鄭 直，李連偉，蘇 博，張?jiān)从?/p>

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；2.山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東 煙臺(tái) 264006）

總懸浮物（Total Suspended Matter，TSM）是內(nèi)陸和海洋的重要水質(zhì)參數(shù)之一[1]，指懸浮在水中的固體物質(zhì)，以懸浮泥沙和浮游生物為主[2]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)和工業(yè)污染物排放使水體中總懸浮物濃度迅速上升，對(duì)水生生物產(chǎn)生一定的影響。在2015 年9 月，聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展峰會(huì)通過了《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》[3]，在該綱領(lǐng)性文件的17 項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中，第14 項(xiàng)目標(biāo)旨在保護(hù)海洋環(huán)境和合理利用海洋資源以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測沿海區(qū)域的水質(zhì)總懸浮物濃度、酸化程度和富營養(yǎng)化程度等，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性。對(duì)近海海域總懸浮物濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測是我國沿海地區(qū)海洋環(huán)境管理的一個(gè)重點(diǎn)治理環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的近海海域總懸浮物濃度監(jiān)測是以采用現(xiàn)場隨船逐點(diǎn)取樣的方式進(jìn)行，不僅耗費(fèi)時(shí)間和人力，而且難以全面反映水體總懸浮物濃度的空間變化[4]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，各類遙感信息在數(shù)據(jù)層面上已經(jīng)體現(xiàn)了高價(jià)值（Value）、變化快（Velocity）、準(zhǔn)確性（Veracity）、種類多（Variety）和體量大（Volume）的“5V”特征[5]，通過遙感技術(shù)手段獲取水質(zhì)參數(shù)濃度已成為當(dāng)前近海海域水體環(huán)境研究的重要方式。

2021 年11 月5 日10 時(shí)19 分，可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1 號(hào)（SDGSAT-1）在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長征六號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。SDGSAT-1 作為中國科學(xué)院首顆自主研發(fā)的地球科學(xué)衛(wèi)星，搭載了高分辨率寬幅熱紅外、微光及多譜段成像儀3 種載荷，其中多光譜成像儀成像幅寬為300 km，優(yōu)于國外主流衛(wèi)星如Landsat 8（180 km）和哨兵2 號(hào)（290 km），相較于Landsat 8 的空間分辨率（30 m）與重訪周期（16 天），SDGSAT-1 的空間分辨率高達(dá)10 m，重訪周期僅約11 天，擁有較高的信噪比（B1逸130，B2~B6逸150），衛(wèi)星設(shè)計(jì)有“熱紅外+多譜段”“熱紅外+微光”及單載荷觀測等多種觀測模式，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、多載荷協(xié)同觀測。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于總懸浮物濃度的反演研究已開展多年[6-10]，但基于SDGSAT-1 影像的總懸浮物濃度反演方法尚無相關(guān)成果，基于國產(chǎn)SDGSAT-1 衛(wèi)星對(duì)總懸浮物濃度進(jìn)行反演，能在保證精度的同時(shí)擁有更高的空間分辨率。本文以黃河口為研究區(qū)域，利用2022 年4 月的黃河口總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)QAA 算法得出水體固有光學(xué)量，建立基于SDGSAT-1 影像的黃河口區(qū)域總懸浮物濃度反演模型，且將基于SDGSAT-1 影像的反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)及基于Sentinel-2B 影像的反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將模型應(yīng)用于SDGSAT-1 遙感影像。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與站位分布

黃河是全球最大的輸沙河，以水少沙多著稱于世[11]，每年攜帶大量的泥沙進(jìn)入半封閉的渤海，年徑流量約3 ×1010m3，年均造陸約8 ×107m3。黃河口位于山東省東營市墾利縣黃河口鎮(zhèn)境內(nèi)，瀕臨渤海，在渤海與萊州灣的交匯處。黃河口近岸海域水體長期處于高懸浮物濃度狀態(tài)，受黃河徑流及潮汐和風(fēng)浪等動(dòng)力過程的影響，水體組分動(dòng)態(tài)變化劇烈，水體光學(xué)性質(zhì)特殊，屬于典型的二類渾濁水體[4]。本文研究選擇黃河口近海區(qū)域，于2022 年4 月下旬開展了總懸浮物濃度外業(yè)調(diào)查實(shí)驗(yàn)，有效觀測總懸浮物濃度共計(jì)192 站次，全部站位區(qū)域東至山東省龍口市，西至山東省東營市河口區(qū)，北至山東省東營市河口區(qū)北部，南至山東省昌邑市北部，均勻分布在近海區(qū)域。分布于黃河口附近區(qū)域的站位為黃河口站位，為高濃度站位，其分布區(qū)域西起東營市墾利區(qū)，東至濰坊市寒亭區(qū)，共計(jì)73 個(gè)站位；分布于黃河口站位兩側(cè)站位的為低濃度站位，共計(jì)119 個(gè)站位。

1.2 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

遙感影像數(shù)據(jù)來自SDGSAT-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站（http://124.16.184.48:6008），衛(wèi)星多譜段成像儀主要參數(shù)如表1 所示，目前SDGSAT-1 僅對(duì)用戶開放4 級(jí)產(chǎn)品，該級(jí)數(shù)據(jù)經(jīng)過了相對(duì)輻射校正和幾何校正處理，但沒有經(jīng)過大氣校正。使用ENVI5.3 對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，SDGSAT-1 影像的輻射定標(biāo)公式為L =DN ×Gain +Bias，其中，L是輻射亮度值；DN是像元亮度值；Gain和Bias分別是增益量和偏移量。選用FLAASH算法進(jìn)行大氣校正，將輻亮度值轉(zhuǎn)換為實(shí)際地表遙感反射率，該大氣校正模型對(duì)于渾濁水體的校正效果較好，被國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛應(yīng)用[12]，在黃河口區(qū)域具有較好的適用性。

表1 SDGSAT-1 影像主要參數(shù)

1.3 反演模型構(gòu)建方法

1.3.1 模型構(gòu)建方法

總懸浮物濃度遙感反演方法已經(jīng)相對(duì)成熟，影響反演精度的主要因素有遙感影像的預(yù)處理、實(shí)測數(shù)據(jù)的選取和反演方法的選擇。目前，總懸浮物濃度的遙感反演方法主要是經(jīng)驗(yàn)算法、半分析方法和分析方法。經(jīng)驗(yàn)算法作為應(yīng)用最為廣泛的反演方法，是根據(jù)遙感反射率與總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)建立兩者之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總懸浮物濃度的遙感反演。經(jīng)驗(yàn)算法具有簡潔、高效等特點(diǎn)，但該方法建立在特征周期或具體區(qū)域的基礎(chǔ)上，受到時(shí)間、空間等因素的影響，使得模型的適用性不強(qiáng)。半分析方法是基于水體固有光學(xué)量與表觀光學(xué)量之間的輻射傳輸原理，建立固有光學(xué)量系數(shù)與總懸浮物濃度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系以達(dá)到反演總懸浮物濃度的目的，反演精度較高[13]。宋慶君等[14]通過對(duì)東海、黃海水體固有光學(xué)量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到后向散射系數(shù)與總懸浮物濃度之間的關(guān)系，從而建立了半分析模型。分析方法是利用輻射傳遞模型，計(jì)算出水體成分吸收系數(shù)與反向散射系數(shù)之比，進(jìn)而求得水中成分的濃度，該方法的計(jì)算精度高、計(jì)算結(jié)果可靠、時(shí)間和空間通用性強(qiáng)，但是域類水體較為復(fù)雜，建模需要確定多種水體的光學(xué)量參數(shù)，導(dǎo)致該方法的應(yīng)用受到了一定的影響[15]。除上述方法以外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林及CatBoost 等方法也逐漸應(yīng)用到總懸浮物濃度的遙感反演研究中[16]?？傮w而言，半分析方法相比經(jīng)驗(yàn)算法有一定物理基礎(chǔ)，較分析方法更簡單易行，對(duì)總懸浮物濃度反演而言仍是目前最為合適的總懸浮物濃度反演方法。

1.3.2 QAA 算法

QAA 算法是半分析方法，LEE Z P 等[17]于2002年開發(fā)，該方法只需要遙感反射率Rrs，可以算出水體的吸收系數(shù)a、懸浮物的后向散射系數(shù)bbp等，QAA 算法具體步驟如表2 所示。邢帥等[18]使用海洋和陸地顏色儀（Ocean and Land Color Instrument，OLCI）影像數(shù)據(jù)驗(yàn)證QAA 算法的反演性能，結(jié)論是QAA 算法在輕度渾濁的吸收型水體中有著良好的反演效果。段化杰等[19]使用Sentinel 3A OLCI 遙感數(shù)據(jù)，基于QAA 模型反演岱?？倯腋∥餄舛龋Y(jié)果表明QAA 在中高懸浮物濃度區(qū)域反演效果良好。本文基于SDGSAT-1 影像波段替換QAA 算法的相近波段，利用QAA 算法建立水體表觀光學(xué)量與固有光學(xué)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。構(gòu)建總懸浮物濃度反演模型主要分為兩個(gè)步驟：第一步是輸入遙感反射率數(shù)據(jù)，利用QAA 算法估算水體固有光學(xué)特征量（Inherent Optical Properties，IOP）；第二步是根據(jù)QAA 算法估算的水體固有光學(xué)量與總懸浮物實(shí)測濃度值建立回歸模型，進(jìn)而反演水體總懸浮物濃度。

表2 QAA 算法具體步驟

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)各個(gè)模型的優(yōu)劣、驗(yàn)證反演結(jié)果的精度，本文采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：決定系數(shù)（Coefficient of Determination，CoD）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、平均絕對(duì)百分比誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）、平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）、德賓-沃森值（Durbin-Watson，DW），計(jì)算公式如下。

式中，R2為決定系數(shù)；R（mg/L）為均方根誤差；M1為平均絕對(duì)百分比；M2（mg/L）為平均絕對(duì)誤差；D為德賓-沃森值；n為樣本個(gè)數(shù)；xi（mg/L）為第i個(gè)總懸浮物濃度實(shí)測值；X（mg/L） 為實(shí)測值的均值；yi（mg/L）為第i個(gè)總懸浮物濃度反演值；u（mg/L）為第i個(gè)總懸浮物濃度實(shí)際觀察值與反演值之間的差（xi-yi）。

2 結(jié)果與討論

2.1 反演模型建立

構(gòu)建模型時(shí)，在192 個(gè)總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)中，根據(jù)與空間臨近點(diǎn)的數(shù)值差異作為異常點(diǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)，去掉部分異常點(diǎn)，按區(qū)域隨機(jī)選擇120個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建模型，剩余44 個(gè)總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)用于驗(yàn)證所構(gòu)建模型的精度。以QAA得出的各波段I值為自變量，總懸浮物濃度實(shí)測觀測值為因變量，選擇總懸浮物濃度遙感反演中應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括單波段、波段加減、波段比值，以及多波段組合等模型形式，進(jìn)行黃河口反演模型的適用性分析，結(jié)果如表3 所示。結(jié)果表明SDGSAT-1 單波段模型的IB5(656nm)與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合程度比其他單波段要好，符合研究人員普遍得出的656 nm 接近為黃河口區(qū)域的總懸浮物濃度反演的敏感波段的規(guī)律[20]?？傮w來說，模型自變量為的模型與總懸浮物實(shí)測濃度擬合程度最好，該自變量以總懸浮物濃度反演敏感波段IB5(656nm)為自變量主導(dǎo)因素，同時(shí)采用多波段組合比值形式，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，自變量分子中IB3(495nm)與IB4(553nm)的系數(shù)為0.5 最佳，該模型R2為0.579，RMSE為9.43 mg/L，高于自變量為，但略差于的RMSE（9.31 mg/L）。

表3 SDGSAT-1 模型精度

2.2 反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

利用剩余44 個(gè)總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)用于所構(gòu)建模型的精度驗(yàn)證，將剩余實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)代入所構(gòu)建的模型，得到各個(gè)模型的總懸浮物濃度預(yù)測值，該預(yù)測值作為自變量，總懸浮物濃度實(shí)測數(shù)據(jù)為觀測值，作為因變量，進(jìn)行精度評(píng)定，結(jié)果如表4 所示。

表4 SDGSAT-1 模型精度評(píng)價(jià)

圖1 SDGSAT-1 反演濃度與實(shí)測數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

2.3 反演結(jié)果與Sentinel-2B 反演結(jié)果對(duì)比

歐洲航天局的哨兵二號(hào)（Sentinel-2） 于2017年3 月17 日發(fā)射升空，衛(wèi)星攜帶高分辨率多光譜成像裝置，可提供有關(guān)陸地植被生長、土壤覆蓋狀況、內(nèi)河和沿海區(qū)域環(huán)境等信息，為國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛使用，陳余潔等[22]基于哨兵二號(hào)提供的影像對(duì)高郵湖的總懸浮物濃度和葉綠素a 濃度進(jìn)行了反演研究，反演估算的平均相對(duì)誤差分別為15.0%與22.5%，反演效果良好。李航等[23]使用哨兵二號(hào)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)長江三峽庫區(qū)和長壽湖進(jìn)行了總懸浮物濃度反演，證明了哨兵二號(hào)衛(wèi)星對(duì)于總懸浮物濃度具有良好的監(jiān)測應(yīng)用能力。故本文使用Sentinel-2B 的總懸浮物反演結(jié)果與SDGSAT-1 的反演結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比，對(duì)Sentinel-2B 的2022 年4月黃河口影像進(jìn)行預(yù)處理（重投影、Sen2Cor 大氣校正、重采樣），基于QAA 算法得到各個(gè)波段的IOP值，按覆蓋區(qū)域隨機(jī)選擇實(shí)測數(shù)據(jù)建立模型，并使用剩下點(diǎn)位驗(yàn)證模型。Sentinel-2B 的IB2+IB3線性模型（R2=0.583、R=7.46 mg/L、M2=6.69 mg/L、M1=17.01%）與多項(xiàng)式模型（R2=0.591、R=7.39 mg/L、M2=6.41 mg/L、M1=18.86%）的精度為所構(gòu)模型中較高，使用線性模型與的多項(xiàng)式模型進(jìn)行精度對(duì)比，同時(shí)根據(jù)共同覆蓋點(diǎn)位的濃度深淺分為全點(diǎn)點(diǎn)位區(qū)域及高濃度點(diǎn)位地區(qū)分別進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果散點(diǎn)圖如圖2 所示，模型驗(yàn)證由表5 所示。

圖2 模型反演的TSM 與實(shí)測TSM 散點(diǎn)圖

表5 SDGSAT-1 與Sentinel-2B 模型精度評(píng)價(jià)

由散點(diǎn)圖可知，由于黃河口水域總懸浮物濃度變化范圍較大，單一模型難以在大范圍的區(qū)域中保證良好的反演精度，SDGSAT-1 和Sentinel-2B模型在全區(qū)域中的R2分別為0.512 與0.468，而兩種衛(wèi)星的模型在黃河口高濃度區(qū)域的精度都要高于各自在全范圍的精度，高濃度散點(diǎn)圖中的所有點(diǎn)幾乎都均勻地分布在1 ：1 線的兩側(cè)附近，其中SDGSAT-1 多項(xiàng)式模型在黃河口高濃度區(qū)域的R2為0.622，RMSE 為7.94 mg/L，Sentinel-2B 線性模型在黃河口高濃度區(qū)域的R2為0.589，RMSE 為8.27 mg/L，SDGSAT-1 多項(xiàng)式模型均優(yōu)于Sentinel-2B 線性模型，但Sentinel-2B 線性模型的MAPE（17.62%）指標(biāo)優(yōu)于SDGSAT-1 多項(xiàng)式模型?？傮w而言，在覆蓋中高濃度的大區(qū)域反演中，SDGSAT-1 多項(xiàng)式模型效果優(yōu)于Sentinel-2B 線性模型，在黃河口高濃度區(qū)域中，SDGSAT-1 多項(xiàng)式模型與Sentinel-2B 線性模型均可得到較好的反演結(jié)果。

3 結(jié) 論

本文利用近190 組黃河口實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)黃河口水體特性，基于QAA 算法，建立了水體固有光學(xué)量與實(shí)測數(shù)據(jù)的總懸浮物反演模型，并將模型基于SDGSAT-1 影像數(shù)據(jù)開展總懸浮物濃度反演，且將反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)，以及基于Sentinel-2B 影像數(shù)據(jù)的總懸浮物濃度反演結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比，研究結(jié)論如下。

（1）黃河口海域?qū)儆诘湫偷亩悳啙崴w，敏感波段篩選發(fā)現(xiàn)，相較于430 nm、490 nm、550 nm波段，650 nm 為黃河口區(qū)域的總懸浮物濃度反演的敏感波段，SDGSAT-1 的IB5(656nm)與實(shí)測總懸浮物濃度的R2為0.333，Sentinel-2B 的IB3(665nm)的R2為0.470。

（2） 波段比值為黃河口海域總懸浮物濃度反演的敏感因子，以（I553nm+I656nm）/I553nm、為自變量建立模型的R2均高于其他波段組合形式模型。

（3） 基于SDGSAT-1 影像的QAA 反演算法，針對(duì)中高濃度的近岸區(qū)域反演精度良好（R2=0.622，R=7.94mg/L，M2=6.64 mg/L，M1=19.38%），與基于Sentinel-2B 影像的反演結(jié)果（R2=0.589，R=8.27mg/L，M2=6.53mg/L，M1=19.10%）精度相當(dāng)。

后續(xù)研究中將繼續(xù)提升模型精度，將考慮引用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提高構(gòu)建模型效率。本文研究區(qū)域位于黃河口中高濃度區(qū)域，后續(xù)研究中將會(huì)擴(kuò)大研究區(qū)域，覆蓋高中低濃度區(qū)域，提升反演模型的適用性。