基于GOCI 靜止水色衛星數據的長江口及鄰近海域Kd（490）遙感反演及其在機載激光測深預評估中的應用

陳嘉星，張霄宇，2，3*，黃國容， 孫 杰

（1.浙江大學 地球科學學院，浙江 杭州310027；2.浙江省海洋觀測—成像試驗區重點實驗室，浙江 舟山 316000；3.浙江大學 海洋研究院，浙江 舟山 31600；4.上海衛星工程研究所，上海 201109）

長江是我國的第一大河流，每年輸入東海的懸浮泥沙含量可達1.81 億t（據大通站2000-2011 年輸沙量資料）[1]，巨量的懸浮泥沙在口門堆積，造成長江口水下三角洲地形地貌的不停發展和演變，對于河口生態環境、航道安全、近岸工程等都具有重要意義。近年來，機載激光雷達技術的興起為在河口近岸、島礁以及船只無法到達的水域開展測深提供了新的解決方案。激光雷達同時具有受水深影響小、測量精度高、覆蓋面廣、測量周期短、測點密度大等優勢，但同時存在著航空管制、費用昂貴等問題。因此，開展激光雷達測深的可行性預評估對于有效開展激光雷達測深具有重要意義。

然而，長江口水動力環境復雜，浮游植物旺發，造成了長江口復雜的水下光學場，給激光雷達的水下地形地貌探測帶來很大的不確定因素。因此，利用衛星遙感的大面積快速觀測能力，采用水體漫衰減系數Kd開展水下光場預評估，可為航空激光雷達測深提供先驗知識。丁凱等[2]采用MODIS 的Kd(490)產品開展了對南海北部區域機載激光雷達測深的可行性評估，并指出了開展機載激光雷達測深的合理化時間節點。

水體漫衰減系數Kd是表征透射進入海水中的光能在海水及其懸浮物質的吸收作用和散射作用下，其下行輻照度隨海水深度的增加而呈指數衰減的性質，水體漫衰減系數常用于估算水體深度、水體透明度以及真光層深度[3-11]。但是不同時間、不同區域水體的漫衰減系數呈現出一定的時空差異性，因此，選擇合適的水體漫衰減系數反演模型是獲得準確漫衰減系數的必要前提，也有助于深入研究水體的光學特征、光學類型及其對水生態系統的影響。

目前，已有不少學者針對長江口水體組分特征及其與吸收、散射之間的關系進行了大量研究，對長江口水體漫衰減系數的特性及其影響因素有了比較深入的理解，并以此為基礎，構建了不同類型的漫衰減系數反演模型。如，王曉梅等[8]針對黃東海二類水體，利用490 nm、550 nm、670 nm 處的遙感反射比，建立了遙感反射比和漫衰減系數之間的經驗統計關系，并利用同年春季實測數據進行檢驗，并指出該模型對季節變化具有較好的適應性。吳婷婷等[9]根據黃東海及珠江口附近海域的實測水下光譜剖面數據，研究發現漫衰減系數與光譜比值Rrs(555)/Rrs(490)存在分段線性關系，經相關性分析后加入665 nm 處遙感反射比，建立了分波段的Kd(490)反演算法。陳雨等[10]利用2012 年和2013 年冬季長江口鄰近海域的實測數據，對漫衰減系數光譜特征、主要影響因子及空間分布進行分析，選取510 nm、590 nm、670 nm 處的遙感反射率建立了長江口冬季Kd(490)反演模型，并由此構建了長江口Kd(490)和Kd(PAR)的關系。Yu Xiaolong 等[11]利用2013 年3 月長江口現場實測數據，對雙色模型進行了參數優化改進。因此，目前針對長江口漫衰減系數的反演算法較多，主要方法是基于船點實測數據開展相關敏感波段之間的關聯分析。從應用角度來看，主要側重于對長江口年度、季節變化特征和差異分析，由于構建模型采用數據集不同，使得不同的模型在應用上均有一定的局限性，且受衛星觀測時像的影響，目前采用高時相衛星遙感影像進行大面積、動態的長江口漫衰減系數的日變化研究還相對較少。

有鑒于此，本次研究采用世界上第一顆靜止水色衛星COMS（Communication Ocean and Meteorological Satellite）/GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）為數據源，采用ENVI 自帶的QUAC 方法，進行以下4 方面的研究：（1）選擇目前研究區域已經采用的多種反演模型進行反演，從水體的性質對算法的適用性進行分析評估，選擇適用于長江口的Kd(490)反演模型進行反演；（2）分析研究區域先漲潮再退潮期間Kd(490)的時空變化特征，并對其影響因素進行分析；（3）分析研究區域Kd(490)的季節變化特征，并對其影響因素進行分析；（4）基于Kd(490)的季節變化特征和潮汐變化特征，開展在長江口機載激光雷達測深能力評估。研究將系統地揭示長江口漫衰減系數的時空變化規律，對于精確反演透明度等水體光學參數具有重要意義，同時也為機載激光雷達測深提供背景信息。

1 研究區域

1.1 概況

長江口呈喇叭狀向入海口展開，窄口端寬度遠小于寬口江面寬度。距今2000 年伊始，長江河口南岸逐漸向海推進，河口北岸的部分沙島相繼并岸，口門寬度遂逐漸減小，河槽逐年加深，主槽向南偏，逐漸演變為多級分汊的三角洲河口。自1998 年以來，隨著長江口北槽深水航道整治工程的建設，長江河口依托實體工程，以長堤的方式向海突出[12]。近年來，受長江口流域生態治理和三峽筑壩工程的影響，長江沖淡水流量、攜沙量均呈現出逐年降低的趨勢，同時長江口水下三角洲已經出現了明顯的補償沖刷現象，因此，動態觀測長江口水深變化，對于研究自然和人類雙重影響下長江口水下地形地貌的發展和演化及其生態環境等方面均具有重要意義。研究區域遙感影像來源于http://kosc.kordi.re.kr，如圖1 所示。

圖1 研究區域遙感影像圖

1.2 水動力條件及泥沙輸運

長江口口外海域受蘇北沿岸流、江浙沿岸流和臺灣暖流的共同影響，存在著明顯的季節差異。夏季，長江沖淡水流量大，在臺灣暖流擠壓下可向東甚至東北方向抵達達濟州島附近。冬季，長江沖淡水流量小，主軸流向為東南方向，只能由長江口到達杭州灣北部[13-14]。

長江口水富沙豐，大量泥沙自長江口入海，導致海岸帶水體懸浮顆粒物濃度較高，陸域輸入溶解有機物質豐富，加上浮游植物生長繁盛，導致水體光學特征復雜，是典型的二類水體[15]。長江口自徐六涇以下至杭州灣，潮流作用逐漸增強，徑流作用逐漸減弱，懸浮泥沙濃度呈現不斷增加的趨勢。風浪、潮流沖刷引起的泥沙再懸浮，是長江口外懸浮泥沙濃度急劇增高的主要原因。懸浮泥沙濃度存在明顯的季節差異，口門及口外夏低冬高，口內夏高冬低[16]。

2 數據和方法

2.1 數據

2010 年，韓國發射了世界上第一顆地球靜止氣象衛星COMS，GOCI 為其上搭載的水色遙感器，波段設置為可見光到近紅外共8 個波段，如表1 所示。時間分辨率可達1 h，每天可提供目標區域共8 個時間段（8:00-15:00）的觀測數據，實現對以韓國為中心包括韓國、俄羅斯、日本、朝鮮及中國約6.35×106km2的目標區域的實時監測[17]。由于其較高的時間分辨率，減少了云層遮擋造成的誤差與數據缺失的概率，對日間動態觀測海洋和監測海洋突發事件具有突破意義。經過篩選，用于潮汐變化研究的數據共選取8 景，為2015 年8 月2 日的全天數據；用于季節變化研究的數據共選取4 景，拍攝時間如下：2015 年1 月19 日13:28；2015 年4 月21 日12:28；2015 年8 月2 日15:28；2015 年10 月11 日13:28。

表1 GOCI 波段及參數信息

2.2 Kd（490）遙感反演算法適用性分析

國內外已有眾多學者就漫衰減系數反演算法進行了大量研究，對比不同學者提出的Kd(490)反演模型，主要包括半分析算法和經驗算法，如表2 所示。

半分析算法考慮輻射傳輸過程，加入吸收系數、后向散射系數等固有光學參量。如Lee 等[18-20]基于生物光學模型提出的QAA 半分析算法，此算法具有一定的普適性，但模型引入的參數較多且難以獲得；Wang 等[21]針對切薩皮克灣提出的半分析算法，此算法可用于二類水體，但模型引入的固有光學量較難測量。

經驗算法直接建立漫衰減系數與遙感反射比等表觀光學量之間的統計學關系，如針對大洋一類水體，Austin 等[22]針對海岸帶水色掃描儀CZCS 數據提出的經驗算法，Mueller 等[23]針對第二代水色傳感器SeaWiFS 提出的經驗算法，這些算法主要是根據實測數據建立Kd(490)和藍綠波段（443 nm、550 nm）的離水輻亮度比值之間的經驗關系；針對近岸二類水體以及內陸富營養化水體的算法，金鑫等[24]采用2009 年6 月的巢湖水體的光譜數據、水質參數、上行輻亮度和下行輻亮度等實測數據，分析水體漫衰減系數光譜特征，建立了Kd(490)的多元線性回歸模型。Moon J E 等[25]通過對比原位船載數據和GOCI衛星數據，認為在近岸高濁度海域，漫衰減系數與421 nm 和443 nm 處的遙感反射率Rrs的相關性較低，與490～865 nm 之間的遙感反射率Rrs的相關性較高。

另外還有，王曉梅等[8]、崔廷偉等[26]、吳婷婷等[9]、陳雨等[10]提出的經驗算法，這些算法除了考慮到藍綠波段的遙感發射率比值與Kd(490)之間的相關關系，同時引入紅或黃波段的遙感反射率，這更加符合二類水體的特點。

表2 漫衰減系數的反演算法

考慮到長江口水體的渾濁特性：口內大部分水域的懸浮泥沙濃度在400～600 mg/L，高值區在鎮海海域岸邊可達1 000 mg/L，最低值10 mg/L 以下[27-28]，且漫衰減系數與GOCI 波段中490～865 nm 之間的遙感反射率具有更高相關性的特點，因此本文選取吳婷婷等[9]提出的分段式漫衰減系數反演算法進行了長江口海域漫衰減系數的反演。

2.3 數據預處理

實驗操作主要通過軟件ENVI （ITT Visual Information Solutions 公司，5.3）和GDPS（GOCI Data Processing System，韓國衛星中心研發的GOCI 衛星配套的圖像處理軟件）進行，由于ENVI 目前還不能處理GOCI 提供的he5 格式的數據，所以采用GDPS將he5 格式的數據轉換為ENVI 可處理的img 格式的數據。

GDPS（GOCI Data Processing System，韓國衛星中心研發的GOCI 衛星配套的圖像處理軟件）采用的大氣校正算法是基于SSMM[29]改進的，在二類水體海域會出現過矯正，因此不適合應用于長江口鄰近海域。ENVI 自帶的快速大氣校正QUAC（Quick Atmosphere Correction）則是一種不需要配套信息的大氣校正方法[30-31]，不需要考慮太陽天頂角、衛星的天頂角等光譜參數及大氣氣溶膠的厚度、當天的風速等氣候學信息，而是基于圖像自身的數據對其進行校正，即根據波段的中心波長信息自動從影像上收集不同物質的波譜信息，獲得經驗值從而完成快速大氣校正。江彬彬等[27]將經QUAC 校正后的GOCI不同波段上的歸一化離水輻射率的變化趨勢與He等[32]采用紫外光譜校正方法以及實測值進行比較分析，GOCI 不同波段上的歸一化離水輻射率的變化趨勢與實測值一致，發現在490 nm、555 nm 處略小于實測值，但比值變化不大，在680 nm、745 nm 處略大于實測值，因此采用以490 nm、555 nm 處遙感反射比比值為界的分段式Kd(490)反演算法可能會造成低比值區Kd(490) 反演值偏低，高比值區Kd(490)反演值偏高，造成激光測深系統可探測深度近岸偏淺、遠岸偏深。綜合考慮運行效率以及作為激光測深的預評估的精度要求，本次研究最終采用了QUAC 法進行GOCI 遙感影像的大氣快速校正處理。

除轉換數據格式外，反演前處理還包括圖像裁剪、快速大氣校正、求地表反射率、NDWI 法提取掩膜，以便進行隨后的漫衰減系數反演和激光雷達測深能力預評估。

2.4 激光測深系統測深能力評估方法

我國近岸水體以二類水體為主，考慮到加拿大Optech 公司研制的CZMIL（Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar）系統[33]專門針對渾濁濁水體研發了濁水處理算法模塊（HydroFusion Turbid Water Module）。故本次研究選取CZMIL 系統的Kd(532)與最大測深之間的關系為例進行測深評估。

據文獻[33-34]，CZMIL 系統在海道測量模式下（白天），當底部反射率大于15%時，單脈沖最大測深深度Dmax（單位為m）與532 nm 處漫衰減系數Kd(532)（單位為m-1）之間的關系可近似為：

從式(1)可知，評估CZMIL 系統測深能力的漫衰減系數為Kd(532)，而我們反演得到的漫衰減系數為Kd(490)，故需將Kd(490)轉換為Kd(532)。

CZMIL 系統采用Nd：YAG 激光器，其中用于探測水底信息的激光為藍綠波段，波長為532 nm，該波段激光具有較強的穿透海水能力。因此分析CZMIL 的測深能力，首先要獲得該波段處的漫衰減系數Kd(532)。當前國際上水色遙感的標準數據產品是Kd(490)，故需要將Kd(490)轉化為Kd(532)。根據陳雨等[35]關于長江口漫衰減系數的研究結果，400～700 nm波段范圍內其他波段的漫衰減系數與Kd(490)的相關性在0.97 以上，故此波段內的漫衰減系數可以通過Kd(490)轉化得到，兩者之間的關系可以表示為：

式中：k(λ)=1.158×10-5λ2-0.01561×λ+5.8573；b(λ)=1.408×10-5λ2-0.01363×λ+3.3054。

由此，532 nm 處的漫衰減系數與490 nm 處的漫衰減系數之間的關系為：

3 結果和討論

3.1 長江口Kd(490)的日變化

3.1.1 長江口Kd(490)的日變化分布特征 對2015年8 月2 日的8 景GOCI 遙感影像進行長江口及其鄰近海域的Kd(490)日變化特征分析，結果顯示如圖2。總體來看，每個潮位的Kd(490)最高值均在舟山本

島附近，最高值在（2.8±0.2）m-1，最低值在舟山本島的南東側東海海域，最低值基本穩定在（0.10±0.02）m-1。從河口到海，隨著離岸距離的增大，基本呈現出先增大再減小的趨勢。

圖2 2015 年8 月2 日全天長江口及鄰近海域Kd(490)反演

本文選取的2015 年8 月2 日的8 景影像在拍攝時間內處于先漲潮再退潮期間。漲潮期間，長江口和杭州灣的水流方向近于SE-NW；退潮期間，長江口和杭州灣的水流方向近于NW-SE。漲潮期間，長江口及其鄰近海域的Kd(490)值總體呈現逐漸增大的變化趨勢。退潮期間，長江口及其鄰近海域的Kd(490)值總體呈現逐漸減小的變化趨勢。

結合表3 及長江口懸浮泥沙濃度日變化的相關文獻進行分析[27]，長江口的漫衰減系數與其他渾濁的河口二類水體的漫衰減系數相當，并且其主要影響因素均為懸浮物。3.1.2 長江口Kd(490)日變化分布特征的影響因素分析 如圖2 所示，Kd(490)反演值分布圖表明：Kd(490)值隨著離岸距離的增大呈現出先增大再減小的趨勢，這與研究區域內懸浮泥沙濃度分布規律[27]基本吻合，舟山島附近出現了漫衰減系數Kd(490)的最大值（2.8±0.2）m-1，此處懸浮泥沙濃度最大，這從側面說明了懸浮泥沙是Kd(490)的較大影響因素之一。

表3 其他水體的Kd(490)分布

漲潮期間，長江口和杭州灣的水流方向近于SE-NW；退潮期間，長江口和杭州灣的水流方向近于NW-SE，初期杭州灣內漫衰減系數Kd(490)值空間變化相對較小，但隨著潮水逐漸退潮，漫衰減系數Kd(490)高值區沿著杭州灣頂逐漸由灣內轉移到舟山本島上，這與研究區域內懸浮泥沙濃度在落潮期間的變化規律[27]很相似，因此有理由認為潮水的潮位通過影響長江口及其鄰近海域的懸浮泥沙濃度日變化，進而影響漫衰減系數Kd(490)的日變化。

3.2 長江口Kd(490)的季節變化

以往有關研究在采用遙感技術分析我國近岸漫衰減系數的季節變化時，常常采用月平均值對漫衰減系數的季節變化特征進行研究，然而，一個潮周期內可造成漫衰減系數的顯著變化，因此，采用月平均值無法對研究區域內水動力環境的動蕩變化進行精細描述。本次研究選取2015 年1 月19日、4 月21 日、8 月2 日、10 月11 日各一景共4 景GOCI 影像，這4 景影像的潮位相近，故而可以在相同潮位下研究長江口及其鄰近海域的漫衰減系數分布和變化的特征及其影響因素，反演結果如圖3所示。

圖3 2015 年四季典型潮位長江口及其鄰近海域Kd(490)反演

如圖3 所示，結果表明，長江口及其鄰近海域Kd(490)值夏季（8 月）低于冬季（1 月），春季（4 月）和秋季（10 月）居中，這種變化特征與研究區域內的季節性流量變化密切相關。8 月正值夏季，是長江的豐水期，因此長江沖淡水流量很大，長江沖淡水攜帶著大量懸浮泥沙沖出長江口外，這個流動過程使得夏季水體中懸浮泥沙被稀釋導致其含量減小，而冬季長江沖淡水流量減小，同時受季風影響，底部沉積物有可能受到風浪擾動[13-14]，使得冬季水體中懸浮泥沙含量增大，長江口懸浮泥沙含量與冬季相比較低，且相同區域的漫衰減系數Kd(490)值夏季較冬季[10]要小，因此可以認為長江沖淡水流量通過影響長江口及其鄰近海域懸浮泥沙含量的季節性變化，進而影響漫衰減系數Kd(490)的季節性變化。

3.3 激光測深預評估

首先，長江口及其鄰近海域的Kd(490)值夏低冬高，春秋居中。因此，只需要選擇夏季和冬季的兩幅影像對CZMIL 測深能力進行評估，評估結果如圖4所示。

圖4 長江口冬夏兩季測深能力空間分布

由圖4 可知，夏季較冬季更適合CZMIL 系統進行測深，長江口及杭州灣灣內水域可探測深度在約在5 m 以下，口外清潔水體可探測深度在22 m 左右，探測季節以夏季為宜。

長江口及其鄰近海域的Kd(490)值總體呈現出隨潮位的增高而增大，隨潮位的減小而逐漸減小的變化趨勢。因此，只需選擇夏季潮位最高和退潮低潮位的兩幅影像對CZMIL 測深能力進行評估，評估結果如圖5 所示。

圖5 長江口夏季最高潮位和退潮低潮位測深能力空間分布

將本次研究結果和李凱等[38]關于在黃海、東海區域采用CZMIL 系統開展的測深能力評估等深線圖比對，基本一致：長江口及其鄰近海域可探測深度在0～22 m 左右，長江口及杭州灣內可探測深度約在5 m 以下，口外清潔水體可探測深度在22 m左右，探測時間選擇退潮低潮位的時刻為宜。

4 結論

4.1 結論

（1）先漲潮后退潮期間，長江口及其鄰近海域的Kd(490)值總體表現為先增大后減小，潮位是影響長江口及其鄰近海域水體的Kd(490)值日變化的主要因素。

（2）結合長江口的懸浮泥沙濃度日變化的研究，Kd(490)的分布規律和變化特征與懸浮泥沙濃度的變化規律基本一致，說明懸浮泥沙是Kd(490)的較大影響因素之一。

（3）長江口及其鄰近海域的Kd(490)值的季節變化特征表現為冬高夏低，春秋居中，且影響其季節變化的主要因素是長江沖淡水流量和季風。

（4）根據反演結果，夏季是最適合開展CZMIL測深系統作業的季節，退潮低潮位比其它潮位更適合開展作業。CZMIL 測深系統在長江口及其鄰近海域可探測深度在0～22 m 左右，長江口及杭州灣內可探測深度約在5 m 以下，口外清潔水體可探測深度在22 m 左右。

研究表明，GOCI 8 景/d，1 景/h 的分辨率可以實現對不正規半日潮潮周期內Kd(490)的動態變化監測，而且可以實現在相同潮位下更為合理地描述Kd(490)值的季節變化，為進一步開展機載激光雷達探測提供水體環境觀測技術保障和支持。

4.2 展望

今后將進一步開展長江口及鄰近海域內全潮周期、月度以及年度的漫衰減系數變化規律研究，并對期間的機載激光測深可行性進行較系統的評測。