城區(qū)重度污染水體遙感識(shí)別研究

李佳琦，戴華陽(yáng)，李家國(guó)，朱 利，周亞明

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101； 3. 三亞中科遙感研究所，三亞 572029； 4. 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

城市污染水體，顧名思義指的是在城市建成區(qū)內(nèi)，視覺上呈令人不悅的顏色和(或)嗅覺上散發(fā)令人不適的水體的統(tǒng)稱。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市污染水體已經(jīng)成為我國(guó)許多城市共同存在的污染問題，污染水體不僅影響城市景觀，破壞河流生態(tài)系統(tǒng)，更影響到城市居民的生活和危害人體健康。因此，控制和治理城市河道水體污染、整治河道污染已經(jīng)刻不容緩。2015年4月2日國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》指出[1]：到2015年底前，地級(jí)及以上城市建成區(qū)應(yīng)完成水體排查，公布污染水體名稱、責(zé)任人及達(dá)標(biāo)期限。到2017年底前，地級(jí)及以上城市建成區(qū)應(yīng)實(shí)現(xiàn)河面無大面積漂浮物，河岸無垃圾，無違法排污口；直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市建成區(qū)基本消除污染水體。到2020年地級(jí)及以上城市建成區(qū)污染水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)污染水體總體得到消除。

城市污染水體分布廣泛，傳統(tǒng)方法依靠人力開展地面調(diào)查，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還難以短時(shí)間內(nèi)開展大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)管。遙感具有監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低、速度快等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在水生生態(tài)保護(hù)、水體污染控制與治理、水環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警等方面提供重要技術(shù)支撐，得到廣泛應(yīng)用。隨著高空間、高光譜分辨率衛(wèi)星傳感器的不斷涌現(xiàn)和完善，針對(duì)城市復(fù)雜水體的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)已具備條件[3]。利用高分遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)城市污染水體，可以用于篩查遺漏污染水體名單，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)污染水體嚴(yán)重程度變化，定量評(píng)價(jià)污染水體治理成效，全面支撐城市污染水體監(jiān)管，在環(huán)境保護(hù)方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。因此，本文選取國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星GF1數(shù)據(jù)進(jìn)行銀川市污染水體遙感監(jiān)測(cè)。

1 研究數(shù)據(jù)及影像預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

銀川市為寧夏回族自治區(qū)省會(huì)。東與鹽池縣接壤，西依賀蘭山，與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟為鄰，南與同心縣、吳忠市利通區(qū)、青銅峽市相連，北接平羅縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗相鄰(以明長(zhǎng)城為界)。其地域范圍在北緯37°29′—38°53′，東經(jīng)105°49′—106°53′之間，總面積9 491.0 km2。根據(jù)不透水面聚集密度得到銀川市建成區(qū)面積為495.044 km2。銀川地表水水源充足，水質(zhì)良好。黃河是銀川的主要河流，流經(jīng)銀川80多公里，南北貫穿，銀川平原引用黃河水自流灌溉已有兩千多年的歷史。歷史上由于黃河不斷改道，銀川境內(nèi)溝渠成網(wǎng)，湖泊濕地眾多。銀川市建成區(qū)及水系如圖1所示。

圖1 銀川市水系分布圖

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理過程

高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星是中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，發(fā)射于2013年4月26日，同年12月30日正式投入使用。GF-1衛(wèi)星搭載了2臺(tái)2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機(jī)，4臺(tái)16 m分辨率多光譜相機(jī)。本文根據(jù)覆蓋區(qū)域無云，成像效果較好、能覆蓋銀川市建成區(qū)等原則選取影像，最終選取4景2015年10月26日的GF-1 PMS1和PMS2影像，并且對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、影像拼接與裁剪等預(yù)處理[5]，具體如下所述。

1.2.1 幾何校正

幾何校正是為了消除遙感成像時(shí)由于飛行器的姿態(tài)、高度、速度及地球自轉(zhuǎn)等因素的影響，造成的圖像相對(duì)于地面目標(biāo)發(fā)生幾何畸變。

1.2.2 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)即將影像數(shù)字量化輸出(DN)值轉(zhuǎn)化為地物輻射亮度的過程。輻射定標(biāo)公式為

Le(λe)=Gain·DN+Offset

(1)

式中，Le(λe)為轉(zhuǎn)換后輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；DN為衛(wèi)星影像輸出值；Gain為定標(biāo)斜率，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；Offset為絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)偏移量，單位為W·m-2·sr-1·μm-1。定標(biāo)參數(shù)Gain和Offset可從中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站上獲取，具體參數(shù)見表1。

表1 GF1 PMS定標(biāo)參數(shù)

1.2.3 大氣校正

大氣校正的目的是為了消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲取地物真實(shí)反射率數(shù)據(jù)。在水色遙感中，衛(wèi)星傳感器接受的總輻射量中90%以上來自于大氣瑞利散射、氣溶膠散射及太陽(yáng)反射，而包含水體信息的水體離水輻射信號(hào)甚微[6]。因此，為了更精確地進(jìn)行污染識(shí)別，需對(duì)影像進(jìn)行大氣校正處理。

1.2.4 圖像融合

圖像融合是將低分辨率的多光譜影像與高分辨率的單波段影像重采樣生成一幅高分辨率多光譜遙感影像的過程。因此，為了更好地識(shí)別污染水體，需對(duì)影像進(jìn)行圖像融合以提高影像空間分辨率。結(jié)果如圖2所示。

圖2 影像融合前后對(duì)比

1.2.5 圖像拼接與裁剪

由于一景GF1影像難以覆蓋銀川市整個(gè)建成區(qū)范圍，因此本文使用4景GF1影像進(jìn)行拼接處理，并且根據(jù)銀川市建成區(qū)矢量進(jìn)行裁剪，得到銀川市建成區(qū)影像，圖3為銀川市建成區(qū)標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像。

圖3 銀川市建成區(qū)影像

2 銀川市污染水體遙感識(shí)別

2.1 污染水體形成機(jī)理

從形成機(jī)理上來說，污染水體發(fā)黑發(fā)臭主要是在缺氧或厭氧狀況下，水體內(nèi)有機(jī)污染物發(fā)生系列物理、化學(xué)、生物作用的結(jié)果。水體中的有機(jī)物在氧化分解過程中耗氧速率大于復(fù)氧速率，造成缺氧環(huán)境，厭氧微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量的惡臭氣體(NH3、H2S和CH4)逸出水面進(jìn)入大氣，致使水體發(fā)黑發(fā)臭[7]。由此可知水體發(fā)黑發(fā)臭是污染水體的顯著特征，污染水體也可稱為黑臭水體。因此，可以從水體顏色方面判斷水體是否發(fā)生污染。

水體發(fā)生黑臭主要有以下幾方面的原因[8]：

(1) 有機(jī)物和氨氮消耗水中氧氣。有機(jī)物主要來源于生活污水、工業(yè)廢水及城市徑流污水。這些污水含有大量的氨氮元素，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成藻類等水生植物瘋狂生長(zhǎng)，形成次生環(huán)境問題，過度消耗水中營(yíng)養(yǎng)鹽，加速其死亡。然后被有氧細(xì)菌氧化分解，過度消耗水中氧氣，形成黑臭。這表明，次生環(huán)境是反映黑臭問題的一項(xiàng)重要指標(biāo)[12]。

(2) 水動(dòng)力學(xué)條件不足、水循環(huán)不暢也是引起河道水體黑臭的原因之一。當(dāng)河道淤塞、岸邊存放大量垃圾，造成河道堵塞，水流動(dòng)性差，從而引起黑臭。因此河道淤塞、岸邊垃圾堆放也是反映黑臭問題的重要指標(biāo)。

2.2 黑臭水體遙感識(shí)別指標(biāo)

基于污染水體形成機(jī)理，可構(gòu)建污染水體遙感識(shí)別模型。主要從以下幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行黑臭水體遙感識(shí)別：

(1) 水體顏色。由黑臭形成機(jī)理可知，水體顏色發(fā)黑，氣味發(fā)臭是污染水體最顯著特征。氣味無法通過遙感監(jiān)測(cè)，但是黑臭水體顏色發(fā)黑、發(fā)灰可通過遙感影像監(jiān)測(cè)獲得[14]，如圖4所示。一般水體與黑臭水體顏色相比，一般水體常呈藍(lán)色、綠色，而黑臭水體則呈黑色、灰色、墨綠色等。

圖4 水體顏色對(duì)比

(2) 次生環(huán)境。當(dāng)含有大量氮、磷元素的污水排入水體中，會(huì)使水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成次生環(huán)境問題[16]，從而引發(fā)黑臭。次生環(huán)境常常變現(xiàn)為水華、浮萍泛濫、水葫蘆瘋長(zhǎng)等，有大量挺水植被出現(xiàn)。圖5所示長(zhǎng)框內(nèi)為浮萍泛濫導(dǎo)致的黑臭水體。

圖5 黑臭水體發(fā)生次生環(huán)境

(3) 河道淤塞。當(dāng)河面狹窄、排水不暢，或河道被封堵，水動(dòng)力不足，從而水體自凈能力不足，易引發(fā)黑臭。圖6長(zhǎng)方框內(nèi)為河道淤塞導(dǎo)致的黑臭水體。

圖6 河道淤塞

(4) 岸邊垃圾堆放。當(dāng)河道兩岸存放大量生活垃圾和建筑垃圾，不僅會(huì)造成河道淤堵，經(jīng)發(fā)酵后的垃圾還會(huì)散發(fā)異味，是造成河流黑臭的主要來源之一。如圖7所示，左下方框內(nèi)為建筑垃圾，右上方框內(nèi)為黑臭水體。

圖7 岸邊建筑垃圾堆放

2.3 銀川市黑臭水體遙感識(shí)別

根據(jù)以上建立的黑臭水體遙感識(shí)別指標(biāo)，利用GF影像和Google Earth開展銀川市建成區(qū)黑臭水體遙感識(shí)別。在銀川市建成區(qū)共提取399條河段，面積達(dá)25.587 2 km2。在這些河流中，根據(jù)黑臭水體遙感識(shí)別指標(biāo)共識(shí)別污染水體15條，主要分布在西夏區(qū)、賀蘭縣、興慶區(qū)、永寧縣和金鳳區(qū)。其空間分布如圖8所示。

3 精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證黑臭水體遙感識(shí)別精度，2016年6月開展了銀川市黑臭水體實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)遙感識(shí)別疑似黑臭水體的具體分布確定試驗(yàn)點(diǎn)位置，按照點(diǎn)位分布均勻、車輛可通行原則設(shè)計(jì)點(diǎn)位，試驗(yàn)前共設(shè)計(jì)了33個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，由于道路限制等原因，實(shí)際到達(dá)27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，地理分布如圖9所示，圓圈“○”點(diǎn)位為設(shè)計(jì)點(diǎn)位，圓心圓“⊙”點(diǎn)位為實(shí)際到達(dá)點(diǎn)位。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并記錄了試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)緯度、河寬、污染程度、岸邊狀況、水深、透明度、氧化還原電位、溶解氧等，并且采取水樣送至實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)氨氮含量等，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量值，確定水體污染程度。

圖8 銀川市遙感識(shí)別污染水體

圖9 銀川市污染水體試驗(yàn)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

根據(jù)城市黑臭水體整治工作指南給出的黑臭水體判別準(zhǔn)則可知：城市黑臭水體分級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括透明度、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和氨氮(NH3-N)，黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 城市污染水體污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)黑臭水體分級(jí)指標(biāo)，共確定17個(gè)黑臭點(diǎn)位，根據(jù)這些點(diǎn)位分布，可確定黑臭河段12條，面積達(dá)315 319.95 m2。其中重度黑臭河段5條，輕度黑臭河段7條。黑臭河段空間分布如圖10所示，詳細(xì)河段信息見表3。

圖10 銀川市遙感識(shí)別污染水體實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果

在本次試驗(yàn)中，共實(shí)地驗(yàn)證點(diǎn)位27個(gè)，其中黑臭點(diǎn)位17個(gè)，一般水體10個(gè)，遙感識(shí)別精度達(dá)62.96%。經(jīng)分析，影響遙感識(shí)別精度的主要原因有以下幾方面：

(1) 遙感影像成像時(shí)間與調(diào)研時(shí)間的差異。由于采用的影像成像時(shí)間與實(shí)地驗(yàn)證時(shí)間存在一定時(shí)間差，部分河流由于受降雨等因素的影響，通過水體自凈能力，由微黑臭狀態(tài)自凈為一般水體。

(2) 水深影響。部分河流水深較深，在影像上水體顏色有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)暗深色，導(dǎo)致水體誤判為黑臭水體。

(3) 河道植被覆蓋影響。由于部分河流受河道兩岸植被覆蓋的影響，其陰影會(huì)造成對(duì)水體的誤判。

表3 銀川市遙感識(shí)別污染水體實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)污染水體形成機(jī)理，構(gòu)建了污染水體遙感識(shí)別模型，監(jiān)測(cè)識(shí)別了銀川市重度污染的黑臭水體，確定銀川市12條污染河段，面積可達(dá)315 319.95 m2，其中，重度黑臭河段5條，輕度黑臭河段7條。通過實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)，識(shí)別精度可達(dá)62.96%。

(2) 分析得出了影響精度的主要原因是影像成像時(shí)間與調(diào)研時(shí)間的差異，以及水深、植被覆蓋率等因素。

(3) 遙感識(shí)別成果為銀川市政府黑臭水體整治工作提供了參考，以全面消除銀川市污染水體。通過遙感手段識(shí)別城市黑臭水體的精度還有待提高，以后需增加其他識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高遙感識(shí)別精度。

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