基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的龍泉湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化分析與評(píng)價(jià)

梁偉林，白金平，李玉霞，李海元，葉雪輝

(1.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都　611731；2.電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，成都　611731)

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基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的龍泉湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化分析與評(píng)價(jià)

梁偉林1，白金平1，李玉霞2，李海元1，葉雪輝2

(1.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731；2.電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，成都611731)

摘要：為了研究成都市水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化情況，選取了龍泉湖作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)龍泉湖實(shí)地采集水樣以及高分一號(hào)實(shí)時(shí)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出了龍泉湖水體所處的富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別。通過(guò)對(duì)龍泉湖實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行水樣參數(shù)濃度測(cè)量以及實(shí)地光譜曲線處理，獲得相關(guān)的水質(zhì)反演所需的敏感波段或者波段組合，得出了5個(gè)水質(zhì)參數(shù)的反演公式，既而對(duì)校正預(yù)處理過(guò)的高分一號(hào)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)評(píng)價(jià)。在對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析后，選擇適合龍泉湖富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的葉綠素chl_a、總磷TP、總氮TN、透明度SD、高錳酸鹽CODmn五個(gè)參數(shù)指標(biāo),利用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)整體水域進(jìn)行水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，得出龍泉湖目前處于中度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，并初步進(jìn)行了準(zhǔn)確性分析論證。

關(guān)鍵詞：龍泉湖；富營(yíng)養(yǎng)化；遙感影像；高分一號(hào)衛(wèi)星；濃度反演

龍泉湖位于四川省簡(jiǎn)陽(yáng)西部龍泉山上，原名簡(jiǎn)陽(yáng)石盤(pán)水庫(kù)，是1979年建成的中型屯蓄型水庫(kù)。其中心經(jīng)緯度為東經(jīng)104°24′15.75″、北緯30°30′33.09″。該湖水域面積5.5 km2，湖南北長(zhǎng)約10 km，最大水深50 m，平均水深26 m，主要水源來(lái)自岷江水系[1]。通過(guò)查閱資料，在內(nèi)陸二類(lèi)水體研究中，利用遙感技術(shù)已經(jīng)可以較為準(zhǔn)確的反演出水體中水質(zhì)參數(shù)的濃度[2-4]。迄今為止，對(duì)龍泉湖水體評(píng)價(jià)的研究幾乎是空白的。本文通過(guò)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)測(cè)量以及光譜分析得出反演公式，然后使用該公式對(duì)龍泉湖高分一號(hào)實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

1材料與分析

1.1實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)龍泉湖進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是獲取單波段反演結(jié)果，而進(jìn)行水質(zhì)反演必然也離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理以及分析。

1.1.1采樣點(diǎn)布局和水樣處理

選用單點(diǎn)布設(shè)法對(duì)龍泉湖進(jìn)行水樣采集，預(yù)先設(shè)定的69個(gè)點(diǎn)如下圖1所示，從預(yù)先選擇好的點(diǎn)中選取了15個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，再?gòu)倪@15個(gè)點(diǎn)中選擇了10個(gè)具有代表性的水樣，用具有遮光性的玻璃瓶低溫進(jìn)行保存。

圖1　采樣點(diǎn)布局圖

將采集到的水樣送往四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局綜合巖礦測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括懸浮物、總磷、總氮、高錳酸鹽、葉綠素a、pH、色度、濁度。野外實(shí)地試驗(yàn)中懸浮物的測(cè)量主要是采用重量法，總磷的測(cè)量方法采用的是鉬酸銨分光光度法，總氮的測(cè)量方法采用的是堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外線分光光度法，高錳酸鹽指數(shù)濃度的測(cè)試采用的是酸性法，葉綠素a濃度測(cè)量采用的是分光光度法。其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　水樣檢測(cè)結(jié)果

1.1.2光譜曲線處理

(1) 地物光譜曲線采集

采集光譜數(shù)據(jù)選用的地物光譜儀是PRS-1100便攜式地物光譜儀，該儀器能夠測(cè)量的光譜波長(zhǎng)范圍在320～1 100 nm之間，數(shù)據(jù)間的間隔為1.5 nm，光譜分辨率是3.2 nm。本次實(shí)驗(yàn)利用PRS地物光譜儀實(shí)際獲取了15組(15個(gè)不同的采樣分布點(diǎn))光譜曲線數(shù)據(jù)，考慮到誤差處理，每組數(shù)據(jù)又包含不均等的采樣數(shù)。實(shí)際采樣平臺(tái)具體見(jiàn)圖2。

圖2　實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)采集圖

獲得的光譜曲線，需要完成平均、歸一化以及一階微分處理，以減少干擾因素對(duì)水質(zhì)反演結(jié)果的影響。

(2) 平均處理

將篩選過(guò)的全部采樣點(diǎn)的多個(gè)光譜樣本曲線導(dǎo)出，并在MATLAB軟件中進(jìn)行平均處理，最終得到的平均值作為光譜反射率值。多次等精度的測(cè)量取其算術(shù)平均值不僅可以大幅減少測(cè)量中的隨機(jī)誤差，而且還可以讓測(cè)量的結(jié)果代表性更強(qiáng)、可信性更高，信噪比也會(huì)因此得到可觀地提升。從10個(gè)點(diǎn)中選取其中的6個(gè)較為穩(wěn)定、噪聲干擾小且懸浮物光譜特征顯著的400～900 nm波段范圍的光譜曲線做平均值處理，在MATLAB中處理的結(jié)果如下圖3所示。

圖3　平均值結(jié)果圖

(3) 歸一化處理

通過(guò)歸一化處理可以很大程度上減少測(cè)量時(shí)采樣點(diǎn)光譜測(cè)量時(shí)環(huán)境因素、人為因素變化的影響。收集采集過(guò)水樣的10個(gè)采集點(diǎn)的光譜曲線數(shù)據(jù)，且這10個(gè)點(diǎn)均沒(méi)有出現(xiàn)異常。且選擇較為穩(wěn)定、噪聲干擾少且葉綠素a、懸浮物光譜特征顯著的400～900 nm波段范圍的光譜曲線，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)(nm),縱坐標(biāo)為歸一化反射率，得到的歸一化光譜曲線圖如下圖4所示。

圖4　歸一化光譜曲線圖

(4) 一階微分平滑處理

一階微分可以突出實(shí)測(cè)反射率曲線包含的光學(xué)特性參數(shù)的信息，呈現(xiàn)反射率曲線的變化趨勢(shì)并且最小化均值處理的負(fù)面影響，還可以弱化實(shí)測(cè)光譜中包含的線性(近線性)測(cè)量環(huán)境噪聲的影響。本文在MATLAB環(huán)境下對(duì)已平均處理的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分平滑處理，并獲得以下結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　一階微分反射率光譜圖

1.2反演公式及反演結(jié)果

(1) 反演公式

基于上文對(duì)光譜曲線的預(yù)處理，通過(guò)半分析法獲得了水質(zhì)反演所需的敏感波段或者波段組合，得出5個(gè)水質(zhì)參數(shù)的反演公式如下：

ss(mg/l)= 4.522+0.492 5×(Band2+Band4-Band1)

(1)

Chl_a(mg/m3)=-1.494×(Band 3)2+19.77×(Band3)-29.75

(2)

TN(mg/l)=3.166-0.034 79×Chl_a(mg/m3)

(3)

TP(mg/l)=-0.000 78×Chl_a(mg/m3)+0.041 7

(4)

CODmn(mg/l)=0.050×Chl_a(mg/m3)+4.543

(5)

(2) 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理及反演

用于反演的遙感影像(圖6)必須先經(jīng)過(guò)預(yù)處理，使用ENVI5.2對(duì)高分一號(hào)實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行校正預(yù)處理，包括多光譜數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正和湖區(qū)掩膜提取，表2為進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正時(shí)需要進(jìn)行傳感器參數(shù)值的部分選項(xiàng)設(shè)置。

表2　圖像校正的部分參數(shù)設(shè)置表格

將進(jìn)行過(guò)幾何校正、大氣校正、輻射定標(biāo)后得到的圖像進(jìn)行掩膜處理。將波段4除以波段3后小于0.9數(shù)值的點(diǎn)保留下來(lái)，其他的區(qū)域賦值為0，即可以提取龍泉湖湖體，將提取到的湖體圖片進(jìn)行反演之后，得到的圖像中的data值就是濃度信息，得到的圖像如圖7所示，此時(shí)就可以使用上面得到的反演公式(1)～(5)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)。

圖6　原始遙感圖

圖7　預(yù)處理后的影像

利用這些公式，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，完成最終的水質(zhì)反演，獲取5個(gè)水質(zhì)參數(shù)的單波段反演結(jié)果圖如圖8～12所示。

圖8　懸浮物反演成果圖

圖9　葉綠素反演成果圖

圖10　總氮反演成果圖

圖11　總磷反演成果圖

圖12　高錳酸鹽反演成果圖

2水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1評(píng)價(jià)方法

依據(jù)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)規(guī)定》以及對(duì)湖泊評(píng)價(jià)文獻(xiàn)的大量查閱，可以得出綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是比較適合龍泉湖這種湖體的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法[5-10]。選用具有代表性的葉綠素Chl_a、總磷TP、總氮TN、透明度SD、高錳酸鹽CODmn五個(gè)水質(zhì)參數(shù)對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的各個(gè)公式分別為：

TLI(Chl_a)=10×(2.5+1.086×lnChl_a)，Chl_a是葉綠素濃度

TLI(TP)=10×(9.436+1.624×lnTP)，TP是總磷濃度

TLI(TN)=10×(5.453+1.694×lnTN)，TN是總氮濃度

TLI(SD)=10×(5.118-1.94×lnSD)，SD是透明度(m)

TLI(CODmn)=10×(0.109+2.661×lnCODmn)，CODmn是高錳酸鹽濃度

TLI(∑)=∑Wj×TLI(j)，(j=1,2,3,4,5)

式中，TLI(Σ)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

對(duì)龍泉湖的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)中所采用的參數(shù)包括葉綠素chl_a、總磷TP、總氮TN、透明度SD、高錳酸鹽CODmn 5個(gè)參數(shù)的濃度信息，各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的權(quán)值分別為：W1(Chl_a)=0.266 3、W2(TP)=0.187 9、W3(TN)=0.179 0、W4(SD)=0.183 4、W5(CODmn)=0.183 4。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍判定表格見(jiàn)表3。

表3　富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)劃分表格

2.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.2.1龍泉湖地面試驗(yàn)富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)

以龍泉湖為研究區(qū)，于2015年10月對(duì)龍泉湖進(jìn)行了實(shí)地采樣。分別監(jiān)測(cè)了其中15個(gè)點(diǎn)的反射率數(shù)據(jù)，并且對(duì)其中具有代表性的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了水樣采集分析，獲得了水質(zhì)參數(shù)中主要評(píng)價(jià)因子的濃度信息。本文中選取實(shí)地采集到的5組數(shù)據(jù)，使用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，選取的每個(gè)參數(shù)的濃度分別為：

Chl_a=[15.63,30.08,28.64,27.45,21.35]

TP=[0.024,0.030,0.022,0.017,0.030]

TN=[2.34,2.04,2.30,2.08,2.72]

ss=[7,8,9,11,8,10]

CODmn=[5.33,5.98,5.98,5.62,4.79]

根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算，可以得到5個(gè)采樣點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值分別為45.6,48.28,47.53,45.95,47.08，實(shí)地采集點(diǎn)中選用的5個(gè)采集點(diǎn)的水體范圍處于30～50之間。其中，懸浮物ss與透明度SD的濃度轉(zhuǎn)換公式如下：

通過(guò)對(duì)龍泉湖實(shí)地采集到的反射率數(shù)據(jù)和水樣送檢報(bào)告進(jìn)行對(duì)比分析，得出送檢龍泉湖的整體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)為中度營(yíng)養(yǎng)等級(jí)。

2.2.2基于高分一號(hào)多光譜數(shù)據(jù)的龍泉湖富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)

利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集到龍泉湖的實(shí)時(shí)遙感影像，對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正等預(yù)處理后對(duì)圖像進(jìn)行反演,既而獲取帶有整個(gè)龍泉湖湖體濃度的反演圖像，進(jìn)一步讀取反演圖像中帶有的濃度值信息，進(jìn)行綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)運(yùn)算，得出了整個(gè)湖區(qū)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)大多分布在45～50之間。使用ENVI遙感軟件將湖體富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別等級(jí)直觀的表現(xiàn)出來(lái)，最終得出龍泉湖的整體富營(yíng)養(yǎng)程度等級(jí)為中營(yíng)養(yǎng)，如圖13所示。

貧營(yíng)養(yǎng)級(jí)別用黑色表示，中營(yíng)養(yǎng)級(jí)別用藍(lán)色表示，輕度富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別用綠色表示，中度富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別用黃色表示，重度富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別用紅色表示。湖區(qū)的整體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)范圍在45～50之間，屬于中度營(yíng)養(yǎng)級(jí)別。

圖13龍泉湖富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)分布圖

3結(jié)論

(1) 通過(guò)龍泉湖的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集報(bào)告分析與遙感影像的整體富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)對(duì)比，得到的結(jié)論都是龍泉湖的水體營(yíng)養(yǎng)級(jí)別處于中度營(yíng)養(yǎng)范圍。且實(shí)驗(yàn)所得龍泉湖的水體營(yíng)養(yǎng)級(jí)別與實(shí)際了解到的水體級(jí)別基本相符。本文中分析得出的5個(gè)水質(zhì)參數(shù)的濃度反演公式能夠正確反映出龍泉湖的實(shí)際情況。

(2) 研究得到整個(gè)龍泉湖湖泊的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值大概處于45～50之間，為中度營(yíng)養(yǎng)級(jí)別，處于一個(gè)相對(duì)健康的狀態(tài)。鑒于龍泉湖為旅游區(qū)，周邊人類(lèi)的活動(dòng)比較頻繁，生活污染極易導(dǎo)致水體指數(shù)值超過(guò)50，達(dá)到輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

(3) 研究中采用的高分一號(hào)遙感影像能夠較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)龍泉湖的富營(yíng)養(yǎng)狀況，在技術(shù)方面主要是攻破了多光譜與高空間、時(shí)間分辨率結(jié)合，高分辨率數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)地勘測(cè)方法具有更加高效、高速以及長(zhǎng)期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

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WATER EUTROPHICATION QUALITY TEST AND EVALUATION OF LONGQUAN LAKE BASED ON THE GAOFEN-1 SATELLITE DATA

LIANG Wei-lin1，BAI Jin-ping1，LI Yu-xia2, LI Hai-yuan1, YE Xue-hui2

(1.School of Aeronautics and Astronautics,University Science and Technology of China,Chengdu611731,China;2.School of automation engineering, University of Electronic Science and technology of China,Chengdu611731,China)

Abstract:In order to study the eutrophication status of Chengdu water, we selected the Longquan Lake as the research object. Based on the field data collected from the Longquan lake,then we can accurately evaluate the eutrophication level of Longquan Lake water. Through measuring parameters’s concentration of Longquan Lake water and processing spectral curve in the field, we got the sensitive wave bands or band combination for relevant water inversion, five water quality parameters inversion formula is obtained. Then using these formulas to evaluate the eutrophication level of Gaofen-1 Satellite Data which have been pre processed. After the analysis in the evaluation of various parameters, we choose chlorophyll_a,Total phosphorus,total nitrogen,potassium permanganate and transparency as evaluation index that suitable for Longquan Lake Eutrophication status Evaluation .Using comprehensive nutrition state index method to assess the eutrophication of integral water.Then we get the conclusion is that Longquan Lake is currently in the moderate nutritional status, and preliminary analysis of the accuracy of the argument.

Key words：Longquan Lak;eutrophication;remote sensing image;Gaofen-1 Satellite;concentration inversion

文章編號(hào)：1006-4362(2016)02-0057-06

收稿日期：2016-03-12改回日期：2016-04-17

中圖分類(lèi)號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：梁偉林(1992-)，女，碩士在讀，研究方向或從事：遙感測(cè)量技術(shù)。E-mail:wl_liang@std.uestc.edu.cn