基于遙感影像的珠江口及其鄰近海域懸浮泥沙空間分布研究

基于遙感影像的珠江口及其鄰近海域懸浮泥沙空間分布研究

濱海懸浮波的遙感是一門重要的海洋遙感研究學(xué)科。序列遙感數(shù)據(jù)集是應(yīng)用于海洋學(xué)分析和海拔高度同化的海拔高度遙感產(chǎn)品。由于大氣糾正環(huán)節(jié)上的困難,二類水體的懸浮泥沙遙感一直未能形成類似一類水體葉綠素和陸地植被指數(shù)等穩(wěn)定的長序列產(chǎn)品(Gordonetal,1973;Holyer,1978;Stumpfetal,1989;李京,1987;Lietal,1992;孫效功等,2000)。近年國家863計(jì)劃818-06-03項(xiàng)目發(fā)展的懸浮泥沙遙感算法(Lietal,1998b;李炎等,1999),提供了實(shí)現(xiàn)二類水體的懸浮泥沙長序列遙感的可能。針對(duì)珠江污染研究計(jì)劃對(duì)長序列懸浮泥沙數(shù)據(jù)的需求,作者采用該算法實(shí)現(xiàn)了珠江河口及鄰近海域懸浮泥沙遙感長序列產(chǎn)品獲取,并應(yīng)用1995—2000年間152個(gè)時(shí)相的懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)集,分析珠江河口及鄰近海域懸浮泥沙濃度分布規(guī)律和季節(jié)性演變。本文主要介紹數(shù)據(jù)集的基本算法、圖象處理、數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)及其分析評(píng)價(jià)產(chǎn)品。1懸浮泥沙的大氣校正方法--射線回歸法mss遙感方法探測(cè)水體中懸浮泥沙濃度的核心問題,在于建立遙感數(shù)據(jù)和懸浮泥沙濃度之間的定量關(guān)系。該關(guān)系可分為大氣中的海面-遙感器光譜反射率聯(lián)系(大氣糾正)和水下的懸浮泥沙濃度-海面光譜反射率關(guān)系兩個(gè)部分。大氣程輻射是海洋遙感的主要噪聲源,包括瑞利散射和氣溶膠散射。目前通用的大氣糾正方法是針對(duì)一類水體提出的清潔水法(Gordonetal,1978、1983;潘德爐等,1997)。該方法以離水輻射率Lw(λ0)為零或近似為零的某波段為基準(zhǔn),從遙感器測(cè)量到的Ls值中扣除大氣中的瑞利散射Lm值,得到該波段氣溶膠散射La(λ0)值,再根據(jù)氣溶膠波譜特點(diǎn),推算其他波段的氣溶膠散射La(λ)值。實(shí)驗(yàn)表明,一類海水在λ0=670nm左右存在或近似存在Lw(λ0)為零的現(xiàn)象,可以使用上述通用方法。但對(duì)渾濁的二類水體,清潔水法就不適用了。針對(duì)這種情況,Austin等(1981)和Smith等(1981)提出一種迭代方法,通過與其他通道的關(guān)系模擬670nm波段在清水時(shí)的數(shù)據(jù),再按清潔水法進(jìn)行大氣糾正。對(duì)不具備迭代條件的寬波段數(shù)據(jù),如NOAA/AVHRR、LANDSAT/TM(MSS)等,曾發(fā)表過諸如減去最低值(Johnson,1975)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式(Mundayetal,1975)、利用MSS7波段(MacFarlaneetal,1984)、利用AVHRR/CH2波段(Stumpfetal,1989)等應(yīng)用方案。但是這些方案在同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校正、區(qū)域與時(shí)間限制及適用范圍等方面仍難滿足懸浮泥沙遙感長序列產(chǎn)品要求。根據(jù)海面-遙感器間光譜反射率斜率線性傳遞現(xiàn)象提出的考慮渾濁二類水體大氣校正的懸浮泥沙遙感算法——斜率法(Lietal,1998b;李炎等,1999),在擺脫現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)限制、區(qū)域與時(shí)間適應(yīng)性以及量程范圍等方面,形成了懸浮泥沙遙感長序列產(chǎn)品開發(fā)和研究的基礎(chǔ)。1.1dd1rwtddrw和dr的空間差異斜率法實(shí)現(xiàn)大氣糾正的基本思路是:對(duì)于單波段來說,由于大氣的作用,遙感器接收到的反射率與海面實(shí)際反射率不同,但對(duì)于兩個(gè)不同波段反射率關(guān)系曲線之斜率,從海面到遙感器的傳遞,符合線性傳遞的規(guī)律。因此,可以通過這種斜率之間的聯(lián)系,將遙感器兩個(gè)波段反射率關(guān)系曲線之斜率轉(zhuǎn)換為海面實(shí)際的反射率關(guān)系曲線之斜率,從而實(shí)現(xiàn)包括二類水體在內(nèi)的大氣糾正。傳感器探測(cè)到的λ波段反射率Rλ可表示為(Viollieretal,1980;Lietal,1998a):Rλ=(Rrλ+Raλ+td1Rwλ)tozλ(1)其中Rrλ是Rayleigh散射的貢獻(xiàn);Raλ為氣溶膠散射的貢獻(xiàn);Rwλ為水面光譜反射率;tozλ為雙程的臭氧透過率;tdλ雙程漫透過率。在遙感目標(biāo)的鄰域求式(1)對(duì)空間位移r的一階微分:理論上或高精度要求下,(2)式右邊各項(xiàng)均不為0,不具備簡(jiǎn)化的條件。但在懸浮泥沙濃度水平梯度很大的河口海岸和毗鄰海域,取決于大氣物質(zhì)分布的Rr、Ra、td、toz等因子,空間變化速率很小,而受水體物質(zhì)分布制約的離水反射率Rw空間變化速率很大,以至在(2)式右邊最后的tozλtdλdRwλ/dr項(xiàng)遠(yuǎn)高于其他一階微分項(xiàng)。在該類海區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中,(2)式可以有條件地簡(jiǎn)化為:dRλ/dr≈tozλtdλdRwλ/dr(3)選擇水體中懸浮泥沙對(duì)離水反射率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于黃色物質(zhì)和葉綠素貢獻(xiàn)的紅光和近紅外波段,由(3)式得到:dR1/dr≈toz1td1dRw1/drdR2/dr≈toz2td2dRw2/dr(4)據(jù)參數(shù)方程微分法則:dR2/dR1≈(td2/td1)(toz2/toz1)dRw2/dRw1(5)說明在河口海岸和毗鄰海域,以及紅光和近紅外波段等特定條件下,從海面Rw1-Rw2曲線到遙感器R1-R2曲線,斜率的傳遞是線性的,傳遞的比例因子(td2/td1)(toz2/toz1)取決于該兩個(gè)波段的大氣透射率(包括漫透射率和臭氧層吸收率)比值。根據(jù)理想大氣透射率計(jì)算結(jié)果,正午前后無云條件下,黃紅光波段和近紅外波段的漫透射率比值略小于1,臭氧層吸收率比值接近1,相對(duì)誤差小于10%。從近似應(yīng)用角度,將大氣透過率比值取1,則(5)式可簡(jiǎn)化為:dR2/dR1≈dRw2/dRw1(6)1.2懸浮泥沙的光學(xué)性質(zhì)根據(jù)海面離水反射率與水體固有光學(xué)參數(shù)關(guān)系,并針對(duì)中國近岸水域特定的懸浮泥沙固有光學(xué)性質(zhì),李炎等(1999)推導(dǎo)出遙感水層懸浮泥沙濃度S與AVHRR/CH1波段反射率(R1)和CH2波段反射率(R2)關(guān)系曲線之斜率α的理論表達(dá)式,并提出簡(jiǎn)單的實(shí)用計(jì)算公式:2浮砂泥質(zhì)沉沙的兩種方法用斜率法建立珠江口長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)集,首先需要針對(duì)相對(duì)復(fù)雜的水體性質(zhì)建立相對(duì)穩(wěn)定的懸浮泥沙信息提取方法。目前有兩種實(shí)施方法:回歸法與極值法。兩種方法的關(guān)鍵都在于如何求取關(guān)系曲線之斜率α。回歸法在懸浮泥沙性質(zhì)比較均一的杭州灣及長江口海域,已取得了比較理想的結(jié)果。但是在珠江口,由于其水體類型復(fù)雜,這一實(shí)施方法遇到了比較大的困難,計(jì)算不穩(wěn)定,偏差比較大。在不具備對(duì)不同類型水體預(yù)先分類,采用與之適應(yīng)的光學(xué)參數(shù)之前,改用比較穩(wěn)定的極值法實(shí)施。2.1極值法ls極值法通過間接途徑求取斜率α(Lietal,1998b;李炎等,1999)。由斜率α的定義有:α-dR2/dR1=0(8)當(dāng)α=αi時(shí)d(αiR1-R2)/dR1=0(9)(9)式為曲線αiR1-R2的極值判定式。由于d2(αiR1-R2)/dR2112<0,d3(αiR1-R2)/dR3113<0判定該極值為最大值,故可以把求α轉(zhuǎn)化為求曲線αiR1-R2的最大值,即R1-R2關(guān)系曲線斜率α的分布,與曲線αiR1-R2的最大值分布等效。因此逐級(jí)選定αi值(如0.02,0.04,0.06…步長0.02的等差序列),圈出相應(yīng)的αiR1-R2最大值分布范圍,即斜率等于αi的分布范圍。具體實(shí)施過程是:1)確定斜率參數(shù)值:參數(shù)值包括最小斜率,最大斜率,斜率步長,R1跳躍步長,R1累積步長。最小斜率與最大斜率根據(jù)研究海域的實(shí)際情況確定。R1跳躍步長與累積步長用于限制尋找斜率與R1數(shù)據(jù)關(guān)系時(shí)可能出現(xiàn)的波動(dòng),這種波動(dòng)主要是由于統(tǒng)計(jì)誤差引起。在同一海域,參數(shù)保持比較好的穩(wěn)定性,才能說明算法的可靠性。珠江口資料全部采用了統(tǒng)一的參數(shù)。同時(shí),對(duì)不同水體特點(diǎn)的海域,又可采用不同的參數(shù),從而通過參數(shù)的調(diào)整增強(qiáng)算法的區(qū)域適應(yīng)性。2)建立斜率-灰度數(shù)據(jù)表:對(duì)于每一個(gè)指定的斜率值,在規(guī)定大小的空間局域內(nèi)總可以找到一個(gè)對(duì)應(yīng)的R1值使αiR1-R2最大。所有的局域統(tǒng)計(jì)起來,將出現(xiàn)頻率最大的R1值作為該指定斜率對(duì)應(yīng)的R1值,并且在R1跳躍步長與R1累積步長的輔助下,建立完整的αi-R1關(guān)系表。3)由斜率圖得到懸浮泥沙濃度圖:根據(jù)(7)式,求得表層懸浮泥沙濃度。極值法的局限性主要表現(xiàn)在高端(指定的αi值較高時(shí))控制問題?？梢赃@樣認(rèn)為,每一個(gè)R1值都是一個(gè)αI-R1表控制條件。因此,低端(對(duì)應(yīng)低R1值)由于上面有多個(gè)控制點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的斜率不會(huì)無限上升,但是隨著設(shè)定的常數(shù)αi的升高(對(duì)應(yīng)R1值升高),控制點(diǎn)減少,最后一個(gè)選擇(往往是R1、R2值最大的那一點(diǎn))所對(duì)應(yīng)的α上限點(diǎn)的控制,從而出現(xiàn)不確定的α值。因此,實(shí)際操作中去掉最高點(diǎn),把所得到的αI-R1關(guān)系表中最后一組去掉。此外,當(dāng)塊內(nèi)有薄云干擾時(shí),找到的極值點(diǎn)可能偏差比較大。2.2懸浮泥沙濃度探測(cè)數(shù)據(jù)處理首先對(duì)NOAA/AVHRRCH1、CH2數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何與輻射糾正、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,這一部分由香港科技大學(xué)遙感衛(wèi)星地面站的XUV軟件模塊實(shí)現(xiàn)。接著進(jìn)行去云處理與去陸處理,最后用極值法提取懸浮泥沙濃度信息,后兩部分由基于VC++6.0平臺(tái)開發(fā)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)。懸浮泥沙濃度探測(cè)結(jié)果以固定地理坐標(biāo)的圖象格式輸出,形成長序列懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)集。在遙感數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上再進(jìn)行長序列懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。319走航表層采樣結(jié)果與分析根據(jù)以上方法與流程,作者處理了1995—2000年共5年多的NOAA系列衛(wèi)星資料,初步建立了具有152個(gè)時(shí)相記錄的珠江口懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)集(時(shí)間分布見表1,成像時(shí)間為14—15h)。整個(gè)處理過程中,算法表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。抽取1996年12月14日的懸浮泥沙濃度遙感數(shù)據(jù)與已有的走航采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(圖1)。衛(wèi)星成像時(shí)間為13:50,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是10:00—16:00的走航表層采樣結(jié)果,圖中的圓點(diǎn)表示采樣時(shí)間與成像時(shí)間接近的站位,受潮鋒的影響,表層懸浮泥沙濃度的空間分布出現(xiàn)高頻波動(dòng)。遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相近,近同步點(diǎn)的最大誤差小于50%。由于遙感數(shù)據(jù)的平面分辨率為1km,所探測(cè)的懸浮泥沙濃度為遙感透射水層的加權(quán)平均值,相對(duì)采樣體積為0.5dm3的表層水樣,已經(jīng)過區(qū)域和水層的平滑作用,因此波動(dòng)不如實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)那么大。從數(shù)據(jù)集提供的連續(xù)空間(瞬時(shí)大面記錄)、連續(xù)時(shí)間(長時(shí)間序列)信息上,作者觀察到珠江口水、沖淡水、沿岸水、上升流和陸架水及其水系界面的變動(dòng),如夏半年密度較大而懸浮泥沙濃度低的外海水沿河口主槽呈“∧”型楔入內(nèi)伶仃洋等半封閉海域(圖版I:a)。該數(shù)據(jù)集還有效顯示了珠江口表層懸浮泥沙濃度高值區(qū)的季節(jié)性變動(dòng)。冬半年珠江口河口懸浮泥沙濃度高值區(qū)明顯西偏,粵東沿岸流形成的懸浮泥沙濃度相對(duì)高值帶沿鋒面向西移動(dòng),部分被東向的南海暖流挾卷到外陸架(圖版I:b);夏半年在珠江口河口出現(xiàn)南向和東南向的渾水舌,直接將河口的懸浮泥沙帶到萬山群島以外的陸架,僅部分河口懸浮泥沙濃度高值區(qū)沿岸西移(圖版I:c)。4懸浮泥沙場(chǎng)時(shí)空分布的初步統(tǒng)計(jì)處理以往很多遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用往往只是對(duì)有限的幾張圖象進(jìn)行分析,很少能夠獲得這樣的連續(xù)長時(shí)間序列結(jié)果。單時(shí)相遙感數(shù)據(jù)畢竟只是表現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)、分布狀況,并不能完全代表當(dāng)前海域的泥沙場(chǎng)特點(diǎn)。因此,根據(jù)處理得到的1995—2000年懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)集,作者進(jìn)行了初步的統(tǒng)計(jì)處理。應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)對(duì)珠江口的泥沙場(chǎng)的時(shí)空分布進(jìn)行一定的分析,從中比較它與傳統(tǒng)方法得出的結(jié)果的異同。作者主要做了特征累積頻率懸浮泥沙濃度統(tǒng)計(jì)(圖版I:d—f)以及懸浮泥沙濃度均值與均方差統(tǒng)計(jì)(圖版II)。4.1河口淺表土泥沙數(shù)據(jù)集的50%累積頻率懸浮泥沙濃度分布圖(圖版I:e)與多年平均統(tǒng)計(jì)圖(圖版II:a)說明,八大口門的河口淺灘是懸浮泥沙濃度的高值區(qū),最大渾濁帶出現(xiàn)在河口淺灘的前緣,如內(nèi)伶仃洋中蕉門到淇澳島一線。數(shù)據(jù)集的方差圖(圖版II:d)說明,內(nèi)伶仃洋中部懸浮泥沙濃度變動(dòng)最大,磨刀門外的高方差區(qū)域則延伸方向多變。4.2懸浮泥沙分布懸浮泥沙遙感數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)表明,珠江口的懸浮泥沙濃度隨著徑流、潮流的相互關(guān)系的變動(dòng)發(fā)生季節(jié)變化,洪枯季有明顯差別?？菁?內(nèi)伶仃洋泥沙自西向東呈現(xiàn)明顯的高—低—高條帶狀分布。高值分布在東灘、中灘和西灘三個(gè)淺灘,低值集中在伶仃水道及礬石水道(圖版II:c)。從方差上看,以橫門以南西灘部分懸浮泥沙濃度變化輻度最大(圖版II:f)?？刂茟腋∧嗌碀舛雀咧捣植嫉脑?一是主要口門仍有一定的徑流輸沙;二是淺灘泥沙的再懸浮;三是鋒面的輻聚作用。西灘水淺,冬季潮汐作用增強(qiáng),與底部磨擦作用增大,引起泥沙再懸浮,此外冬季盛行東北風(fēng)強(qiáng)勁,波浪作用增強(qiáng),也加大了底部磨擦掀沙作用。西灘前緣潮鋒發(fā)育,也促使泥沙沿鋒面輻聚和傳輸。洪季,徑流作用強(qiáng),潮汐作用相對(duì)較弱。伶仃洋泥沙濃度分布東西差異相對(duì)較小(圖版II:b)。