基于多源遥感数据的大襟岛海域叶绿素 a反演及富营养化评价

熊一璇，麻书畅，张霄宇*,2，3，黄国容，陈嘉星，韩亚超

(1.浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学 海南研究院，海南 三亚 572000；3.浙江大学 海洋研究院，浙江 舟山 316021；4.中国地质调查局 自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

广东江门大襟岛海域是中国国家一级保护动物中华白海豚的第二大集中分布区域。该海域养殖业发达，也是重要的捕鱼场所，具有突出的生态、旅游和文化价值[1-2]。随着珠江三角洲经济高速发展，水环境污染和富营养化程度日益加重[3]，可能对中华白海豚以及其它水生生物生存带来潜在的威胁[4]。因此，监测该海域环境污染状况、评价生态健康对于保护中华白海豚具有重要的现实意义。

叶绿素a(Chl-a)质量浓度是表征水体富营养化程度的一个重要参数[5]。由于Chl-a具有特征的光学活性，通过分析不同Chl-a质量浓度水体与水体反射率之间的关系，可以构建水体中Chl-a的遥感反演模型并反演获得Chl-a质量浓度[6-7]。

航空高光谱具有高机动性、高光谱分辨率和高空间分辨率的“三高”特点，在河口、近海及内陆水体监测等方面发挥着越来越重要的作用[8-9]。航空高光谱影像的覆盖面积相对较小，飞行成本较高，卫星遥感大面积观测能力可以为其提供背景信息。本次研究基于中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心提供的大襟岛海域的CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager，集成机载光谱成像仪)高光谱实验飞行数据，开展研究区域Chl-a定量反演算法及其分布特征研究，同时结合MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)影像提供的珠江口Chl-a的大面积分布特征背景信息，开展基于多光谱遥感获取Chl-a质量浓度信息的研究海域富营养化评价，快速有效地开展对该海域的生态环境监测及影响因素分析。

1 研究区概况

研究区位于广东江门黄茅海喇叭状河口湾大襟岛海域，研究范围为112°59′30″E—113°04′00″E，21°46′00″N—21°53′00″N(图1)。黄茅海位于珠江口西面，上接银洲湖，联通西江和潭江，是崖门和虎跳门泄洪纳潮的通道，呈NWN—SES的走向。黄茅海湾口至湾顶南北长约40 km，湾顶东西宽约1.9 km，中部宽约17 km，湾口南端宽约35 km(台山赤溪至高栏岛)。黄茅海河口湾的湾顶通过崖门连接着联通崖门水道的银州湖，崖门宽仅580 m，是一个典型的基岩峡口。涨潮时潮水通过基岩峡口进入银州湖，形成涨潮射流；落潮时潮水通过狭窄的基岩峡口流入河口湾，形成落潮射流，从而形成独特的崖门涨、落潮双向射流[10]。研究海域东邻珠江口，因此珠江水系的径流输沙量对本区影响较大。

图1 大襟岛周边海域以及采样点站位布设示意图Fig.1 Schematic diagram of the sea area around Dajin Island and the layout of sampling stations(图b在标准地图(审图号：GS(2019)3266号)基础上绘制而成，底图无修改。)(Fig.b is drawn on the basis of the standard map (map review number: GS(2019)No.3266), and the base map has not been modified.)

2 数据和方法

2.1 CASI航空遥感数据及预处理

2.1.1 航空遥感数据

本研究采用的航空高光谱遥感数据由加拿大Itres公司生产的CASI 1500h获取，具体参数见表1。

表1 CASI 1500h和MODIS传感器技术参数Tab.1 Technical parameters of CASI 1500h and MODIS

中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心于2018 年7 月 11 日下午15:00—17:00在珠江口黄茅海大襟岛海域开展了航空飞行实验，飞行高度为400 m。获取的影像宽5.27 km，长13.64 km，该数据的真彩色合成图(R636.791，G536.666，B436.583)见图2。

图2 研究区CASI原始数据真彩色合成图(R636.791，G536.666，B436.583)Fig.2 True color synthesis of CASI image in study area(R636.791，G536.666，B436.583)

2.1.2 几何校正

在海岸带航空遥感测量时，由于水体非静止且水面没有任何明显标志性地物，无法使用传统的空中三角测量方法。因此，本次研究基于全球定位系统(global positioning system， GPS)/惯性测量单元(inertial measurement unit， IMU)辅助的航空线阵推扫式成像技术，在航空遥感作业前对CASI 1500h 型高光谱仪进行陆地几何检校，从而确保数据的几何精度[11]。

2.1.3 大气校正

ENVI软件自带的FLAASH 大气校正模块可以有效地消除大气和光照等因素对地物反射的影响，从而还原地物的真实反射率[12]。本次研究采用FLAASH大气校正模块对CASI航空遥感影像进行处理。

2.1.4 水体边界提取

本次研究采用水体归一化指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)、阈值分割和人工判别的方法进行水体边界提取。CASI的NDWI计算公式为

NDWICASI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中：Green为绿光波段反射率，NIR为近红外波段反射率。本研究经比较后采用B13波段(550.968 nm)和B44波段(994.250 nm)进行水体边界提取。NDWICASI>0表示为水域，NDWICASI<0表示为陆地。

研究区域近岛基岩附近的水体有明显的白帽现象。受山体阴影的影响，大襟岛背光侧水体与周边海水呈现截然不同的光谱特征。因此，在开展水体边界提取的同时，剔除了这部分干扰信息。

2.2 MODIS卫星数据及预处理

为了配合机载航空遥感，根据潮位和时相相近原则，经过数据筛选，选用了2018-07-25 T 02:50:00成像的MODIS 1B数据：MOD02HKM.A2018206.0250.061.2018206133950。HKM数据为MODIS的合成数据，MODIS影像的几何校正、辐射定标、大气校正以及图像裁剪等均由ENVI 5.3软件完成。经预处理并裁剪后的珠江口海域影像如图3所示，图像清晰，水体纹理丰富，可以用于下一步的图像处理和算法反演。

图3 裁剪后珠江口海域的MODIS影像Fig.3 Pearl River Estuary image from MODIS after clipping

本次研究利用NDWI来提取遥感影像中的水体边界，MODIS的NDWI计算公式如下

NDWIMODIS=(B4-B2)/(B4+B2)

(2)

式中：B2和B4分别对应MODIS的第2波段和第4波段的遥感反射率。

2.3 实测Chl-a数据

受到实际飞行条件的限制，本次研究未能开展同步观测。对不同季节、潮汐条件下的珠江口水动力条件以及悬浮泥沙、Chl-a的含量和分布特征进行研究表明，研究海域所处西江口的悬浮泥沙含量及其分布相对稳定，季节性变化不显著[13-14]，准同步观测可行。根据准同步的原则，选取了与航空飞行同潮时的时间段进行海上实测。

2018年10月中旬在大襟岛海域开展了为期3 d的水样采集和光谱实测。结合海域水动力特点和已有的水质参数分布特征信息，由陆至海一共布设了37个站位，其中24个站位位于CASI数据覆盖的范围内。分别从大襟岛东北部、防波堤外、南湾村南部取16个站点：T13、T15、T16、T18、T22、T20、T25、T26、T28、T29、T32、T33、T34、T35、T36、T37进行模型构建，确保用于构建模型的站位能尽可能地反映研究海域内水色参数的范围；取T14、T17、T21、T23、T24、T27、T30、T31站点用于精度校验；选取T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T19等13个站位用于MODIS数据反演的水色参数精度校验，具体站位布设如图1所示。由于船只无法进入养殖区，养殖区内未布设站位。

严格按照《海洋监测规范》(GB 17378.7—2007)[15]规定，在海表0.5 m 处采集水样，在实验室完成对水样的过滤、萃取，采用分光光度法获得了Chl-a质量浓度，实测结果见表2。

表2 站位分布经纬度以及各站位实测Chl-a质量浓度Tab.2 Longitude and latitude of sampling stations and measured Chl-a concentration

续表2

2.4 海表面光谱测量与处理

大襟岛海域水体属于典型二类水体，本次实验采用海表面法进行水体表面光谱测量[16]。采用的设备为荷兰Avantes公司的AvaField-2便携式高光谱地物光谱仪，在每个采样点至少进行3次测量，每次至少检测10条光谱曲线，同时观测天空光和白板的辐射值，遥感反射率用以下公式计算获得：

Rrs=[(Lu-Lsρf)Rp]/(πLp)

(3)

式中：Rrs是遥感反射率；Lu是水面上行辐亮度；Ls为天空光的辐亮度；ρf为水面菲涅尔系数，取经验值 0.02；Rp为标准板的反射率；Lp为标准板的上行辐亮度。将获得的光谱进行重采样，使其分辨率为 1 nm。海上实测采集的光谱往往含有较大的噪声，因此，采用小波变换方法去噪(图4)。去噪前后的水体光谱曲线信噪比(Signal-to-noise ratio)的均方根误差为21.82，去噪效果比较好[17]。

图4 去噪后大襟岛海域实测水体光谱曲线图(以T22站点为例)Fig.4 Spectrum measured in water body around Dajin Island after denoising (taking T22 station as an example)

3 基于遥感影像的水色参数反演及精度校验

本次研究基于经验法，通过实测水体Chl-a质量浓度，选出实测水体光谱中与之相关性最高的波段或波段组合，以该波段或波段组合作为因变量，构建反演模型，对Chl-a质量浓度进行反演(表3)。

表3 基于实测数据构建的Chl-a质量浓度反演模型Tab.3 Retrieval models of Chl-a concentration based on in-situ measurements

然后选取CASI和MODIS中的相应波段，基于单波段、波段比值和光谱微分法分别采用线性、多项式进行拟合，从而构建适用于CASI和MODIS的Chl-a质量浓度反演模型。将3种模型分别用于CASI和MODIS数据进行Chl-a质量浓度反演，并采用实测值进行校验，最终选取最佳反演模型，获得研究海域Chl-a质量浓度的空间分布。

3.1 基于CASI数据的Chl-a反演及精度校验

根据实测光谱和Chl-a质量浓度的相关性分析筛选了基于单波段、波段比值和一阶微分3种波段组合方式，并用于CASI数据。通过与实测Chl-a质量浓度之间的线性、指数型、对数型、二次型拟合关系，构建大襟岛海域Chl-a质量浓度的反演模型。

进一步对单波段模型、波段比值模型以及一阶微分模型3种模型的 CASI 数据反演结果进行校验比较，Chl-a反演值跟实测值的相对误差如表4所示。

表4 基于CASI数据采用不同模型反演Chl-a质量浓度的误差统计分析表Tab.4 Errors analysis of Chl-a concentration inversion by different models based on CASI data

总体而言，单波段模型、波段比值模型和一阶微分模型的反演结果和实测数据均具有显著相关性(p<0.01)，波段比值模型反演结果的平均相对误差(14.58%)和均方根误差(0.36 μg/L)都相对更低。因此本次研究选用波段比值模型用于CASI数据反演，具体公式为

Chl-aCASI=0.960 1×[Rrs(622)/(Rrs(851)]+0.073 9

(4)

式中：Rrs(622)、Rrs(851)分别代表CASI数据中心波长为622 nm和851 nm的遥感反射率。

由CASI数据反演结果(图5)可见，大襟岛附近海域Chl-a质量浓度在0.19～4.4 μg/L范围内波动，质量浓度较低，在研究海域内分布均匀。

图5 大襟岛海域Chl-a质量浓度CASI数据反演图Fig.5 Retrieval of Chl-a concentration from CASI in Dajin Island

3.2 基于MODIS数据的Chl-a反演及精度校验

为了保持和航空遥感反演模型的一致性，本研究中MODIS数据也采用了波段比值模型进行Chl-a质量浓度反演：

Chl-aMODIS=0.911 7×[Rrs(645)/Rrs(858)+0.064 8]

(5)

式中：Rrs(645)代表MODIS数据红光波段(中心波长为645 nm)的遥感反射率，Rrs(858 nm)代表MODIS数据近红外波段(中心波长为858 nm)的遥感反射率。

对MODIS数据反演结果进行精度校验(表5)表明，所有站位的相对误差均在30%以内，最大误差为29%，最小误差为4%，平均误差为17%。

表5 基于波段比值模型的MODIS数据Chl-a反演模型误差统计分析表Tab.5 Error analysis of Chl-a concentration obtained by bands ratio model based on MODIS data

总体而言，反演结果和实测数据具有显著相关性(p<0.01)，反演精度在合理误差范围内，表明本次研究构建的波段比值模型可以较好地对广东江门大襟岛海域的Chl-a质量浓度进行反演，并且MODIS数据具有较好的可移植性。反演结果如图6所示。

图6 珠江口Chl-a质量浓度MODIS数据反演图Fig.6 Retrieval of Chl-a concentration from MODIS in Pearl River Estuary

对MODIS反演的Chl-a数据分析表明：珠江口海域内Chl-a质量浓度在0～8 μg/L范围内波动，随着离岸距离的增加，Chl-a质量浓度逐渐增高。总体表现为近岸质量浓度低，远岸质量浓度高；河口内质量浓度低，河口外质量浓度高的特点。Chl-a质量浓度高值区呈现出顺时针旋转的分布特点。MODIS反演获得的大襟岛附近海域Chl-a质量浓度与CASI反演结果一致，处于较低水平。

4 大襟岛海域水体富营养化评价及影响因素分析

基于CASI机载高光谱数据获得的Chl-a质量浓度反演结果对大襟岛海域的水质进行了评价，并结合MODIS的Chl-a反演结果对影响大襟岛海域水体富营养化的可能因素进行了分析。

4.1 大襟岛海域富营养化评价

Chl-a质量浓度是表征水体富营养化的主要参数，以Chl-a质量浓度为标准来计算营养状态指数，可以用于评价水体的富营养化状况[18-19]，计算公式如下

TSI=10×{6-[2.04-0.68ln(Chl-a)]/ln2}

(6)

式中：TSI代表卡尔森营养状态指数；Chl-a代表Chl-a质量浓度，单位：μg/L。按照TSI与水体营养状态的对应关系，采用0～100的一系列连续数字将营养状态分为4个等级，即贫营养(TSI<40)、中营养(40≤TSI<50)、富营养(50≤TSI<70)和极度富营养(TSI≥70)。根据CASI Chl-a质量浓度反演结果，获得的研究海域富营养化指数评价结果如图7所示，基于CASI反演获得的Chl-a质量浓度，研究海域处于贫营养化和中营养化水平。

图7 大襟岛海域富营养化评价图Fig.7 Eutrophication assessment of Dajin Island

4.2 大襟岛海域营养状态影响因素分析

为了确保评价的客观性，进一步分析了MODIS数据反演的Chl-a在珠江口的整体分布特征，发现珠江口的Chl-a随着离岸距离的增加而逐渐增高，并且Chl-a质量浓度高值区呈现出顺时针旋转的分布特点，与沿岸流在柯氏力的影响下表现为顺时针方向流动的特点一致。由此判断，珠江口外局部海域Chl-a质量浓度增高可能是携带大量陆域营养物质的地表径流向海洋输送过程中咸淡水充分混合，在适宜的温度、盐度和营养盐条件下浮游植物大量生长繁殖而造成的。黄国容 等[20]根据MODIS反演悬浮泥沙结果也认为大襟岛海域的水环境受到来自黄茅海西岸的陆源输入影响较大。黄茅海的陆源输入物向海运输的过程中，在经过大襟岛海域时会出现明显的分支现象，部分沿岸流在河口海域自西北向东南向海运输并与径流主轴汇合，而沿岸流主体则沿着大襟岛自东北向西南向海运输。大襟岛的东北和西北海域受到了明显的陆源输入影响。

由于富营养化的影响因素和状态表征之间的关系十分复杂，即使是同一类型水体，具有同样的营养盐质量浓度，由于温度、盐度、浊度等的差异，在不同时间和空间上其表现出来的富营养化状态也可能相差十分悬殊。大襟岛附近海域水体浑浊度较高，水动力条件复杂，研究海域Chl-a的质量浓度和空间分布特点是同时受陆域输入、陆海交互过程、水动力环境以及水体理化环境的深刻影响的综合表现。

5 结论

本次研究以中华白海豚栖息地——广东江门大襟岛海域为研究区，以机载高光谱影像CASI为数据源，结合实测数据构建了研究区域Chl-a的定量反演模型，基于反演的结果对大襟岛海域水体富营养化进行了评价，并对大襟岛海域营养状态的影响因素进行了分析。主要结论如下：

(1)波段比值模型可以较好地反演出研究海域的Chl-a质量浓度，研究海域Chl-a质量浓度为0.1～ 4.4 μg/L，整体分布比较均匀，而且含量较低。

(2)大襟岛海域水体总体表现为低至中等营养水平，北部养殖区没有呈现出明显的富营养化。

(3)结合MODIS遥感影像分析表明，随着离岸距离的增加，珠江口的Chl-a分布呈现出逐渐增加的趋势。由此判断，大襟岛海域较低的叶绿素含量可能与该海域复杂水动力环境和高浊度有关。