数监测方法和装置[6]。国外方面，Kevin Ruddick等[7]基于MODIS和MERIS描述了用于在欧洲水域中进行藻华检测的技术；Sampsa Koponen等[8]使用机载和模拟卫星遥感数据对水质变量进行了分类；C.A.Ruhl等[9]结合卫星反射率数据分析原位传感器数据，分析了物理过程对旧金山湾悬浮沉积物空间和时间分布的影响；Mahtab A.Lodhi等[10]分析了来自粉质土壤的悬浮沉积物的反射光谱。

本文结合高光谱卫星对长江口水体反射率遥感光谱和水体实地同步监测数据，探讨一种水文参数的高光谱定量反演模型率定优化的试验方案，并总结了创新点。

2 高分五号星地同测

2.1 高分五号遥感卫星

2018年5月高分五号卫星成功发射，该星是我国高分专项7颗民用卫星中唯一的1颗高光谱卫星，设计为太阳同步轨道，轨道高度约705 km，填补了国产卫星在全谱段、高分辨率光谱上的不足，在60 km幅宽和30 m空间分辨率下，颜色范围比一般相机宽了近9倍，颜色通道数目比一般相机多了近百倍，其可见光谱段光谱分辨率为5 nm，对地面物质成分的光谱信息探测十分精确。

与美国NASA地球观测卫星EO-1载荷高光谱相机Hyperion(2000年11月21日发射)相比，高分五号载荷高光谱仪的波段数增加，且幅宽也是Hyperion的8倍，处于国际领先水平，参数见表1。

表1 高分五号卫星与Hyperion高光谱仪光谱参数对比

高分五号卫星经过长江口某星下点轨道准回访周期是7 d，由于地球自转，下次过顶会偏移到西侧相邻的轨道，51 d后卫星才回访该星下点轨道。采用载荷高光谱仪的配合卫星±25°侧摆能力，可实现我国及近海区域回访周期降至7 d，为避开多云和阴雨天安排星地同测提供了可能，但遥控卫星载荷姿态成本很高。卫星过境长江口时在北京时间13:00左右，成像带覆盖区域随轨道平移情况见图1。

图1 高分五号卫星过境长江口成像带平移

2.2 星地同测方案

在高分五号卫星过境时刻组织开展专门的长江口水文观测，以获取与卫星过境时刻同步的长江口水文数据。观测具体实施方法如下：1)提前获取高分五号卫星过境时刻及过境区域；2)在卫星过境区域内布设若干测点进行观测；3)于卫星过境前0.5 h到达测点开始观测，至卫星过境后0.5 h结束观测；4)观测期间每10 min进行测量，测量内容包括：流速、流向、水温，取表层及表层1.0 m以下水样；5)水样装瓶后由专业检测机构进行分析，得到盐度、含沙量浓度等数据。

为更多地获取卫星过境时刻的长江口水文资料，利用研究单位在长江口可获取的7个浮标站、3个平台站所采集的24 h不间断连续监测水文数据。浮标站和平台站位置见图2。

图2 长江口7个浮标站位置

2.3 基于星地同测数据的影像反演模型率定

地物在遥感图像上形成各种信息是一个复杂的过程，地表空间的复杂性、变化性和成像过程的复杂性共同影响到遥感成像过程。人们在获取大量高光谱影像数据的同时，也面临着如何最大程度地利用这些海量数据的难题。在地物目标识别和参数提取上，必须结合人工引导将人类的模式认知能力和计算机的快速计算能力结合起来，即所谓的半自动提取，故获取更多先验知识，增强选用光谱数据有效性，特别是增强遥感影像反演模型建模使用的光谱数据与地物人工检测数据的同步匹配度，将是遥感影像得以正确提取的发展方向之一。

考虑到监测目标的特征反射光谱及环境影响因子都在卫星遥感影像上有反映，所述“星地同测”方案即是为了在监测数据获取阶段，提高在时域、空域和光谱域的卫星遥感数据和地面人工测量数据的同步性，基于星地同步性良好的数据，建立有关水体参数反演模型时，使得率定模型能减少系统误差，提高光谱影像的反演精度和目标参数信息的有效性。

3 水体表面泥沙浓度反演建模

长江口水体含沙量较大，泥沙对电磁波的吸收和反射具有敏感性，可建立基于含沙量浓度为变量的光谱反演模型。同时，长江口遥感光谱影像信息受水体含沙量浓度这一敏感性参量调制后，导致其他水文参数的遥感影像反演受含沙量浓度的干涉较大，所以含沙量浓度的反演是水文反演的基础，在得到含沙量浓度反演模型后，可进一步尝试在其他水文参数的反演模型中剔除含沙量的影响。

3.1 星地同步监测数据获取与光谱敏感波段分析

2019年3月27日高分五号卫星过境长江口时，预先获悉卫星轨道从北向南依次覆盖苏北沿岸、北支中下段、北港、北槽、南槽及南汇嘴口外，设计好水文数据采样点后，测量船在长江口同步作业获取现场采样点水文观测数据和附近浮标平台站数据。

当日天气多云，遥感影像数据帧云层主要覆盖在数据帧东南角，影像数据覆盖区域基本清晰完整覆盖了长江口最大浑浊带区域，见图3。

图3 2019年3月27日高分五号影像真彩色合成及采样点

从当日的影像中选取8个水体光谱采样点，位置见图3。1号点位于北支下段，2号点位于北港下段，3号点位于南汇嘴外，4号点位于北港上段，5号点位于北槽中段，6号点位于南槽中段，7号点位于苏北口外，8号点位于北支口外。1～3号点代表高含沙量水体，4～6号点代表中含沙量水体，7～8号点代表低含沙量水体。各点分布较为分散。各采样点光谱曲线分布见图4。

图4 各采样点泥沙反射率光谱特征曲线

从图4可见，1～6号含沙量水体在波长范围内有两个反射率峰值，主峰位于587 nm附近，次峰位于801 nm附近；7～8号低含沙量水体仅在574 nm附近有一主峰。

3.2 含沙量浓度反演模型率定

含沙量浓度遥感反演经验模型分单波段模型和多波段模型，由于经验模型对于水体含沙量不同地区和不同时间比较敏感，因此必须基于同步实测数据，寻找实际的敏感波段，率定拟合函数所需参数。参考刘志国[11]基于modis所建立的含沙量浓度回归统计模型。

单波段模型采用指数形式：

y=0.002 4e64.751x

(1)

式中：y为含沙量浓度；x为单波段反射率。

多波段模型采用二次多项式形式：

y=2.239 5x2-2.651 2x+0.831 1

(2)

式中：y为含沙量；x为两个波段的组合，组合形式为(b2-b1)(b2+b1)。

根据图4长江口水体光谱特征曲线的分析，单波段模型建议采用次峰800.989 nm波长反射率，双波段模型建议b2采用主峰587.173 nm，b1采用次峰800.989 nm波长反射率。

利用卫星过顶时刻浮标平台站数据及现场观测数据对式(1)和式(2)两组模型的参数进行了率定，得到单波段、双波段组合的两组含沙量反演模型。

首先，得到单波段模型：

y=0.02e70x

(3)

式中：y为含沙量；x为800.989 nm波长反射率，率定结果见图5。

图5 单波段含沙量浓度反演模型率定结果

从图5可见，式(3)单波段拟合函数建模所需的含沙量浓度地面采样数据分布值域相对集中，还缺乏高浊度水域样品数据，可以预计，上述拟合函数的率定精度在一定范围内可以通过增加高含沙量浓度采样数据来优化。

再看双波段组合模型：

y=2.3x2-2.4x+0.63

(4)

式中：y为含沙量浓度；x为两个波段的组合，组合形式为(b2-b1)(b2+b1)，b2为587.173 nm、b1为800.989 nm波长反射率，见图6。

图6 波段组合含沙量浓度反演模型率定结果

同样，从图6可见，式(4)双波段拟合函数优化也有待积累高浊度水域的样品数据，但现阶段星地同测实施方案安排测量船采样点时，必须优先考虑卫星过境成像覆盖水域情况、当时天气及长江口航道交通管制等可行性因素。

3.3 长江口水体表面含沙量浓度反演结果

利用上节建立的单波段、双波段含沙量浓度反演模型，对2019年3月27日长江口表层含沙量浓度数据影像进行反演，输出效果对比见图7。

图7 2019年3月27日高光谱真彩合成图与函数拟合反演效果对比

从图7可见单波段和双波段两种模型反演的长江口表层含沙量浓度分布形态，长江口最大浑浊带高含沙量区域显著。在北支区域，中段表层含沙量浓度较高，向下游逐渐减小，北支口外表层含沙量呈羽状向外扩展，到口外后表层含沙量浓度迅速降低。

南北港自横沙到上游表层含沙量逐渐减小；北港下段及口外表层含沙量呈羽状向口外扩展；北槽中段表层含沙量浓度较高，与北槽深水航道回淤区段分布一致；南槽九段沙南侧表层含沙量较高。

从单波段和双波段反演结果的对比来看，两个模型在中高含沙量水体的反演效果基本一致，但在低含沙量水体的效果中，双波段模型比单波段模型的含沙量浓度下降更快，这是由于模型未能获得低含沙量水体的率定，导致在低含沙量区的两个反演结果有偏差。

3.4 含沙量浓度反演结果分析

1)从水体光谱曲线的分析得到高分五号遥感对长江口含沙量水体的反射光谱具有两个峰值，主峰位于587 nm附近，次峰位于801 nm附近；对于低含沙量水体的反射光谱仅在574 nm附近有一主峰；对于同一波段水体含沙量浓度越高，光谱反射率越大。

2)建立了次峰反射率的单波段指数形式反演模型和主、次峰反射率组合形成的双波段多项式形式反演模型；单波段模型采用次峰800.989 nm波长反射率；双波段模型采用主峰587.173 nm和次峰800.989 nm波长反射率；模型利用含沙量浓度范围为0～0.2 kgm3的实测水体数据进行了率定。

3)对长江口遥感影像进行了表层含沙量浓度反演，含沙量浓度反演结果分布与真彩色合成影像所展现的含沙量浓度分布一致，表明两个模型对表层含沙量浓度的反演结果可信，但在高、低含沙量的定量反演中仍有缺陷，需进一步利用实测数据进行模型率定。

4 创新性分析

1)率先采用星地同步方法对地物目标监测获取同步性良好的建模数据。

本研究根据高分五号卫星过境长江口的轨道和时间，安排测量船和邻近水文监测平台同步监测长江口水质、含沙量浓度、水上水下地形等要素。获取到时域、空域和光谱域星地同步监测数据，使得高分五号卫星国际领先的遥感影像数据资源更具利用价值。文献[1-5]所述通过组织人员、船只进行野外采样获取地面数据，与调用的地物目标光谱资料缺乏同步性。

2)创建和扩充了长江口水文和生态高光谱反演模型。

高分五号卫星对长江口水体高分辨率遥感影像数据蕴藏物类信息丰富，本研究从地面同步监测获取的数据包含了水文、水质、水深(河势)和滩涂植被等多种地物目标参数，相应地，陆续研制了多种参数的高光谱定量反演模型，包括含沙量浓度、叶绿素a、水上水下地形(河势)等高光谱定量反演模型，为长江上游来沙减少的新水沙条件下，利用“高分专项”等空间信息技术建设长江口潮滩监测系统提供了技术支撑。文献[6]主要是发明一种水质参数监测方法及试验装置；文献[7]对叶绿素a浓度进行测定；文献[8]使用机载和模拟卫星遥感数据对水质变量进行分类，并未建立反演模型；而文献[9-10]未对水中悬浮泥沙浓度进行估算。