基于無人機(jī)高光譜的長江口北港表層懸浮泥沙濃度潮周期監(jiān)測研究

引言

懸浮泥沙濃度不僅直接影響河口水體的透明度、濁度等光學(xué)性質(zhì)，同時對河口的沖淤變化、沿海地區(qū)的水土保持也產(chǎn)生影響，高懸浮泥沙濃度還會降低浮游植物生產(chǎn)力，從而影響整個生態(tài)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場收集 SSC 樣本的方法耗時、 費(fèi)力且空間連續(xù)性不足。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)定量反演表層懸浮泥沙濃度成為懸浮泥沙監(jiān)測的一種重要方法。

研究區(qū)概況

長江全長大約有6300km，是我國第一大長河，起源于青藏高原，自西向東流經(jīng)的省、市、自治區(qū)共有19個，最終匯入東海。長江河口具有豐富的水沙來源， 據(jù)大通水文觀測站數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每年由長江河口輸送到海洋的泥沙高達(dá)幾億噸。長江河口根據(jù)水動力環(huán)境和區(qū)域形態(tài)特點(diǎn)，可以劃分為上、中、下三段。江陰到徐六涇區(qū)域?yàn)樯虾涌冢饕艿綇搅髯饔玫目刂?，徐六涇到口門范圍內(nèi)都屬于河口 中段，徑流和潮汐的混合作用使水動力環(huán)境復(fù)雜，口門至近海區(qū)域?yàn)楹涌谙露危?海洋作用的影響占主導(dǎo)地位。長江河口自徐六涇以下分成南、北支。其中，南支流經(jīng)長興島時又分為南、 北港，南港流經(jīng)九段沙時形成南、北槽，最終呈現(xiàn)出“三級分汊，四口入?！钡?形態(tài)。長江口北港區(qū)域從崇明南堡鎮(zhèn)到佘山，全段長度大約 70km，屬于長江河口的第二級分汊口，也是長江口至關(guān)重要的水上運(yùn)輸航道。北港是長江流域內(nèi)水沙進(jìn)入海洋的重要通道，長久以來的分流、分沙比重都超過 50%。北港河道的上半部分靠近青草沙水庫，下段河道在長江口最大渾濁帶的北面。本研究選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于北港河道的中下段（圖 1 中紅色方框），該區(qū)域?qū)儆诤雍＝换サ倪^渡地帶，不僅受到徑流作用的影響，也受到潮汐作用控制。因此，選擇此區(qū)域作為長江河口的典型區(qū)域，開展基于無人機(jī)高光譜的表層懸浮泥沙濃度反演研究實(shí)驗(yàn)。

圖1 研究區(qū)域

2.1 數(shù)據(jù)獲取

2020 年 9 月 20 日（豐水期）、2021 年 4 月 21 日（枯水期）分別在長江口北港實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)開展了基于無人機(jī)高光譜的 SSSC 變化監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究。采集了不同時期的高光譜影像以及 SSSC 同步觀測數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)采集

進(jìn)行無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)獲取的同時，在無人機(jī)的飛行航線內(nèi)，采用船只走航采樣的方式提取水體樣本，用于測定表層懸浮泥沙濃度參數(shù)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，水體樣本的采集時間與無人機(jī)高光譜影像數(shù)據(jù)的獲取時間間隔不超過 0.5 小時。二類水體水質(zhì)樣本采集，要求取水面以下0.5m深處的水體，為了避免采集工具對樣品的干擾，實(shí)驗(yàn)采用的取水器是不銹鋼材質(zhì)的杯式定深水體樣本采集器。

實(shí)驗(yàn)過程中，在每一個采樣點(diǎn)使用采樣器對水面至水下 50cm 的水柱進(jìn)行表層取樣，并按采集的先后順序?qū)Σ蓸狱c(diǎn)進(jìn)行逐一編號。水樣統(tǒng)一使用容量為1L的標(biāo)準(zhǔn)采樣瓶收集，并貼上標(biāo)簽放置于陰涼處。在每次采集水樣的同時，使用GPS記錄采樣點(diǎn)的精確坐標(biāo)。2020 年 9 月 20 日，共獲取了 75 個現(xiàn)場實(shí)測表層懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)。2021 年 4 月 21 日，共獲取 60 個同步采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。

長江口北港多時期不同潮情 SSSC 變化分析

3.1 豐水期不同潮情 SSSC 反演結(jié)果與分析

利用基于無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)建立的長江口北港河段豐水期表層懸浮泥沙濃度 PCA-BP 反演模型，對 2020 年 9 月 20 日 10:00、13:00、14:00 獲取的 3 個不同時 段的無人機(jī)高光譜影像進(jìn)行反演，結(jié)果如圖 2所示。可以看出，隨著時間的變化，SSSC 的空間分布也在不斷變化。

圖2 豐水期SSSC反演結(jié)果

為了研究不同時段 SSSC 動態(tài)變化與潮汐作用之間的關(guān)系，從中國海事服務(wù) 網(wǎng)查詢了 2020 年 9 月 20 日距離實(shí)驗(yàn)區(qū)域最近的崇明南堡鎮(zhèn)監(jiān)測站的潮汐周期變 化表，如圖 3所示，其中陰影部分表示的是開展實(shí)驗(yàn)的時間段。從圖3可知， 10:00 即圖中 A 點(diǎn)對應(yīng)的是落憩狀態(tài)、13:00、14:00 即圖中 B、C 點(diǎn)，分別是漲潮、 漲憩狀。

圖32020年9月20日崇明南堡鎮(zhèn)潮汐變化曲線

對豐水期 SSSC 反演結(jié)果圖的像元值進(jìn)行統(tǒng)計分析，表 1中列出了各時段反 演結(jié)果的最大、最小值及平均值。圖 4是每個時間點(diǎn) SSSC 反演結(jié)果的像元頻數(shù) 統(tǒng)計曲線。結(jié)合表1和圖4發(fā)現(xiàn)，10:00落憩時刻 SSSC在 19.86~328.21mg/L范圍內(nèi)， 多數(shù)處于 180.12mg/L 附近，平均值為 184.43mg/L。13:00 漲潮時刻的 SSSC 在 39.99~451.68mg/L 之間，濃度為 197.61mg/L 的像元數(shù)最多，計算得到平均 SSSC 為 230.81mg/L。14:00 漲憩時刻統(tǒng)計結(jié)果顯示，SSSC 范圍為 57.34~332.11mg/L， 像元數(shù)最多的 SSSC 值是 263.91mg/L，SSSC 平均值為 250.05mg/L。

表 1 豐水期 SSSC 反演結(jié)果統(tǒng)計

圖 4豐水期 SSSC 反演結(jié)果像元頻數(shù)統(tǒng)計曲線

為了進(jìn)一步分析不同時段 SSSC 的分布情況，將 SSSC 反演結(jié)果劃分為 <100mg/L、100~200mg/L、200~300mg/L 以及>300mg/L 的 4 個不同濃度區(qū)間。分 別統(tǒng)計了不同時段 SSSC 在對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)占總像元數(shù)的百分比，結(jié)果如圖 5所示。10:00 落憩時刻 SSSC 多數(shù)處于 100~200mg/L 范圍內(nèi)，占像元總數(shù)的 72.41%，SSSC在 200~300mg/L區(qū)間內(nèi)占比為 27.23%，在<100mg/L以及>300mg/L 的濃度范圍內(nèi)占比均小于 1%。13:00 漲潮的 SSSC 在 100~200mg/L、200~300mg/L 區(qū)間內(nèi)分布比較均勻，像元數(shù)占總數(shù)的比例分別為 41.04% 、 41.56% ， SSSC>300mg/L 的像元數(shù)占比為 17.30%，<100mg/L 的像元不到 0.1%。14:00 漲憩 的 SSSC 集中在 200~300mg/L 范圍內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)量為像元總數(shù)的 97.96%， 100~200mg/L區(qū)間內(nèi)的像元值占 1.80%，<100mg/L以及>300mg/L的濃度范圍內(nèi)的 像元占比均小于 1%。

圖 5豐水期不同時段SSSC區(qū)間統(tǒng)計

為了進(jìn)一步研究不同潮情 SSSC 的變化趨勢，將反演結(jié)果以離岸距離為橫軸， SSSC為縱軸進(jìn)行展開，得到的斷面圖如圖6所示。圖中藍(lán)色曲線對應(yīng)的是10:00 落憩時刻，黃色曲線表示的是 13:00 漲潮時刻，紅色曲線是 14:00 漲憩狀態(tài)下的斷 面。從圖 6來看，隨著離岸距離的增加，落憩時刻的 SSSC 整體上呈現(xiàn)先增后減 的趨勢，漲憩時刻的 SSSC 曲線先下降再上升，最后穩(wěn)定在 250mg/L 左右，且落 憩時刻的 SSSC 始終低于漲憩時刻。而漲潮時段的 SSSC 斷面則表現(xiàn)出較大的波 動，SSSC 最低在 120mg/L 左右，最高接近 400mg/L，這可能是由于漲潮時刻流速 大且變化迅速，攜帶大量泥沙倒灌，同時造成底部泥沙的再懸浮。

圖 6豐水期不同時段 SSSC 變化曲線

3.2枯水期不同潮情SSSC反演結(jié)果與分析

同樣地，利用基于 PCA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的枯水期 SSSC 反演模型，對 2021 年 4 月 21 日 14:30、15:30、16:30 獲取的 3 個不同時段的無人機(jī)高光譜影像進(jìn)行反 演，結(jié)果如圖 7所示。

圖 7 枯水期 SSSC 反演結(jié)果

圖 8是從中國海事服務(wù)網(wǎng)獲取的 2021 年 4 月 21 日崇明南堡鎮(zhèn)監(jiān)測站的潮汐 周期變化曲線，圖中陰影區(qū)域表示的是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的時間段。由圖 8可 知，14:30 即圖中 D 點(diǎn)處于落憩狀態(tài)，15:30、16:30 即 E、F 點(diǎn)均是漲潮狀態(tài)。

圖 82021 年 4 月 21 日崇明南堡鎮(zhèn)潮汐變化曲線

分別統(tǒng)計了枯水期 3 個時段 SSSC 反演結(jié)果的最大值、最小值及平均值，結(jié) 果見表 2。圖 9是每個時間點(diǎn) SSSC 的像元頻數(shù)統(tǒng)計曲線。由表 2和圖 9可知，枯水期 14:30 落憩時刻 SSSC 在 17.02~69.79mg/L 之 間，多數(shù)處于 35.77mg/L 附近，平均值為 36.52mg/L。15:30 漲潮時刻的 SSSC 在 17.63~125.43mg/L 范圍內(nèi)，濃度為 40.17mg/L 的像元數(shù)最多，計算得到平均 SSSC 為 44.58mg/L。15:30漲潮時刻統(tǒng)計結(jié)果顯示，SSSC范圍為 20.40~142.84mg/L，像 元數(shù)最多的 SSSC 值是 44.74mg/L，SSSC 反演平均值為 50.60mg/L。

表 2枯水期 SSSC 反演結(jié)果統(tǒng)計

圖 9枯水期 SSSC反演結(jié)果像元頻數(shù)統(tǒng)計曲線

為了進(jìn)一步分析枯水期不同時段 SSSC 的分布情況，將 SSSC 反演結(jié)果劃分為 <30mg/L、30~50mg/L、50~80mg/L 以及>80mg/L 的 4 個不同濃度區(qū)間。統(tǒng)計了 3 個不同時段的 SSSC 在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)占像元總數(shù)的概率，結(jié)果如圖 9所示。14:30 落憩時段的 SSSC 都集中在 30~50mg/L 濃度范圍內(nèi)，所占比重達(dá)到 97.50%，<30mg/L 的 SSSC 占總數(shù)的 2.49%，50~80mg/L 區(qū)間內(nèi)的 SSSC 不足 0.1%， 沒有>80mg/L 的反演值。15:30 漲潮的 SSSC 大多數(shù)都在 30~50mg/L 范圍內(nèi)，占比 為 79.40%，在 50~80mg/L 范圍內(nèi)占比為 17.49%，>80mg/L 的僅為 2.58%， <30mg/L 的 SSSC 小于 1%。16:30 漲潮的 SSSC 在 30~50mg/L 區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)占總 數(shù)的 59.46%，在 50~80mg/L 范圍內(nèi)的占 38.47%，>80mg/L 的像元數(shù)占 1.96%， <30mg/L 的只有不到 1%。

圖 10 枯水期不同時段 SSSC 區(qū)間統(tǒng)計

圖 11是枯水期不同潮情下，隨著離岸距離的增加，SSSC 的變化曲線。藍(lán) 色曲線對應(yīng)的是 14:30 的落憩狀態(tài)，黃色曲線是 15:30 漲潮初始階段，紅色曲線對 應(yīng)的是 16:30 的漲潮時刻。從整體上來看，隨著離岸距離的增加，不同潮情下的 SSSC 均先降低，然后逐漸趨于平穩(wěn)，在小范圍內(nèi)上下波動。其中，落憩時刻潮 高為 140cm，SSSC 最低，基本穩(wěn)定在 33mg/L，漲潮初始時段，潮高為 147cm 時， SSSC 略高于落憩時刻，離岸 1km 后在 45mg/L 上下浮動，當(dāng)潮位上漲到 163cm 時， SSSC 也逐漸增加，最終在 50-60mg/L 之間波動。

圖 11 枯水期不同時段 SSSC 變化曲線

3.3不同時期 SSSC 反演結(jié)果對比分析

將豐水期、枯水期 SSSC 反演結(jié)果進(jìn)行對比，圖 12和圖 13分別是落憩、 漲潮狀態(tài)下，2 個時期的 SSSC 對比圖，可以看出，在不同潮情下，豐水期的 SSSC 均高于枯水期。這可能是受到不同季節(jié)，長江徑流量之間差異的影響。根據(jù)大通站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020 年 9 月長江口徑流量為 1353 億立方米，2021 年 4 月 的徑流量為 686.9 億立方米（數(shù)據(jù)來源于長江泥沙公報）。豐水期徑流量約為枯 水期的 2 倍，攜帶的泥沙量也大量增加，使得豐水期 SSSC 遠(yuǎn)高于枯水期。

圖 12不同時期落憩狀態(tài) SSSC 對比

圖 13 不同時期漲潮狀態(tài) SSSC 對比

3.4不同時期不同潮情實(shí)測斷面數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證 SSSC 高光譜反演結(jié)果的可靠性，分析了實(shí)驗(yàn)當(dāng)天獲取的 SSSC 實(shí)測斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)。將不同時刻采集的 SSSC 按照離岸距離進(jìn)行展開，圖 14 是豐水期落憩、漲潮、漲憩時刻實(shí)測的數(shù)據(jù)點(diǎn)斷面圖，可以看到，落憩和漲憩時 刻的 SSSC 波動較小，且漲憩狀態(tài)的 SSSC 整體上高于落憩，而漲潮時段的 SSSC 在 50~350mg/L 范圍內(nèi)有較大的波動。這與無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)的反演結(jié)果是一致的。

圖 14 豐水期實(shí)測 SSSC 斷面圖

圖 15是枯水期獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)斷面圖，可以看出，隨著離岸距離的增加， SSSC 均呈現(xiàn)降低的趨勢。落憩時刻 SSSC 最低，隨著潮位的增加，SSSC 也隨之 增加。這與無人機(jī)高光譜反演結(jié)果得出的規(guī)律也是相符的。

圖15 枯水期實(shí)測 SSSC 斷面圖

從不同時期 SSSC 實(shí)測數(shù)據(jù)斷面對比圖（圖 16、圖 17）可以知道，豐水 期的 SSSC 在落憩、漲潮時刻都要高于枯水期，與反演結(jié)果具有一致性。

圖 16不同時期落憩狀態(tài) SSSC 實(shí)測斷面圖

圖 17 不同時期漲潮狀態(tài) SSSC 實(shí)測斷面圖

結(jié)論

選取長江口北港中下段為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，在豐水期、枯水期不同時間段內(nèi)開 展了 2 次基于無人機(jī)高光譜的 SSSC 潮周期變化監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。采集了高光譜影像數(shù) 據(jù)和現(xiàn)場同步觀測數(shù)據(jù)，并利用上一章中建立的 PCA-BP 模型對 SSSC 進(jìn)行了反 演，分析了不同時期的 SSSC 變化。結(jié)果表明：（1）豐水期，落憩狀態(tài)下的 SSSC 低于漲潮和漲憩時刻，漲潮時的 SSSC 變化比較明顯，而落憩、漲憩時刻 SSSC比較平穩(wěn)。（2）枯水期，隨著離岸距離的增加，SSSC逐漸降低，落憩時刻 的 SSSC 低于漲潮時刻。（3）在不同潮情下，豐水期的 SSSC 均高于枯水期。且 無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)的反演結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)具有一致性。

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審核編輯 黃宇