基于HJ-1A/B CCD數據的東湖葉綠素a濃度反演可行性研究

周 正，何 連，劉良明

(1.武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢430079;2.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京100871)

基于HJ-1A/B CCD數據的東湖葉綠素a濃度反演可行性研究

周 正1，何 連2，劉良明1

(1.武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢430079;2.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京100871)

以武漢東湖為研究區域，利用HJ-1A/B CCD數據和地面準同步葉綠素a濃度實測數據，建立適合東湖水體的葉綠素a濃度遙感定量估算模型，從而分析HJ-1A/B CCD數據應用于內陸湖泊水體葉綠素a濃度反演的可行性。

葉綠素a;環境一號衛星;遙感;反演

一、引 言

東湖是我國最大的城中湖，位于湖北省武漢市內，位置位于東經 114°23'、北緯 30°33'。近年來，隨著城市經濟的快速發展，東湖水環境承受的壓力也與日俱增，不僅破壞了湖泊生態環境，而且影響到了周邊的人居環境，造成了不小的經濟與生態損失。

湖泊水質惡化的直接表現是藻類物質大量繁殖，而葉綠素a是浮游植物生物體的重要組成成分之一，葉綠素a含量的高低與該水體中藻類的種類、數量等密切相關，是浮游植物現存量的重要指標，是反映內陸湖泊水質狀況的一個重要參數［1］。

環境與災害監測預報小衛星(HJ-1A/B)星座是我國首個以災害和環境監測為主要用途的衛星監測體系，建立基于國產環境衛星數據的水體葉綠素a遙感反演模型對于水質監測具有重要的現實意義。

二、數據獲取與處理

1.數據獲取

環境一號小衛星數據從民政部減災委獲取，多光譜數據參數如表1所示［2］。

表1 HJ-1A/1B衛星CCD主要載荷參數

地面實測數據從湖北省環境監測總站獲取，東湖共有5個點位數據，每月監測一次，其點位分布圖如圖1所示。

圖1 東湖地面實測數據點位分布圖

2.數據預處理

遙感數據預處理包括輻射定標、幾何校正、大氣校正、水體提取。輻射定標采用環境一號小衛星定標參數與定標公式進行定標;采用一幅經過幾何精校正的湖北省TM影像為參考底圖進行幾何校正;由于本文試驗樣區缺少同步的大氣資料，采用暗目標法對影像進行大氣校正;水體范圍提取采用歸一化差異水體指數NDWI進行。

三、反演模型

1.粗差點剔除

監測點的葉綠素a濃度數據可能存在一些異常點，比如被云遮住的點和葉綠素a濃度異常變化點。剔除葉綠素a濃度值異常高的點(葉綠素a濃度為285 mg/m3)。

2.相關性分析

本文采用11幅遙感影像，每幅影像5個監測點，共有55個監測點，其中廟湖共有11個監測點?？紤]到廟湖的水質與其他子湖的差異較大，因此對廟湖單獨建模。廟湖共有11個監測點，剔除葉綠素a濃度值異常高的點(葉綠素a濃度為285 mg/m3)之后，剩下10個點。其他子湖共有44個點，剔除3個被云遮住的點，剩下41個可用的監測點，任意選取29個水質監測點，找出對應位置的水體反射率值，分析各個波段表觀反射率及其波段組合與葉綠素a濃度的相關性，從而進行葉綠素a濃度的遙感定量建模，其余12個點用于檢驗模型的精度。

設定F檢驗的顯著性概率p≤0.05，選用了近60個波段及波段組合進行相關性分析。表2～表3列出了常用波段及波段組合與滿足顯著性水平的葉綠素a濃度和葉綠素a濃度自然對數之間的相關性。

表2 葉綠素a濃度與波段組合的相關性

由表2可知，各個波段及波段組合與葉綠素a濃度的相關性普遍較低，只有(B2－B4)/(B2/B4)、B2/(B1+B4)、B2/(B1+B3+B4)和B4/(B1×B2)相對高一些。

表3 葉綠素a濃度對數值與波段組合的相關性

由表3可知，各個波段及波段組合與葉綠素a濃度的對數值相關性也較低，只有(B2－B4)/(B2/B4)、(B1 －B2)/(B1/B2)、B2 －B4、B4/(B1 ×B2)、B2、B2/(B1+B4)相對高一些。

3.模型構建

根據以上對比分析，相關性最大的為(B2－B4)/(B2/B4)，達到了 －0.6845，但是考慮到比值法在一定程度上可以減輕大氣影響，最終選用相關性較高的波段組合B2/(B1+B4)為變量進行定量遙感反演。對水體光譜輻射亮度的不同波段作比值處理，可以部分消除大氣影響，也可以消除在空間上和時間上水面粗糙度變化的干擾。本文采用B2/(B1+B4)作為獨立變量構建模型。表4列出了幾種模型，考慮到模型的穩定性等，本文最終采用一元二次模型構建反演模型。

表4 葉綠素模型

四、結果與分析

筆者利用構建的模型對2009年8月19日的遙感影像反演了東湖水體的葉綠素a濃度分布狀態，如圖2所示。并用此月份的地面監測葉綠素a濃度值進行了驗證。

圖2 葉綠素a濃度分布圖

從結果中看出，反演的均方根誤差為±38.55 mg/m3，樣本檢驗結果如圖3所示。

圖3 預測值與實測值對比圖

從圖3可以看出，反演的值比實際的值要低，這可能是影像與實測數據不同步，影像要滯后實測值13 d，在8月份，浮游植物開始死亡，導致葉綠素a濃度開始下降。在葉綠素 a濃度較小時(小于60 mg/m3)，反演出來的結果比較準確，誤差較小;當葉綠素a濃度值較大時(大于100 mg/m3)，反演的結果誤差比較大，這可能是因為水體中的葉綠素a濃度很高的時候(相應的是浮游藻類含量很高)，浮游藻類之間會產生“集聚”現象，尤其是對于發生水華的水體，大量的藻類密布在水體的表面，使水體表現出類似陸地植被的反射光譜特征。從圖中可以看出模型基本上能反映葉綠素a濃度的變化。

五、結束語

本文利用環境一號小衛星CCD數據對東湖葉綠素a濃度進行了遙感反演的可行性試驗，結果表明此衛星數據具備反演葉綠素a濃度的能力，結果較為真實可信，但由于地面實測數據點位的不足與遙感影像間的不同步造成了模型精度下降，相信隨著今后地面采樣點的加密以及衛星數據質量的改善，可以對湖泊進行分區反演，從而提高葉綠素a濃度反演的精度，使得環境一號小衛星數據在內陸湖泊水質監測中發揮更為重要的作用。

致謝:本文的工作得到了湖北省環境監測中心站和民政部減災委的數據支持，在此表示感謝!

［1］呂恒，江南，李新國.內陸湖泊的水質遙感監測研究［J］.地球科學進展，2005，20(2):185-192.

［2］China Centre for Resources Satellite Data and Application.Technical specification of payloads of HJ-1A/1B/1C［EB/OL］.［2010-10-01］.http:∥www.cresda.com/n16/n92006/n92066/n98627.

［3］楊瑩，阮仁宗.基于TM影像的平原湖泊水體信息提取的研究［J］.遙感信息，2010(3):60-64.

［4］程偉，王黎明，田慶久.一種基于陰影像元的光學遙感大氣校正方法［J］.測繪學報，2008，37(4):469-475.

［5］楊煜，李云梅，王橋，等.基于環境一號衛星高光譜遙感數據的巢湖水體葉綠素a濃度反演［J］.湖泊科學，2010，22(4):495-503.

［6］黃妙芬，牛生麗，孫中平，等.環境一號衛星CCD相機水體信息采集特性分析［J］.遙感信息，2010(4):68-75.

Feasibility Study for Retrieval of Chlorophyll-a Concentration in Donghu Lake Using HJ-1 A/B CCD Data

ZHOU Zheng，HE Lian，LIU Liangming

0494-0911(2011)03-0011-04

P237.9

B

2010-12-31

武漢大學博士自主科研項目(20102130101000131)

周 正(1984—)，男，湖北武漢人，博士生，研究方向為環境與災害遙感監測評價。