淀山湖微量水質(zhì)參數(shù)衛(wèi)星高光譜遙感估算

呂 航，馬蔚純，周立國(guó)，2，湯 琳，懷紅燕

（1.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433；2.遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101；3.上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海 200030）

遙感是一種高效的信息采集手段，具有分辨率高、范圍大、連續(xù)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在內(nèi)陸湖泊水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中具有很大的應(yīng)用潛力［1，2］.我國(guó)自行研究發(fā)射的HJ－1A衛(wèi)星攜帶超光譜成像儀（HSI）遙感器，能夠提供平均光譜分辨率為5nm的高光譜遙感數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提高反演精度提供了可能［3］.

隨著內(nèi)陸水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，內(nèi)陸二類(lèi)水體的水體成分變得復(fù)雜.總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、pH等主要水質(zhì)參數(shù)是影響內(nèi)陸水體質(zhì)量的主要參數(shù)指標(biāo).國(guó)內(nèi)外學(xué)者首先針對(duì)水體葉綠素α質(zhì)量濃度和懸浮泥沙濃度的遙感估算進(jìn)行了大量研究［4-7］，并建立了相應(yīng)的估算模型，主要包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］和生物光學(xué)模型［9，10］等，這些算法可以為水質(zhì)參數(shù)的定量遙感監(jiān)測(cè)提供參考［11-14］.近年來(lái)，更多學(xué)者逐漸關(guān)注二類(lèi)的水體中的微量水質(zhì)參數(shù)，探討水質(zhì)參數(shù)間的互相作用和協(xié)同監(jiān)測(cè)方法.王學(xué)軍等［15］利用TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)和主成分分析法，對(duì)太湖水體中溶解氧、生化需氧量等參數(shù)進(jìn)行定量分析.馬躍良等［16］選取9個(gè)珠江廣州河段監(jiān)測(cè)斷面，同樣利用TM遙感數(shù)據(jù)，對(duì)pH等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析.宋玲玲［17］則針對(duì)COD等水質(zhì)參數(shù)，建立了黃浦江上游水質(zhì)參數(shù)估算的數(shù)據(jù)模型.

本文針對(duì)常規(guī)水質(zhì)采樣中業(yè)務(wù)化例行的9個(gè)微量水質(zhì)參數(shù)，利用遙感高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)和同步水面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尋找水質(zhì)指標(biāo)與單波段反射率、不同波段之間反射率的比值以及不同波段之間反射率的差值之間的相關(guān)關(guān)系，找到最大相關(guān)性的特征波段和特征波段組合，研究線性模型和非線性模型等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木龋⒂盟媚Ｐ蛯?duì)水質(zhì)參數(shù)的濃度進(jìn)行估算.

1 數(shù)據(jù)源

1.1 淀山湖概況

淀山湖位于上海市西南角，青浦區(qū)西部，北緯30°59′～31°16′，東經(jīng)120°53′～121°17′，與江蘇省交界，面積62km2，最大深度3.59m，平均深度2.11m.淀山湖主要受納太湖流域來(lái)水，出水經(jīng)黃浦江流入長(zhǎng)江口至東海，沿湖進(jìn)出河流眾多，總計(jì)59條，主要進(jìn)水河有急水港、大朱庫(kù)、白石磯.淀山湖是上海市最大的淡水湖泊，也是上海市重要水源地，對(duì)上海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市民生命健康有重要影響.

淀山湖面臨富營(yíng)養(yǎng)化的威脅.2001～2007年淀山湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，淀山湖的水質(zhì)均未達(dá)到Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要超標(biāo)項(xiàng)目為氨氮、TP、TN、石油類(lèi)、高錳酸鹽指數(shù)、COD和BOD5，處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)［18］.湖泊中氮、磷負(fù)荷過(guò)大是造成湖泊富有養(yǎng)化的主要因素，磷是淀山湖水污染的主要因子.夏季水體溫度上升時(shí)，暴發(fā)藍(lán)藻水華，湖中心、湖東北區(qū)污染較為嚴(yán)重［19］.淀山湖目前的水質(zhì)狀況與其作為上海用水來(lái)源的地位是極不相稱(chēng)的［20］.因此，運(yùn)用高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)淀山湖水質(zhì)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)反演顯得尤其迫切.

1.2 實(shí)地采樣數(shù)據(jù)

2010年8月23日在淀山湖水域進(jìn)行了同步水質(zhì)采樣，共選取11個(gè)樣點(diǎn)，記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo).水樣由上海市青浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站測(cè)定，包括pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮等9個(gè)水質(zhì)參數(shù).pH、溶解氧為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其他參數(shù)帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定，測(cè)定結(jié)果的參數(shù)范圍見(jiàn)表1.根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，制成采樣點(diǎn)平面分布圖，如圖1所示.

圖1 淀山湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of water quality sampling points in Dianshan Lake

表1 實(shí)測(cè)淀山湖水質(zhì)參數(shù)變化范圍Tab.1 Ranges of water parameters measured from experiments in Dianshan Lake

1.3 遙感數(shù)據(jù)

HJ－1A衛(wèi)星搭載了CCD相機(jī)和超光譜成像儀HSI.HSI形成的圖像幅寬大于50km，地面像元分辨率為100m.本文采用的HSI光譜數(shù)據(jù)的成像時(shí)間為2010年8月23日，工作波段為459～956nm，波段數(shù)為115.采樣當(dāng)天淀山湖上空晴朗，有少數(shù)團(tuán)塊狀云散亂分布在湖面東南方和北方，湖面風(fēng)力小.對(duì)獲取的遙感數(shù)據(jù)分別進(jìn)行幾何校正和輻射校正，由于傳感器原因剔除圖像1～14波段，利用6S大氣校正技術(shù)對(duì)15～115波段，即波長(zhǎng)從491～956nm波段的圖像進(jìn)行大氣校正，并獲得101個(gè)波段的水體遙感反射率.

2 數(shù)據(jù)處理與分析

本文基于統(tǒng)計(jì)分析的方法，選擇對(duì)于內(nèi)陸水體實(shí)用性較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用?shí)驗(yàn)獲取的水質(zhì)參數(shù)的濃度與校正后的光譜反射率數(shù)據(jù)，通過(guò)分析各水質(zhì)參數(shù)與單波段反射率、不同波段之間反射率的比值和不同波段之間反射率的差值之間的相關(guān)關(guān)系，將水質(zhì)參數(shù)分成兩組討論，以便選擇各水質(zhì)參數(shù)的特征波段和波段組合.

2.1 各水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

對(duì)9個(gè)水質(zhì)參數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)pH與高錳酸鹽指數(shù)呈良好的正相關(guān)（r＝0.9），總磷與pH和高錳酸鹽指數(shù)正相關(guān)，氨氮與其他水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性不大，與總氮成正相關(guān).pH、高錳酸鹽指數(shù)、總磷三個(gè)水質(zhì)參數(shù)與總氮和氮的其他形式（除去氨氮）的水質(zhì)參數(shù)均呈負(fù)相關(guān).氮的幾種形態(tài)中，硝氮、硝酸鹽氮與總氮呈良好的正相關(guān)（r＞0.9）.

水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系間接表現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)間的變化機(jī)制.水溫在15～31℃時(shí)有利于藻類(lèi)的生長(zhǎng)，水溫隨季節(jié)而變化.8月份處于夏季藍(lán)藻高發(fā)期.8月23日當(dāng)天，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均水體溫度31℃.湖心北區(qū)、千墩港和趙田湖中心水體表層葉綠素濃度較高，湖心北區(qū)達(dá)到25mg／L.從本次淀山湖試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在低葉綠素濃度區(qū)域，總氮含量范圍較廣，總磷則表現(xiàn)低值，說(shuō)明總氮不是限制湖泊藻類(lèi)生長(zhǎng)的主要因素；水體葉綠素與總磷含量呈正相關(guān)，說(shuō)明總磷與藻類(lèi)生長(zhǎng)相關(guān)，而磷元素是藻類(lèi)生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，因此總磷可能是淀山湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子.當(dāng)外部磷元素通過(guò)徑流輸入湖泊，湖泊中的總磷濃度升高，湖泊中的藻類(lèi)因獲得磷元素而大量繁殖，湖泊中的葉綠素濃度升高，湖泊中的磷從可溶磷酸鹽的形式轉(zhuǎn)化為生物體有機(jī)物形式.湖泊內(nèi)藻類(lèi)迅速繁殖的初期，光合作用使得水體溶解氧濃度升高，表現(xiàn)出溶解氧濃度與葉綠素濃度正相關(guān).藍(lán)藻生長(zhǎng)區(qū)域的水體中含有大量生物體，增加了水體有機(jī)物含量，高錳酸鹽指數(shù)相應(yīng)增加.在藍(lán)藻暴發(fā)期間，藍(lán)藻大量繁殖，其呼吸作用使得水體的二氧化碳濃度升高，表現(xiàn)出pH與葉綠素濃度正相關(guān)［21，22］.

2.2 水質(zhì)參數(shù)與反射率單波段因子

將9個(gè)水質(zhì)參數(shù)分別與101個(gè)波段反射率值進(jìn)行相關(guān)分析，得到9條相關(guān)系數(shù)曲線.根據(jù)9條曲線線型的區(qū)別和聯(lián)系，將9個(gè)水質(zhì)參數(shù)分成2組：pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷；總氮、氨氮、硝氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮，如圖2，圖3所示.

pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷與反射率的相關(guān)系數(shù)曲線的波峰和波谷的變化有同步性.總氮和氮的各種形態(tài)水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)曲線的波峰和波谷的變化也有同步性.兩組水質(zhì)參數(shù)組內(nèi)參數(shù)間的相關(guān)性都很高.

溶解氧與反射率在700～930nm間反相關(guān)，在900nm處達(dá)到谷值，相關(guān)系數(shù)為－0.69；pH、高錳酸鹽指數(shù)和總磷與反射率在500～700nm間正相關(guān)，在716nm處達(dá)到峰值，其中總磷的相關(guān)系數(shù)為0.53.單波段因子的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值都未超過(guò)0.8，線性關(guān)系一般.因此單波段模型的誤差較大，反演實(shí)際意義不大.

總氮和氮的各種形態(tài)參數(shù)的單波段相關(guān)性在500nm附近達(dá)到谷值，與反射率呈負(fù)相關(guān)，其中總氮的相關(guān)系數(shù)為－0.68；在900nm附近達(dá)到峰值，與反射率成正相關(guān)，其中氨氮的相關(guān)系數(shù)為0.39，氨氮的單波段因子在整個(gè)波段范圍中的相關(guān)性一般，不適合單波段因子反演.總氮、硝氮等水質(zhì)參數(shù)的單波段因子在521nm左右的范圍與反射率有較好的相關(guān)性，但其精度仍然不夠高.

以總氮為例進(jìn)行單波段的擬合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示.用非線性模型進(jìn)行擬合，可以得到比線性模型精度稍高的結(jié)果.線性模型的決定系數(shù)R2為0.46，對(duì)數(shù)模型為0.56，三次多項(xiàng)式模型為0.60.

圖4 總氮在521nm單波段因子的回歸模型Fig.4 Regression model of TN in 521nm

2.3 水質(zhì)參數(shù)與反射率雙波段組合因子

單波段反射率在491～956nm上的分布具有一定趨勢(shì).部分波段處，單波段反射率呈現(xiàn)峰值或谷值，另一部分波段處，單波段反射率呈現(xiàn)水平趨勢(shì)或者連續(xù)震蕩趨勢(shì).利用單波段反射率在波段上的分布特點(diǎn)，利用雙波段組合因子可以突出水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，使得非特征波段和特征波段不重合的其他水質(zhì)參數(shù)的交叉影響所造成的誤差平均化和隨機(jī)化.同時(shí)，相除因子和相差因子都是突出水質(zhì)參數(shù)的光譜特征波段的有效運(yùn)算方法.光譜反射率的微分因子是反射率雙波段相差因子的子集，這里不做另外討論.因此選擇相除和相減兩種組合方式處理所選波段的反射率.

將波長(zhǎng)從491～956nm的所有波段反射率的相除和相減兩種組合因子與各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，得到水質(zhì)參數(shù)與各波段比值的相關(guān)系數(shù)分布圖.

由于氮的各種形態(tài)表現(xiàn)出與總氮類(lèi)似的相關(guān)系數(shù)分布，因此只給出總氮的相關(guān)系數(shù)分布圖作為代表.pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮五個(gè)水質(zhì)參數(shù)相除因子和相減因子的相關(guān)系數(shù)分布圖分別見(jiàn)圖5和圖6.

從圖5，6中可見(jiàn)，盡管特征波段組合的形式有差別，但基本原理一致，水質(zhì)參數(shù)與反射率波段相除因子（圖5（a）～5（e））及反射率波段差值因子（圖6（a）～6（e））的相關(guān)系數(shù)分布近似，實(shí)際的相關(guān)性上，波段差值因子總體上高于波段相除因子.

總磷、pH、高錳酸鹽指數(shù)和溶解氧的相關(guān)系數(shù)分布圖近似.分子波長(zhǎng)（B1）在680～690nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在635～645nm間具有小塊的相關(guān)性高值區(qū).分子波長(zhǎng)（B1）在710～740nm，760～820nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在850～920nm間具有塊狀的相關(guān)性高值帶，分母波長(zhǎng)（B2）在740～760nm間具有另一個(gè)的相關(guān)性高值區(qū).溶解氧除與上述參數(shù)近似的高值區(qū)外，在分子波長(zhǎng)（B1）在740～960nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在500～720nm間具有大片的相關(guān)性高值帶.

氮的各形態(tài)的相關(guān)系數(shù)分布圖與總氮的相關(guān)系數(shù)分布圖類(lèi)似，分子波長(zhǎng)（B1）在610～620nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在625～635nm間具有狹窄的相關(guān)性高值區(qū).分子波長(zhǎng)（B1）在625～635nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在665～675nm間具有另一個(gè)狹窄的相關(guān)性高值區(qū).分子波長(zhǎng)（B1）在890～920nm間，分母波長(zhǎng)（B2）在500～800nm間具有狹長(zhǎng)的相關(guān)性高值帶.

3 模型選擇與反演結(jié)果

根據(jù)選擇的特征波段和特征波段組合，建立各水質(zhì)參數(shù)與波段因子之間的一元線性回歸方程，見(jiàn)表2（見(jiàn)第243頁(yè)）所示.同時(shí)對(duì)各特征波段和波段組合建立非線性回歸方程，比較線性方程與非線性方程的精度.

表2 水質(zhì)參數(shù)與波段比值／差值因子的線性關(guān)系模型Tab.2 Linear models between the spectral reflectance ratios／D value and the water quality parameters

按照C（水質(zhì)參數(shù)）＝F（波段因子）的函數(shù)關(guān)系，用統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法擬合模型有線性和非線性兩種，非線性模型主要有：Logarithmic（對(duì)數(shù)）、Inverse（倒數(shù)）、Quadratic（二次）、Cubic（三次）、Power（冪）、Compound（復(fù)合）、S－curve（S－曲線）、Growth（增長(zhǎng)）、Exponential（指數(shù)）.根據(jù)選用的波段因子分為：?jiǎn)尾ǘ文Ｐ?、雙波段模型和多波段模型.其中單波段因子即單波段反射率，雙波段因子有波段比值（B1／B2）、波段差值（B1－B2）及（B1－B2）／（B1＋B2）等形式.多波段模型有復(fù)合模型（如（B1－B2）／（B3－B4））和平均模型（如（B1＋B2＋B3）／3）等.

雖然在有些情況下，非線性模型更能準(zhǔn)確、真實(shí)地表達(dá)水質(zhì)參數(shù)與反射率之間的關(guān)系.但是由于水質(zhì)參數(shù)是復(fù)雜環(huán)境因子綜合作用的表現(xiàn)結(jié)果，很難用一種固定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確模擬其變化規(guī)律，而線性模型具有直觀和普適性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也具有很強(qiáng)的容差性.本文這里統(tǒng)一用線性模型來(lái)擬合并進(jìn)行精度表示.

用上述線性模型對(duì)8月23日的9個(gè)水質(zhì)參數(shù)的雙波段減法模型進(jìn)行反演，得到總磷、總氮、pH、溶解氧含量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的濃度反演圖，如圖7所示.

從圖7可見(jiàn)，湖體的水質(zhì)分布不均勻，總體上湖心北區(qū)較湖心南區(qū)的pH偏堿性、高錳酸鹽指數(shù)偏高、總磷含量偏大，表現(xiàn)了pH、高錳酸鹽指數(shù)與總磷在藍(lán)藻爆發(fā)過(guò)程中的變化協(xié)同性.總磷濃度高值區(qū)成小團(tuán)塊狀散亂分布在湖體中，總體上湖中心區(qū)域比南區(qū)平均濃度高，高值斑塊數(shù)量更多，分布更密.溶解氧分布散亂，但湖心南區(qū)部分與pH等表現(xiàn)類(lèi)似.總氮等水質(zhì)參數(shù)在湖體分布散亂，濃度高低相間，反映出淀山湖不同區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化程度不均一.湖心北區(qū)、湖心東區(qū)、急水港、白石磯橋和趙田湖中心等監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近含磷高，溶解氧含量高，易發(fā)藍(lán)藻.

圖7 2010年8月23日HJ－1A衛(wèi)星反演淀山湖水質(zhì)參數(shù)分布圖（彩圖見(jiàn)加頁(yè)Ⅱ）Fig.7 The distribution of different water quality parameters in Dianshan Lake on Aug 23，2010based on HJ－1AHSI image

本文將淀山湖作為研究對(duì)象，選取總磷、總氮、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮9個(gè)主要水質(zhì)參數(shù)，利用實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)濃度數(shù)據(jù)，選取單波段反射率、不同波段之間反射率的比值以及不同波段之間反射率的差值3個(gè)波段因子，建立了淀山湖9個(gè)水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)遙感模型.

（1）單波段反射率因子與各水質(zhì)參數(shù)濃度的相關(guān)性均不高，雙波段組合因子與各水質(zhì)參數(shù)濃度的相關(guān)性比單波段因子高，普遍達(dá)到0.89左右.不同波段之間反射率的差值比不同波段之間反射率的比值的相關(guān)性更高.pH的敏感波段組合為B（716nm）／B（893nm）和B（711nm）－B（855nm）；溶解氧的敏感波段組合為B（636nm）／B（669nm）和B（636nm）－B（674nm）；高錳酸鹽指數(shù)的敏感波段組合為B（777nm）／B（893nm）和B（717nm）－B（926nm）；總磷的敏感波段組合為B（771nm）／B（893nm）和B（771nm）－B（878nm）；總氮的敏感波段組合為B（616nm）／B（632nm）和B（616nm）－B（632nm）；氨氮的敏感波段組合為B（789nm）／B（737nm）和B（900nm）－B（917nm）；硝氮的敏感波段組合為B（616nm）／B（632nm）和B（616nm）－B（632nm）；硝酸鹽氮的敏感波段組合為B（616nm）／B（632nm）和B（616nm）－B（632nm）；亞硝酸鹽氮的敏感波段組合為B（636nm）／B（665nm）和B（636nm）－B（665nm）.

（2）HSI高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率為100m，較MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)有提高.對(duì)于藍(lán)藻水華爆發(fā)的空間尺度而言，100m的空間分辨率能夠基本上表現(xiàn)其發(fā)展、演化和湮滅的過(guò)程，說(shuō)明HJ－1A衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)中小型湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的任務(wù)上能夠有很好的表現(xiàn)力.另外HJ－1A衛(wèi)星的時(shí)間分辨率為4d，如果在不考慮天氣情況下，若數(shù)據(jù)能夠連續(xù)獲得也基本滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率要求.

（3）應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的遙感應(yīng)用，以促進(jìn)我國(guó)水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的真正業(yè)務(wù)化運(yùn)行.由于內(nèi)陸水體本身的光譜特性復(fù)雜，衛(wèi)星接收的輻射信息又受大氣散射影響，因此要加強(qiáng)對(duì)水體和水汽的光學(xué)性質(zhì)的研究，在數(shù)理、物化上應(yīng)弄清各水質(zhì)參數(shù)的濃度與水體固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系.并在此基礎(chǔ)上，尋求HJ－1A衛(wèi)星滿足于各水質(zhì)參數(shù)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)需要的半經(jīng)驗(yàn)化模型.另外幾種水質(zhì)參數(shù)的估算模型建立后，可在水質(zhì)環(huán)境的預(yù)測(cè)預(yù)警上進(jìn)一步研究.

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