基于高分1号遥感数据港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙分布的影响

刘大召，李 卓，陈仔豪，程永存

基于高分1号遥感数据港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙分布的影响

刘大召1,2，李 卓2，陈仔豪2，程永存3

（1.南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江）南海资源大数据中心//2. 广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088；3. 航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100195）

【】研究港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙分布的影响。利用2019年冬季珠江口海域的出海调查数据和高分1号卫星遥感数据，建立珠江口海域悬浮泥沙的遥感反演模型，分析大桥对悬浮泥沙空间分布的影响。高分1号卫星的4个波段中，第4波段与悬浮泥沙浓度的确定系数最高，线性模型的确定系数达到0.58，而4波段组合模型的效果最好，确定系数可以达到0.74；大桥对悬浮泥沙的输运有比较明显阻滞作用，大桥两侧悬浮泥沙浓度的差值最高达7 mg/L。港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙的空间分布有比较明显的影响。

珠江口；高分1号；悬浮泥沙；遥感

悬浮泥沙输运是河口海域自然调整中的关键问题，入海泥沙通量直接对河口海岸地区滩地围垦、渔业生产、水资源、河口海岸工程和航道工程等产生影响；同时，细颗粒悬浮泥沙又是污染物的重要载体，泥沙输运对污染物的迁移和循环也起重要作用。因此，对河口区域悬浮泥沙的分布和输运规律进行认真而细致的理论研究，充分揭示其内部运动规律，不仅可以为河口区潜在的地貌演变等提供分析依据，而且对保护河口海域的海洋生态环境也有着深刻而重要的意义。

遥感是进行悬浮泥沙监测的一种重要手段，较多学者选择珠江口作为研究区域，利用遥感手段对悬浮泥沙空间分布进行分析，一部分学者利用遥感数据建立珠江口海域悬浮泥沙的遥感反演模式[1-6]，也有学者利用长时间序列遥感数据分析珠江口海域悬浮泥沙的时空分布变化[7-10]。

国内已有学者研究了杭州湾跨海大桥对杭州湾海域悬浮泥沙的空间分布的影响，研究结果表明，杭州湾大桥两侧的悬浮泥沙浓度呈现出一定的梯度特征，表现为大桥上游浓度高，下游浓度相对较低[11-12]。港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，横跨珠江口伶仃洋海域，全长55 km，是世界最长的跨海大桥，于2018年10月建成投入使用，目前还没基于遥感数据的大桥对实际工程海域影响的研究报道。本研究利用2019年冬季港珠澳大桥海域的海上调查数据和高分一号遥感数据研究大桥对珠江口海域悬浮泥沙空间分布的影响，掌握大桥对珠江口海域悬浮泥沙空间分布影响的范围及程度，为深入研究大桥对海洋环境的影响提供基础。

1 研究区域及实验方案

珠江口是一个复合型的三角洲，由西、北江三角洲，东江角洲及独流入海的潭江等小河组合而成，面积约为2.68万km2。在长期径流、潮流与径流挟沙的作用下，河汊密如蛛网，水乡四通八达，形成“三江汇集，八口分流”的珠江尾闾的复杂形状[6]。珠江河口区是一个动力过程极其复杂的系统。在径流、潮汐、季风、沿岸流和南海暖流等综合作用下，形成珠江径流、珠江口冲淡水（由外海水与上游淡水在河口地区相互掺混后形成）和外海水团3种不同性质水团。该地区人口密布、经济高度发达，随着经济快速发展，强烈的人类活动影响通过河口地区向近海传递，引起诸如富营养化、赤潮、生物多样性减少、海岸侵蚀、海水入侵、入海物质变化规律失调等一系列严重的环境和生态问题。对珠江口悬浮泥沙输运规律研究是认识河口地区环境演变规律的基础，并将为珠江口综合整治提供科学依据。

本研究区域为港珠澳大桥附近海域，相关站位设置如图1所示。2020年1月15－16日组织了针对港珠澳大桥附近海域的海上调查航次，监测内容主要包括：CTD测量水温、盐度、水深；光谱仪对海水表观光学量进行现场测量；水质仪测量水深、水温、盐度、溶解氧、压强、PH、黄色物质吸收系数、悬浮物浓度、叶绿素浓度；后向散射仪测量海水的后向散射系数；实验室分析叶绿素-a浓度、悬浮泥沙浓度。

图1 研究区域及站位设置

在本研究中，水体遥感反射率的测量采用的是水面以上测量法，仪器是 KOT_CruiseAOP走航式水体表观光谱观测系统，实物见图2。

图2 走航式水体表观光谱观测系统实物

KOT_CruiseAOP有3个通道，分别测量天空光漫反射辐亮度，海面入射的辐亮度和水体的离水辐亮度，3个通道同步进行测量。KOT_CruiseAOP系统中的观测几何智能调整平台，采用了自稳设计、能够智能调整观测几何，利用GPS 的位置和时间信息得到该位置的天顶角，结合姿态传感器和平台实现对传感器进行全方位转动的控制，实现精确控制传感器所需的测量角度，从而达到智能调整观测的作用。结合摄像头平行记录所测环境，利用实时拍摄的照片判别耀斑、浪花等干扰，有效辨别异常数据，可以进一步提高实测数据的准确度。

利用三通道的水面之上测量法，可通过公式推导出水体的遥感反射率，

rs= (w-sky)/s，

其中，w为离水辐亮度，sky为天空光辐亮度，为气-水界面对天空光的反射系数，s为海面入射辐亮度。

本研究悬浮泥浓度采用过滤称重法进行测量，根据海洋监测规范海水分析部分的悬浮物浓度测量方法，即现场采集水样并过滤，将滤膜带回实验室采用质量法进行测量。

2 数据和方法

2.1 遥感数据

本研究采用高分一号影像数据，其空间分辨率高，遥感视场广阔，并且通过多个相机的组合，可达到大面积观测的目的等，具体有效载荷参数如表1所示。采用的是2019年10月2号的PMS1数据（影像号：GF1_PMS1_E113.7_N22.2_20191002_L1A0004280161和GF1_PMS1_E113. 8_ N22.4_20191002_L1A000428），两景影像云量稀少，成像清晰，易于进行悬浮泥沙浓度的遥感反演。

表1 高分一号有效载荷参数

2.2 遥感专题图的制作

生成遥感专题图的技术路线如图3所示。主要包括以下几个过程：辐射定标、大气校正、选择运算模型、波段运算、分组绘制类别、条带渲染、添加出图元素、设置出图分辨率进行输出等过程，其中前6步在envi5.3进行处理，最后两步在arcgis9.3中进行处理。其中辐射定标利用GF-1的ENVI插件自动完成；大气校正采用ENVI自带Flaash大气校正模块进行，设置相关大气参数，遥感数据的参数；在ENVI中利用建立的悬浮泥沙的遥感反演模型，采用波段运算方法的悬浮泥沙的遥感分布图，根据悬浮泥沙浓度的实际情况，选择合适分组标准，对遥感分布图进行密度分割，并选择合适的条带进行渲染；最后将遥感图导入到arcgis中，添加经纬度、比例尺、指北针等制图元素，选择合适的分辨率输出遥感专题图。

图3 遥感数据处理技术路线

3 结果与分析

3.1 光谱数据

图4可见，320 nm至580 nm范围，随着波长增加，遥感反射率呈线性增长，形成左侧反射肩，580 nm左右达到最大值；580 nm至700 nm，随着波长增加，遥感反射率缓慢下降，形成一个反射台；700 nm至720 nm，随着波长增加，遥感反射率快速下降，形成右侧反射肩；720 nm以后，随着波长增加，遥感反射率呈缓慢下降趋势，除个别站位外，遥感反射率的值整体较低。2肩1平台的光谱特征与前人对珠江口海域光谱特征的研究结果非常吻合[4]。本研究中810 nm附近悬浮泥沙形成的第二反射峰不明显，这可能是因为本次出海调查实验是在冬季进行，所有站点的悬浮泥沙浓度都偏低。

图4 研究区域海水光谱

3.2 悬浮泥沙遥感反演模型

遥感反演模型的建立是遥感反演悬浮泥沙浓度中非常重要的一个环节。在分析水体光谱特征的基础上，结合高分一号卫星传感器的波段设置和各个波段的响应函数，利用实测光谱数据模拟传感器各个波段的光谱，从中选取对泥沙浓度响应敏感的波段或波段组合，建立波段或波段组合与水体悬浮泥沙浓度之间的统计回归遥感反演模型。珠江口冬季航次有27个站位的数据，为保证模型的可靠性，其中3/4的数据用来建模，剩余数据用来进行验证。最后对建立的所有模型进行评价，选取稳定性好、精度高的模型应用于相应的传感器数据，遥感反演研究区域悬浮泥沙浓度的分布，生成单轨的悬浮泥沙分布遥感图像产品。表2是高分1号4个波段与悬浮泥沙浓度的确定系数，可以看出随着波段波长的增加确定系数呈增大的趋势，以第4波段（中心波长：830 nm）与悬浮泥沙的确定系数最好，线性模型的确定系数达到0.58。通过不同波段的多种组合，可以减少一些环境因素的影响，提高反演精度，使结果更加合理，单个波段的反射率难以全面反映不同悬浮泥沙浓度的光谱信息[11]，因此，以B4为基础，考察了B4与其他波段组合模型的反演精度。主要波段组合及采用的模型如表3所示，可以看到波段组合从一定程度上可以提高模型的拟合效果，其中以4波段模型的效果最好，确定系数2可以达到0.74。

表2 珠江口单波段遥感反演模型的确定系数

表3 珠江口悬浮泥沙遥感反演模型汇总

鉴于4波段的线性模型和二次模型的相关性相关不明显，本研究选择4波段的线性模型作为珠江口海域的悬浮泥沙浓度的遥感反演模型，图5为本模型悬浮浓度实测数据和遥感反演数据的散点图。验证数据的选取按实测数据的分布情况，从小到大按均匀的间隔选取，本实验共25个实测数据，选择其中的6个数据作为验证数据，可以看出验证数据比较均匀的分布在拟合线的两侧。

图5 反演模型验证散点

3.3 悬浮泥沙的空间分布

从图6可以看到，悬浮泥沙浓度整体分布格局呈东北-西南走向的条带状分布，与珠江口海域西岸平行，向东南方向逐级降低[13]。受径流、潮流、波浪、沿岸流和陆架环流等影响，珠江口海域泥沙运移规律非常复杂，近岸区域泥沙主要向南和西南运移，这主要是珠江冲淡水受科氏力影响[14]，从而导致澳门与珠海口岸附近形成海域高浓度悬浮泥沙分布带。在珠江内东人工岛西侧有一条明显的低悬浮泥沙浓度窄带，这块区域分布着珠江的主航道-伶仃西航道，航道平均水深在10 m以上，悬浮泥沙受再悬浮的影响较小，因此，悬浮泥沙平均质量浓度在12 mg/L以下。从分布图可以看到尽管东西两个人工岛相距6.2 km，其间采用沉管，但还是可以看到，大桥两侧悬浮泥沙的空间分布仍然存在一定差异。珠江河口悬浮泥沙颗粒较细，风致水体表层与次表层的湍流混合可引发悬浮泥沙垂向输运，从而增大表层悬浮泥沙的浓度[15]。港珠澳大桥一共224个桥墩，桥塔7座，东西人工岛各长约625 m，珠江河口悬浮泥沙颗粒较细，容易受到大桥阻滞作用的影响，造成大桥上游（北侧）和下游（南侧）悬浮泥沙的空间分布有较大差异。

图6 2019年10月2日大桥附近悬浮泥沙的分布(GF1-PMS)

为分析大桥对悬浮泥沙的作用，沿河流的径向设置了4个断面，如图7所示。其中最左侧的第1断面位于珠江东岸的高浓度悬浮泥沙区域，由于受大桥阻滞作用的影响，上游海域悬浮泥沙的自组织能力增强，悬浮泥沙的质量浓度在23 ~ 26 mg/L区间范围内波动，而在大桥附近悬浮泥沙的质量浓度从25 mg/L跳变到18 mg/L，差值为7 mg/L；第2断面位于珠江青州航道海域，青州航道桥是港珠澳大桥项目中跨度最大的通航孔桥，跨度为458 m，而桥墩之间的跨度为110 m，相比较桥墩对悬浮泥沙空间分布的影响，青州通航孔桥的影响要小得多，大桥两侧悬浮泥沙浓度变化不大；第3断面位于珠江的主航道-伶仃西航道，可以看到悬浮泥沙的分布基本没有受到大桥影响，悬浮泥沙的质量浓度在11 mg/L左右波动；第4断面位于港珠澳大桥东人岛附近，东人岛东西宽度约625 m，对悬浮泥沙的空间分布有较大影响，大桥附近悬浮泥沙的浓度从15 mg/L跳变到12 mg/L，差值为3 mg/L，大桥上游 1 000 m与下游1 000 m的悬浮泥沙浓度的差值约为8 mg/L。

4 结论

本研究结合现场实测光谱数据、悬浮泥沙浓度数据和GF-1号卫星遥感数据，研究了港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙分布的影响，主要结论如下：

港珠澳大桥的存在从一定程度上阻滞了珠江口海域悬浮泥沙径向的输运，从而造成大桥两侧悬浮泥沙的空间分布有比较明显的差异。在珠江东部悬浮泥沙高浓度区和东人工岛附近，港珠澳大桥对悬浮泥沙的空间分布影响比较明显，存在大桥两侧悬浮泥沙浓度跳变的现象，大桥两侧悬浮泥沙浓度最大的差值为7 mg/L,而珠江的主航道和青州航道海域，港珠澳大桥对悬浮泥沙空间分布的影响较小。

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Influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the Distribution of Suspended Sediment in the Pearl River Estuary

LIU Da-zhao1,2, LI Zhuo2, CHEN Zi-hao2,CHEN Yong-cun3

（1.,//2.,,524088,; 3.,,100195,）

To study the influence of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge on the distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.Based on the investigation data of the Pearl River Estuary in winter 2019 and the remote sensing data of GF-1 satellite, the remote sensing inversion model of the suspended sediment in the Pearl River estuary is established, and the influence of the bridge on the spatial distribution of the suspended sediment is analyzed.Among the four bands of GF-1 satellite, the determination coefficient of band 4 and suspended sediment concentration is the highest, the determination coefficient of the linear model is 0.58, and the combination model of 4 bands is the best, the determination coefficient can be 0.74; the bridge has an obvious blocking effect on the transport of suspended sediment, and the highest difference of suspended sediment concentration on both sides of the bridge is 7 mg/L.The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge has some influence on the spatial distribution of suspended sediment in the Pearl River Estuary.

Pearl River Estuary;GF-1;suspended ediment;remote sensing

TP79

A

1673-9159（2020）06-0089-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.011

刘大召，李卓，陈仔豪，等. 基于高分1号遥感数据港珠澳大桥对珠江口海域悬浮泥沙分布的影响[J]. 广东海洋大学学报，2020，40（6）：89-95.

2020-06-22

南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江）资助项目（ZJW-2019-08）; 广东省级促进经济高质量发展专项（海洋经济发展，GDNRC[2020]050）

刘大召（1972－），男，博士，副教授，研究方向为海洋水色遥感。Email:llddz@163.com

（责任编辑：刘岭）