基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的渾河水質(zhì)監(jiān)測及評價(jià)

丁華++王欣++劉玉梅

摘 要：氨氮和COD濃度是衡量水環(huán)境的重要指標(biāo)之一，對于污染河水的質(zhì)量監(jiān)測和評價(jià)研究具有重要意義。利用遙感衛(wèi)星反演氨氮和COD濃度可以對河水的氨氮和COD污染分布和污染程度進(jìn)行整體監(jiān)測，為水體的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和水污染預(yù)警提供有效的技術(shù)支持。該文以渾河沈陽撫順段區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，通過采樣得到采樣區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)，利用相對應(yīng)的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)對氨氮和COD濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建基于水質(zhì)遙感的反演模型，并應(yīng)用模型對渾河沈陽撫順段區(qū)域水體中氨氮與COD含量分布進(jìn)行反演和評價(jià)。

關(guān)鍵詞：COD 氨氮 ENVI 渾河

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0073-02

渾河發(fā)源于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)長白山支脈的滾馬嶺西側(cè)，流經(jīng)清原、撫順、沈陽、遼中、遼陽等市縣，全長415 km，流域面積2.5萬km2。渾河作為遼寧省水資源最豐富的內(nèi)河，同時(shí)承擔(dān)了遼寧省中心城市群的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水任務(wù)。遼寧中部城市群傳統(tǒng)的重工業(yè)相對發(fā)達(dá)、人口稠密，渾河中下游的沈撫段，同一河流幾十公里之內(nèi)就流經(jīng)兩座城市，上游城市排入的污染物還未能完全稀釋凈化，即進(jìn)入下游城市河段，又接受下游城市排入的廢水，造成環(huán)境污染的疊加。渾河沈陽撫順段具有城市相鄰、人口密集、工業(yè)和制造業(yè)發(fā)達(dá)、生活廢水排放量大的特點(diǎn)，對其水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測并做出準(zhǔn)確合理的評價(jià)顯得尤為重要。

近年來，隨著遙感科學(xué)的不斷進(jìn)步和一些新機(jī)器學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)，水質(zhì)遙感監(jiān)測研究逐漸從定性發(fā)展到了定量，并且可利用衛(wèi)星遙感反演的水質(zhì)指標(biāo)的種類也大大增加，反演精度也不斷提高，極大程度地豐富了水質(zhì)遙感監(jiān)測的研究內(nèi)容。遙感水質(zhì)監(jiān)測具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于周期性連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢，能夠發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物特征，與常規(guī)方法相比，具有不可替代的優(yōu)越性。該論文就是借助遙感技術(shù)和GIS平臺，以渾河沈陽段為研究區(qū)域，對渾河內(nèi)水質(zhì)參數(shù)氨氮含量、（COD）化學(xué)需氧量建立適合渾河水質(zhì)的反演模型，并通過反演結(jié)果對渾河沈陽段水體進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)和變化趨勢分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)的采樣

由于氨氮和COD為渾河沈陽段的兩種主要污染物，此次水體采樣主要采集氨氮含量（NH3-N）和化學(xué)需氧量（COD）水體這兩項(xiàng)指標(biāo)。采樣時(shí)間分別為2015年3月4日、3月27日、4月20日、5月6日、6月1日、6月23日，在渾河進(jìn)行水體采樣，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為10個(gè)。通過GPS精確定位采集10個(gè)選定采樣點(diǎn)位的表層水樣。這10個(gè)采樣點(diǎn)分別是：長青橋、王家灣壩、新立堡立交橋、東陵大橋、干河子壩、伯官大橋、高坎大橋、下伯官攔河壩、高陽橡膠壩、和平橋和渾河大橋。采樣點(diǎn)分布于各個(gè)橋底和壩底，河面寬闊、水流平緩便于采樣，且分布均勻合理。

1.2 遙感數(shù)據(jù)的采集和處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)采集

作為對渾河水質(zhì)的研究和反演的遙感數(shù)據(jù)源主要采用Landsat7與Landsat8遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m和15 m兩種。由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間限制，為滿足與衛(wèi)星拍攝時(shí)間相近，2015年3月27日、6月1日選擇對應(yīng)時(shí)間的Landsat7數(shù)據(jù)，其余4 d選擇與其相對應(yīng)的Landsat8數(shù)據(jù)。從美國地質(zhì)勘探局（USGS）的Landsat數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站獲得了沈陽渾河流域2015年3月27日、5月30日的Landsat7 TM數(shù)據(jù)和2015年3月3日、4月20日、5月6日、6月23日的Landsat8數(shù)據(jù)影像資料。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)的處理

此論文利用遙感平臺ENVI軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：首先是輻射定標(biāo)建立遙感傳感器的數(shù)字量化輸出值DN與其所對應(yīng)視場中輻射亮度值之間的定量關(guān)系；然后是大氣校正消除大氣的散射、反射對遙感影像的影響；轉(zhuǎn)坐標(biāo)系指的是利用ENVI軟件中的Convert Map Projection模塊，將目標(biāo)坐標(biāo)系設(shè)定為經(jīng)緯度，改變輸出圖幅的尺寸；最后是圖像裁剪，研究人員對需要的位置進(jìn)行提取，即根據(jù)沈陽內(nèi)渾河的形狀和位置對圖像進(jìn)行裁剪。Envi軟件平臺能夠很好地處理landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，可以得到感興趣區(qū)域遙感影像的波段數(shù)據(jù)，是進(jìn)一步影像解譯和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)。

1.3 研究方法

自20世紀(jì)70年代開始，遙感技術(shù)就開始逐漸應(yīng)用到水體的研究中，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和對水質(zhì)參數(shù)光譜特征及算法研究的不斷深入，水質(zhì)遙感從單純的水域識別逐漸發(fā)展到對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測、分析和反演。同樣利用遙感研究水質(zhì)的方法、遙感監(jiān)測方法也經(jīng)歷了理論分析方法、經(jīng)驗(yàn)方法（20世紀(jì)80～90年代）、半經(jīng)驗(yàn)方法（20世紀(jì)90年代以后）的發(fā)展過程。

此論文采樣半經(jīng)驗(yàn)方法，對各個(gè)波段和波段組合與氨氮含量和COD實(shí)測值之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，選取相關(guān)系數(shù)最高的波段或波段組合作為構(gòu)建模型的因子；根據(jù)相關(guān)性分析得出的最佳波段組合數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)氨氮和COD數(shù)據(jù)在MATLAB中構(gòu)建的函數(shù)模型；利用遙感軟件ERDAS中Modeler模塊進(jìn)行模型反演，將得到的遙感數(shù)據(jù)在ARCGIS制作專題圖，得到渾河中氨氮含量和COD含量的等級分布圖；最后通過反演得到的數(shù)據(jù)對渾河撫順段的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)和變化趨勢分析。

2 結(jié)果與討論

以2015年3月4日的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和模型構(gòu)建及水質(zhì)反演為例，對數(shù)據(jù)處理的過程和結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對變量間的相關(guān)程度強(qiáng)弱進(jìn)行估算，并用合理的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)表達(dá)出來的過程。相關(guān)系數(shù)的值是衡量變量相關(guān)程度大小的一個(gè)量值。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，通常利用樣本的相關(guān)系數(shù)r的大小來判斷總體相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的取值區(qū)間在-1至+1之間，∣r∣值越大，說明變量值之間的相關(guān)性越好。

將3月4日所對應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)波段反射率和相對應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)到SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中進(jìn)行相關(guān)性分析，找出相關(guān)系數(shù)最大的波段或波段組合作為對應(yīng)時(shí)間的水質(zhì)參數(shù)構(gòu)建模型的因子。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)：與3月4日采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)中氨氮相關(guān)系數(shù)絕對值最高的波段組合是b5/b6，相關(guān)系數(shù)絕對值為0.726；與COD相關(guān)系數(shù)絕對值最高的波段組合是b5-b6/b5+b6，相關(guān)系數(shù)絕對值為0.681。因此，分別選取波段組合b5/b6與是（b5-b6）/（b5+b6）作為3月4日水質(zhì)參數(shù)氨氮與COD反演模型的因子。其他時(shí)間波段的選擇方法與3月4日的方法相同，這里就不一一說明了。

2.2 模型的建立

將根據(jù)相關(guān)性分析得出的最佳波段組合數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)氨氮和COD數(shù)據(jù)，利用Matlab中的CFTOOL工具箱擬合，并添加趨勢線，選擇指數(shù)、線性、多項(xiàng)式、冪函數(shù)等函數(shù)模型中R（相關(guān)系數(shù)）平方值最大的函數(shù)模型，根據(jù)擬合結(jié)果，選取3月4日氨氮與COD的最佳反演模型分別為：

由于受特殊點(diǎn)的影響擬合中的相關(guān)系數(shù)R2的值沒有達(dá)到理想的取值范圍（0.8～0.95），這可能是某些取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量不好或者水樣的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確造成的。

2.3 水質(zhì)反演

利用遙感軟件ERDAS中Modeler模塊進(jìn)行模型反演，得到渾河撫順段流域的COD和氨氮含量整體分布圖，將得到的分布圖導(dǎo)入ArcMap，借助ARCGIS的專題圖功能，制作渾河沈陽撫順段流域氨氮含量和COD含量的等級分布專題圖。通過專題圖可以看到渾河流域在工廠密集的撫順區(qū)域水污染嚴(yán)重，而近幾年沈陽加強(qiáng)了對污水的治理，工廠很多都遷移到了外地，因此人口密集的沈陽段反而污染相對較輕。

2.4 水質(zhì)評價(jià)

此論文根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002表中水質(zhì)參數(shù)氨氮與COD對反演的水質(zhì)參數(shù)分布圖進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，在進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)的時(shí)候?qū)喓由蜿枔犴樁畏譃樯嫌?、中游和下?段分段進(jìn)行評價(jià)，其中Ⅳ類水主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)，而Ⅴ類主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。通過分析數(shù)據(jù)可以看出：渾河水質(zhì)3月份處于劣Ⅴ類，但從4月到6月持續(xù)轉(zhuǎn)好，6月份水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基本穩(wěn)定在Ⅳ類，適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)。同時(shí)主要適用于農(nóng)業(yè)用水及一般景觀要求水域。并不適用于漁業(yè)水域及游泳區(qū)。

3 結(jié)語

該論文利用的是可以在全球范圍內(nèi)免費(fèi)接收的Landsat遙感數(shù)據(jù)，雖然Landsat影像的分辨率只有30 m（全色波段是15 m），但是具有可以周期性連續(xù)監(jiān)測并且免費(fèi)獲得的優(yōu)點(diǎn)，在需要周期監(jiān)測整體水質(zhì)的研究中發(fā)揮了相當(dāng)大的研究意義，將Landsat影像應(yīng)用到大型內(nèi)陸湖泊水質(zhì)的周期監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

論文的創(chuàng)新之處在于利用周期性Landsat數(shù)據(jù)，通過分析各波段及波段組合反射率因子與渾河沈陽撫順段COD和氨氮濃度的關(guān)系建立了基于landsat數(shù)據(jù)遙感反演COD和氨氮濃度的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該次研究對利用周期性遙感影像反演水體COD和氨氮濃度取得了一定的進(jìn)展，希望在以后的研究中，構(gòu)建更加完善合理的模型以應(yīng)用于渾河的周期性監(jiān)測及水質(zhì)災(zāi)害的精確預(yù)警。

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