基于Crosta方法的珠江口总悬浮物遥感异常信息提取研究

高峰 王云鹏 胡歆怡

摘要：指出了水体总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一，通过遥感影像和实测总悬浮物浓度建立的总悬浮物浓度定量遥感反演模式在区域应用上往往具有局限性。基于Crosta方法，利用波段组合TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7提取了水体总悬浮物遥感异常信息。结果表明：两组波段组合的主分量PC1可以作为水体总悬浮物浓度遥感异常信息的指示分量，并且利用MERIS总悬浮物浓度产品数据对该指示分量做了验证。该研究结果可以为缺乏实测数据的河口和内陆水体提供一种新的研究水体总悬浮物浓度的思路。利用长时间序列的Landsat TM影像数据，从宏观角度研究内陆水体总悬浮物浓度的时空分布和动态变化等。

关键词：总悬浮物;Crosta方法;Landsat TM; MERIS遥感异常信息

中图分类号：X522

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0001-05

1引言

水体总悬浮物作为水质评价的重要参数之一，受到国内外学者的广泛关注。它能够直接影响水体的浑浊度、透明度和水色等光学性质，进而影响水生生物的初级生产力。另外，水体悬浮泥沙是多种营养盐养分和有机污染物的重要载体，能够直接影响河口海岸营养盐的动态和污染物的迁移，同时也是全球碳循环的重要组成部分。因此，精确高效的获取和监测水体悬浮物含量，分析其时空变化特征，探究其潜在运动规律，对河口及内陆水体水生生态环境的评估、监测、防治和持续开发与利用具有重要的理论价值和现实意义。同时也能为相关领域和政府决策部门提供科学的参考和重要的决策依据，对社会经济发展也具有一定的推动作用。

传统意义上，总悬浮物浓度数据的获取主要通过水面定点采样、实验室测定。该方法不但耗时费力，成本高，而且难以实时的监测和研究水体悬浮物的动态变化。随着遥感技术的快速发展，遥感作为一种新的技术手段引入到了水体悬浮物的研究中来。遥感影像具有宏观监测、实时动态及快速成像等特点，已经成为定量反演和监测水体悬浮物的有效手段。

国内外学者利用多源遥感影像数据，对水体悬浮物的定量遥感反演做了大量研究工作。刘大召等利用2006年12月4日实测珠江口高光谱遥感反射率数据和悬浮泥沙浓度数据，对珠江口海域的表层水体悬浮泥沙遥感定量反演进行了研究，并建立了相应的悬浮泥沙浓度定量遥感反演模式。刘汾汾等利用实测遥感反射率和悬浮泥沙数据，基于MERIS数据建立了反演珠江口悬浮泥沙的分段算法，取得了很好的效果 。朱樊等利用MODIS数据和经验反演方法，建立了珠江口悬浮泥沙浓度与MODIS第一波段反射率的指数反演模型，该模型能较好的反演浓度介于0.014～0.3kg/m?珠江口的悬浮泥沙浓度 。

Miller和McKee基于MODIS 250m分辨率第一波段（620--670nm）和实测总悬浮物浓度数据建立了墨西哥北部海湾定量遥感反演总悬浮物浓度的线性模型。然而根据实测水体悬浮物遥感反射率和悬浮物浓度浓度建立的定量遥感反演模式具有区域和时间上的局限，难以在其他地区或时间上精确反演悬浮物浓度和反映悬浮物的实时变化。一般情况下，水体悬浮物实测样本都较为缺乏，要想获取研究区各个时间段的悬浮物实测数据也是不现实的。

本文针对这种情况，基于Crosta方法和 LandsatTM数据，从宏观角度出发对珠江口水体总悬浮物的遥感异常信息进行提取，以期能为珠江口水体悬浮物的空间分布和时空变化特征的研究提供数据上的支撑。

2研究区概况

珠江口位于东经102°～115°和北纬21°～26°之间，属于典型的亚热带季风气候区。因受亚热带季风气候的影响，珠江口的人海水沙表现出明显的季节变化，丰水期（4～9月）来水来沙量占全年的78%～82% 。

珠江口的来水来沙主要由珠江的三大支流汇集而成，分别为西江、北江和东江。人海口由八大口门组成，分别为虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门。因此，珠江口有“三江汇流、八口人海”的特征。

3数据源与预处理

3.1数据源

Landsat自从发射以来，就在全球范围内积累了大量的中分辨率遥感影像数据，因此本文选择 LandsatTM为数据源进行水体悬浮物遥感异常信息的提取。本次研究选取的Landsat TM的行列号为123/044，时相为2003年10月17日。Landsat TM1、2、3、4、5和7波段的空间分辨率为30m，6波段为60m。为了对提取的水体总悬浮物遥感异常信息进行验证，本文选择了与 Landsat TM对应日期的MERIS二级产品的总懸浮物浓度数据作为验证数据。

3.2遥感数据预处理

水体反射光谱信息属于弱信息，因此必须经过大气校正去除大气散射和吸收的影响。大气校正采用基于辐射传输模型的FLAASH大气校正。为了更好的提取水体悬浮物信息，对 Landsat TM影像进行水陆分离，该操作采用Fmask算法。下载得到的MERIS二级产品经过投影转换，提取得到珠江口MERIS总悬浮物浓度数据。

4基于Crosta方法的水体总悬浮物遥感异常信息提取

4.1Crosta方法简介

Crosta方法主要应用于遥感蚀变异常信息的提取中。1989年，Crosta提出了以主成分分析法进行铁染泥化异常信息提取的Crosta方法，并在巴西MinaisGerais地区利用 Landsat TM数据成功提取了该地区的铁染异常和泥化异常信息。该方法主要通过TM1、TM3、TM4、TM5和TM1、TM4、TM5、TM7两组波段组合的主成分分析提取铁染和羟基异常信息。

利用TM1、TM3、TM4、TM5波段组合进行PCA提取铁染异常信息的判断准则是：构成该主成分的特征向量TM3的载荷系数与TM1和TM4的系数符号相反，TM3 -般与TM5系数符号相同。依据有关地物的光谱特征，铁染信息包含于符合这一判断准则的主分量内，将该主分量称之为铁染异常主分量。

利用TM1、TM4、TM5、TM7波段组合进行PCA提取羟基异常信息的判断准则是：构成该主成分的特征向量TM5载荷系数应与TM7和TM4系数符合相反，TMl -般与TM5系数符号相同。依据有关地物的光谱特征，羟基信息包含于符合这一准则的朱分量内，将该主分量称之为羟基异常主分量。本研究即是基于以上Crosta方法的思想提取珠江口水体总悬浮物遥感异常信息。

4.2水体总悬浮物遥感异常提取的理论依据

根据前人研究结果可知，不同含量和类别的水质参数的水体光谱特征迥异.可以通过遥感影像的光谱反射率定性和定量研究不同类型和含量的水质参数。在可见光和近红外波段（ 0.4--1.1μm），水体的反射率总体较小，清洁水体的反射率随波长增加而减小，至0.76μm处水体的反射率基本为0。而水中含有颗粒状悬浮泥沙时会直接影响水体透明度、浑浊度、水色等光学性质。水中的悬浮泥沙由于其散射能力较强，吸收能力较弱，使得可见光至近红外波段的反射率明显增加，并分别于580nm（TM2）和810nm（TM4）附近形成反射峰。韩震等对悬浮泥沙与光谱反射率之间的相关关系的研究表明，在可见光一近红外波段，悬浮泥沙水体与光谱反射率之间均有良好的相关关系，反射率在400--570nm较低，570～650nm以后的红波段及近红外波段，反射率逐步增大。水体悬浮物的这种特有光谱特性，使得利用遥感影像数据提取水体悬浮物遥感异常信息成为可能。

4.3珠江口水体总悬浮物遥感异常信息提取

本研究根据水体中不同类别和含量的污染物质对光谱反射率的差异，基于Crosta法，即主成分分析法.将其分离成几个互不相关的变量（不同类别的污染物质）。分解得到的特定主成分代表一组光谱的某个特征，这种特征体现在该主成分的载荷系数上。研究将通过分析不同主成分的载荷系数和不同类型水质参数的光谱反射率特征，解释不同主成分涵盖的水质参数意义。将确定反映水体总悬浮物遥感异常信息的主成分选择出来，并对反映珠江口水体总悬浮物遥感异常的信息进行阈值分级处理，赋以不同颜色，获得分级异常图。

通过以上分析可知，水体悬浮物在可见光一近红外波段范围水体反射光谱特征最为显著，并且具有明显的双峰特性。因此，我们选择两组波段组合进行水体总悬浮物遥感异常信息的提取，并且对提取结果进行对比分析。两组波段组合分别为TM1、TM2、TM3、TM4和TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7。波段组合TM1、TM2、TM3、TM4仅包含可见光一近红外波段。而波段组合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7加入反映黏土矿物吸收和反射特性的TM5和TM7波段，用以提取水体悬浮物中所包含的黏土矿物等信息。两波段组合主成分分析特征向量表分别见表1和2。

由表1可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，载荷系数分别为0.59797和0.674209，且符号为正.与水体悬浮物在该波段范围具有反射特征相一致。但是TM4波段对PC1的贡献相对较小，这与水体悬浮物在TM4波段反射峰特征不吻合。已有研究表明，TM4波段对高浓度悬浮泥沙较为敏感，本研究选择的LandsatTM影像日期珠江口悬浮物浓度可能并不是很高。另外，刘汾汾等对珠江口悬浮泥沙的定量研究表明，绿光和红光波段能够较好的反演低浓度的悬浮泥沙浓度。这与PCl主要反映TM2和TM3波段的信息是相吻合的。因此，可以判定PC1可以作为水体总悬浮物遥感异常信息的指示分量。其他3个主成分的载荷系数与水体悬浮物的反射光谱特性不吻合。

由表2可知，PC1主要反映TM2和TM3波段的信息，载荷系数分别为0.59377和0.672413，且符号为正，与水体悬浮物在该波段范围具有反射特征相一致。TM4波段的贡献与波段组合TM1、TM2、TM3、TM4主成分分析PC1的贡献基本一样，分别为0.278804和0.285005。TM5和TM7波段对PC1都具有微弱的贡献，载荷系数分别为0.059941和0.044451，这说明该PC1主分量能够涵盖一些水体悬浮物中的黏土矿物等组分。需要指出的是，PC1主分量所有波段的载荷系数均为正，这与水体悬浮物在水体中的反射光譜特性相吻合。因此可以判定PC1主分量可以作为水体总悬浮物遥感异常信息的指示分量。

水体悬浮物遥感异常信息阈值分级借鉴张玉君等利用ETM+（TM）影像提取矿物蚀变信息的分级标准。本研究采用K倍标准差的方法对水体悬浮物遥感异常信息进行分级，以K取2.0、2.5、3作为阈值，限定异常水平，对异常进行分割处理，赋以不同颜色，获得水体悬浮物遥感异常分级图，如图1和图2所示。一级总悬浮物异常表示总悬浮物浓度最低，四级总悬浮异常表示总悬浮物浓度最高。与 Landsat TM日期相一致的MERIS二级产品总悬浮物浓度空间分布如图3所示。

从上述两组波段组合提取到的水体总悬浮物遥感异常信息分布图和MERIS总悬浮物浓度对比来看，通过Crosta方法提取的水体总悬浮物遥感异常信息与珠江口总悬浮物的空间分布特征吻合较好。水体总悬浮物遥感异常信息图和MERIS总悬浮物浓度分布图均呈现出西岸高、中间海槽低、东岸近海区域偏高的格局，这与珠江口海域水体悬浮物主要以陆源为主的特征相符。另外，珠江口海域的水体总悬浮物浓度呈现出由东北向西南的条带状分布，珠江口西岸形成总悬浮物浓度的相对高值带。受到季节性降水和潮流的影响，珠江口西岸的高浓度悬浮物逐渐向外海扩散，因此，珠江口海域的水体总悬浮物浓度具有明显的季节变化特征。

5水体总悬浮物遥感异常信息验证

为了验证Crosta方法提取到的水体总悬浮物遥感异常信息，在珠江口随机选择了一些样本数据，分别提取与PC1和MERIS相对应的像素值，并且计算了两者之间的相关关系和建立了PC1与MERIS总悬浮物浓度之间的拟合回归方程（图4、图5）。为了方便计算和分析，PC1全部转换到0～255。波段组合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1与MERIS总悬浮物浓度之间的相关关系为0.93。波段组合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7的主成分PC1与MERIS总悬浮物浓度之间的相关关系系数为0.91。从相关关系系数和拟合回归方程的决定系数来看，波段组合TM1、TM2、TM3、TM4的主成分PC1与珠江口总悬浮物浓度的空间分布特征最吻合，能够解释86%的MERIS总悬浮物浓度的方差信息。波段组合TM1、TM2、TM3、TM4、TM5和TM7与珠江口总悬浮物浓度的相关性稍差一点，但这并不影响PC1可以作为水体总悬浮物遥感异常信息的指示分量。

6结论

将Landsat TM影像经过大气校正和水陆分离后，利用Crosta方法，结合水体悬浮物典型光谱特征，利用波段组合TM1、TM2、TM3、TM4和Ml、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7的主成分分析提取的PC1能够很好的反映水体总悬浮物的遥感异常信息。与MERIS总悬浮物浓度产品的验证结果表示，PC1主分量与MERIS总悬浮物浓度的拟合效果很好。该研究结果可以为缺乏实测数据的内陆水体区域提供一种新的研究水体总悬浮物浓度的思路。利用长时间序列的LandsatTM影像数据，可从宏观角度研究内陆水体总悬浮物浓度的时空分布和变化规律等。