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科。序列遙感數據集是應用于海洋學分析和海拔高度同化的海拔高度遙感產品。由于大氣糾正環節上的困難,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等穩定的長序列產品(Gordonetal,1973;Holyer,1978;Stumpfetal,1989;李京,1987;Lietal,1992;孫效功等,2000)。近年國家863計劃818-06-03項目發展的懸浮泥沙遙感算法(Lietal,1998b;李炎等,1999),提供了實現二類水體的懸浮泥沙長序列遙感的可能。針對珠江污染研究計劃對長序列懸浮泥沙數據的需求,作者采用該算法實現了珠江河口及鄰近海域懸浮泥沙遙感長序列產品獲取,并應用1995—2000年間152個時相的懸浮泥沙遙感數據集,分析珠江河口及鄰近海域懸浮泥沙濃度分布規律和季節性演變。本文主要介紹數據集的基本算法、圖象處理、數據集結構及其分析評價產品。1懸浮泥沙的大氣校正方法--射線回歸法mss遙感方法探測水體中懸浮泥沙濃度的核心問題,在于建立遙感數據和懸浮泥沙濃度之間的定量關系。該關系可分為大氣中的海面-遙感器光譜反射率聯系(大氣糾正)和水下的懸浮泥沙濃度-海面光譜反射率關系兩個部分。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,從遙感器測量到的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,再根據氣溶膠波譜特點,推算其他波段的氣溶膠散射La(λ)值。實驗表明,一類海水在λ0=670nm左右存在或近似存在Lw(λ0)為零的現象,可以使用上述通用方法。但對渾濁的二類水體,清潔水法就不適用了。針對這種情況,Austin等(1981)和Smith等(1981)提出一種迭代方法,通過與其他通道的關系模擬670nm波段在清水時的數據,再按清潔水法進行大氣糾正。對不具備迭代條件的寬波段數據,如NOAA/AVHRR、LANDSAT/TM(MSS)等,曾發表過諸如減去最低值(Johnson,1975)、應用經驗公式(Mundayetal,1975)、利用MSS7波段(MacFarlaneetal,1984)、利用AVHRR/CH2波段(Stumpfetal,1989)等應用方案。但是這些方案在同步實測數據校正、區域與時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品要求。根據海面-遙感器間光譜反射率斜率線性傳遞現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),在擺脫現場定標限制、區域與時間適應性以及量程范圍等方面,形成了懸浮泥沙遙感長序列產品開發和研究的基礎。1.1dd1rwtddrw和dr的空間差異斜率法實現大氣糾正的基本思路是:對于單波段來說,由于大氣的作用,遙感器接收到的反射率與海面實際反射率不同,但對于兩個不同波段反射率關系曲線之斜率,從海面到遙感器的傳遞,符合線性傳遞的規律。因此,可以通過這種斜率之間的聯系,將遙感器兩個波段反射率關系曲線之斜率轉換為海面實際的反射率關系曲線之斜率,從而實現包括二類水體在內的大氣糾正。傳感器探測到的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;Raλ為氣溶膠散射的貢獻;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。在遙感目標的鄰域求式(1)對空間位移r的一階微分:理論上或高精度要求下,(2)式右邊各項均不為0,不具備簡化的條件。但在懸浮泥沙濃度水平梯度很大的河口海岸和毗鄰海域,取決于大氣物質分布的Rr、Ra、td、toz等因子,空間變化速率很小,而受水體物質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項遠高于其他一階微分項。在該類海區的實際應用中,(2)式可以有條件地簡化為:dRλ/dr≈tozλtdλdRwλ/dr(3)選擇水體中懸浮泥沙對離水反射率的貢獻遠大于黃色物質和葉綠素貢獻的紅光和近紅外波段,由(3)式得到:dR1/dr≈toz1td1dRw1/drdR2/dr≈toz2td2dRw2/dr(4)據參數方程微分法則: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。根據理想大氣透射率計算結果,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,相對誤差小于10%。從近似應用角度,將大氣透過率比值取1,則(5)式可簡化為:dR2/dR1≈dRw2/dRw1(6)1.2懸浮泥沙的光學性質根據海面離水反射率與水體固有光學參數關系,并針對中國近岸水域特定的懸浮泥沙固有光學性質,李炎等(1999)推導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)關系曲線之斜率α的理論表達式,并提出簡單的實用計算公式:2浮砂泥質沉沙的兩種方法用斜率法建立珠江口長時間序列遙感數據集,首先需要針對相對復雜的水體性質建立相對穩定的懸浮泥沙信息提取方法。目前有兩種實施方法:回歸法與極值法。兩種方法的關鍵都在于如何求取關系曲線之斜率α?；貧w法在懸浮泥沙性質比較均一的杭州灣及長江口海域,已取得了比較理想的結果。但是在珠江口,由于其水體類型復雜,這一實施方法遇到了比較大的困難,計算不穩定,偏差比較大。在不具備對不同類型水體預先分類,采用與之適應的光學參數之前,改用比較穩定的極值法實施。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α=αi時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轉化為求曲線αiR1-R2的最大值,即R1-R2關系曲線斜率α的分布,與曲線αiR1-R2的最大值分布等效。因此逐級選定αi值(如0.02,0.04,0.06…步長0.02的等差序列),圈出相應的αiR1-R2最大值分布范圍,即斜率等于αi的分布范圍。具體實施過程是:1)確定斜率參數值:參數值包括最小斜率,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研究海域的實際情況確定。R1跳躍步長與累積步長用于限制尋找斜率與R1數據關系時可能出現的波動,這種波動主要是由于統計誤差引起。在同一海域,參數保持比較好的穩定性,才能說明算法的可靠性。珠江口資料全部采用了統一的參數。同時,對不同水體特點的海域,又可采用不同的參數,從而通過參數的調整增強算法的區域適應性。2)建立斜率-灰度數據表:對于每一個指定的斜率值,在規定大小的空間局域內總可以找到一個對應的R1值使αiR1-R2最大。所有的局域統計起來,將出現頻率最大的R1值作為該指定斜率對應的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關系表。3)由斜率圖得到懸浮泥沙濃度圖:根據(7)式,求得表層懸浮泥沙濃度。極值法的局限性主要表現在高端(指定的αi值較高時)控制問題?？梢赃@樣認為,每一個R1值都是一個αI-R1表控制條件。因此,低端(對應低R1值)由于上面有多個控制點,其對應的斜率不會無限上升,但是隨著設定的常數αi的升高(對應R1值升高),控制點減少,最后一個選擇(往往是R1、R2值最大的那一點)所對應的α上限點的控制,從而出現不確定的α值。因此,實際操作中去掉最高點,把所得到的αI-R1關系表中最后一組去掉。此外,當塊內有薄云干擾時,找到的極值點可能偏差比較大。2.2懸浮泥沙濃度探測數據處理首先對NOAA/AVHRRCH1、CH2數據進行幾何與輻射糾正、數據格式轉換,這一部分由香港科技大學遙感衛星地面站的XUV軟件模塊實現。接著進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平臺開發的軟件模塊實現。懸浮泥沙濃度探測結果以固定地理坐標的圖象格式輸出,形成長序列懸浮泥沙遙感數據集。在遙感數據集基礎上再進行長序列懸浮泥沙遙感數據統計處理。319走航表層采樣結果與分析根據以上方法與流程,作者處理了1995—2000年共5年多的NOAA系列衛星資料,初步建立了具有152個時相記錄的珠江口懸浮泥沙遙感數據集(時間分布見表1,成像時間為14—15h)。整個處理過程中,算法表現出了良好的穩定性。抽取1996年12月14日的懸浮泥沙濃度遙感數據與已有的走航采樣實測數據進行比較(圖1)。衛星成像時間為13:50,實測數據是10:00—16:00的走航表層采樣結果,圖中的圓點表示采樣時間與成像時間接近的站位,受潮鋒的影響,表層懸浮泥沙濃度的空間分布出現高頻波動。遙感數據與實測數據趨勢相近,近同步點的最大誤差小于50%。由于遙感數據的平面分辨率為1km,所探測的懸浮泥沙濃度為遙感透射水層的加權平均值,相對采樣體積為0.5dm3的表層水樣,已經過區域和水層的平滑作用,因此波動不如實測數據那么大。從數據集提供的連續空間(瞬時大面記錄)、連續時間(長時間序列)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,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“∧”型楔入內伶仃洋等半封閉海域(圖版I:a)。該數據集還有效顯示了珠江口表層懸浮泥沙濃度高值區的季節性變動。冬半年珠江口河口懸浮泥沙濃度高值區明顯西偏,粵東沿岸流形成的懸浮泥沙濃度相對高值帶沿鋒面向西移動,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沿岸西移(圖版I:c)。4懸浮泥沙場時空分布的初步統計處理以往很多遙感數據處理與應用往往只是對有限的幾張圖象進行分析,很少能夠獲得這樣的連續長時間序列結果。單時相遙感數據畢竟只是表現一個瞬時泥沙運動、分布狀況,并不能完全代表當前海域的泥沙場特點。因此,根據處理得到的1995—2000年懸浮泥沙遙感數據集,作者進行了初步的統計處理。應用遙感數據對珠江口的泥沙場的時空分布進行一定的分析,從中比較它與傳統方法得出的結果的異同。作者主要做了特征累積頻率懸浮泥沙濃度統計(圖版I:d—f)以及懸浮泥沙濃度均值與均方差統計(圖版II)。4.1河口淺表土泥沙數據集的50%累積頻率懸浮泥沙濃度分布圖(圖版I:e)與多年平均統計圖(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,最大渾濁帶出現在河口淺灘的前緣,如內伶仃洋中蕉門到淇澳島一線。數據集的方差圖(圖版II:d)說明,內伶仃洋中部懸浮泥沙濃度變動最大,磨刀門外的高方差區域則延伸方向多變。4.2懸浮泥沙分布懸浮泥沙遙感數據集的統計表明,珠江口的懸浮泥沙濃度隨著徑流、潮流的相互關系的變動發生季節變化,洪枯季有明顯差別。枯季,內伶仃洋泥沙自西向東呈現明顯的高—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,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強勁,波浪作用增強,也加大了底部磨擦掀沙作用。西灘前緣潮鋒發育,也促使泥沙沿鋒面輻聚和傳輸。洪季,徑流作用強,潮汐作用相對較弱。伶仃洋泥沙濃度分布東西差異相對較小(圖版II:b)。