航空高光譜遙感反演城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)

林劍遠(yuǎn)，張長(zhǎng)興

(1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；2. 中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)，北京 100835；3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)一般采取實(shí)地取樣分析，消耗大量人力、物力、財(cái)力，獲取的數(shù)據(jù)在時(shí)空尺度上不連續(xù)，難以達(dá)到大范圍、實(shí)時(shí)性水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求。而利用遙感進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，具有實(shí)時(shí)、高效、連續(xù)性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)范圍廣、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，衛(wèi)星多光譜遙感技術(shù)已較為普遍應(yīng)用內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測(cè)，但多光譜遙感數(shù)據(jù)的光譜分辨率較低，難以分辨部分水質(zhì)參數(shù)的診斷性光譜吸收特征，高光譜遙感數(shù)據(jù)其光譜譜段豐富，在水質(zhì)參數(shù)定量化研究中潛力較大。由于城市河網(wǎng)一般較窄，使用高空間分辨率的高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作就顯得非常重要。

水質(zhì)參數(shù)反演方法主要包括經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法、分析法等，基于高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演主要采用半經(jīng)驗(yàn)法和分析法。分析法[1-4]以水體輻射傳輸機(jī)理作為水色遙感的理論基礎(chǔ)，有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硗茖?dǎo)過(guò)程，適合對(duì)葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)等水色水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演，由于化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，CODcr)、生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD5)、總磷(total phosphorus，TP)、總氮(total nitrogen，TN)等非水色水質(zhì)參數(shù)不適用生物光學(xué)模型，非水色遙感中半經(jīng)驗(yàn)法得到了較廣泛的應(yīng)用，利用已知的水質(zhì)光譜指數(shù)或敏感波段進(jìn)行分析，選擇最佳波段或波段組合作為自變量，以水質(zhì)參數(shù)為因變量估算水質(zhì)，采用統(tǒng)計(jì)回歸或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建水質(zhì)反演模型。王翔宇等[5]建立了一種結(jié)合灰色擴(kuò)充的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)渭河水質(zhì)中的主要污染指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮等進(jìn)行了遙感反演建模；何同弟等[6]提出一種基于遺傳算法優(yōu)選參數(shù)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法；呂航等[7]利用HJ-1A HSI衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)，建立了總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、硝氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮等9個(gè)水質(zhì)參數(shù)與水體光譜反射率之間的估算模型；王麗艷等[8]采用回歸分析方法對(duì)呼倫湖進(jìn)行了水體化學(xué)需氧量濃度遙感反演；楊國(guó)范等[9]基于Landsat OLI衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提出比值線性回歸模型與最小二乘支持向量機(jī)2種楊反演模型，對(duì)鐵嶺市清河水庫(kù)葉綠素a濃度進(jìn)行了反演；王代堃等[10]基于Landsat-8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)濱海新區(qū)海河水體的懸浮物濃度，分別建立基于統(tǒng)計(jì)回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的2種經(jīng)驗(yàn)算法反演模型；Essam等[11]利用Landsat-8波段比值與逐步回歸以估計(jì)光學(xué)與非光學(xué)地表水質(zhì)量參數(shù)濃度；王云霞[12]在清河水庫(kù)建立了反演清河水庫(kù)總氮、總磷含量的最適模型；趙文宇等[13]基于Landsat-8 OLI衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究葉綠素a的光譜特征并確定遙感定量監(jiān)測(cè)最佳波段，結(jié)合東道海子地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立葉綠素a的遙感估測(cè)模型；種丹等[14]基于云南九大高原湖泊的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和葉綠素a濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)波段的地表輻射率進(jìn)行了組合試驗(yàn)，優(yōu)選出九湖葉綠素a濃度的統(tǒng)計(jì)模型；夏曉蕓等[15]建立線性回歸模型等對(duì)大伙房水庫(kù)葉綠素a濃度進(jìn)行定量反演；周媛等[16]分析黃河口及其附近海域不同懸浮物質(zhì)量濃度的水體光譜特征，利用多種波段組合建立懸浮物質(zhì)量濃度遙感反演算法；周亞?wèn)|等[17]基于GF-1號(hào)遙感數(shù)據(jù)，對(duì)武漢市及周邊湖泊82個(gè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立多元線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行了綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)反演。

上述學(xué)者利用實(shí)測(cè)水質(zhì)濃度和遙感數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了反演，還有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)COD、BOD、TP、TN水質(zhì)參數(shù)的光譜特征進(jìn)行了分析，研究表明水質(zhì)參數(shù)的反射光譜數(shù)據(jù)與濃度有很好的相關(guān)性。龔紹琦等[18]采用ASD 公司的FieldSpec? Pro FR光譜儀，在純水中進(jìn)行氮磷試驗(yàn)，測(cè)定氮磷的反射光譜，分析氮磷反射光譜數(shù)據(jù)，表明與濃度有很好的相關(guān)性，并以這些特征值建立了總氮、總磷濃度的反演模型；劉洪英等[19]提出基于高光譜成像技術(shù)的污水BOD檢測(cè)方法，通過(guò)便攜式高光譜成像系統(tǒng)獲取BOD濃度較高水體，建立水質(zhì)濃度與光譜反射率最優(yōu)相關(guān)波段，建立BOD與光譜反射率之間回歸模型；劉飛等[20]用近紅外光譜儀等在實(shí)驗(yàn)室對(duì)COD濃度較高的水體進(jìn)行光譜分析，研究表明光譜傳感技術(shù)可用于環(huán)境實(shí)際水體COD。國(guó)內(nèi)外利用遙感手段進(jìn)行內(nèi)陸II類(lèi)水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)估研究的對(duì)象以湖泊和主干河流為主，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)城市細(xì)小河網(wǎng)進(jìn)行水質(zhì)遙感反演研究具有重要的意義。本文以浙江省嘉興市為研究區(qū)，利用航空高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)城市河網(wǎng)的CODcr、BOD5、TP、TN這4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定量反演研究，分析波段組合與水質(zhì)參數(shù)濃度的相關(guān)性，選取相關(guān)性最高組合建立反演模型，并對(duì)水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行分析，為嘉興市河網(wǎng)的水質(zhì)參數(shù)定量反演提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

浙江省嘉興市地處長(zhǎng)江三角洲南翼的杭嘉湖平原，河道總長(zhǎng)1.38×104km，水域面積418 km2，占全市總面積的10.7%，是一個(gè)典型的河網(wǎng)城市，水系呈“二環(huán)、三湖、八放射”的水網(wǎng)結(jié)構(gòu)，素有魚(yú)米之鄉(xiāng)之稱。選取嘉興市主城區(qū)作為研究區(qū)，主城區(qū)河網(wǎng)呈現(xiàn)外圍為主航道的半環(huán)狀的包圍，具備典型河網(wǎng)要素，包括東段的東外環(huán)河和北段西段的北郊河，內(nèi)部有環(huán)形的環(huán)城河，大片水域包括主城區(qū)南部的南湖風(fēng)景區(qū)，東北部的湘家蕩濕地和西部區(qū)域的石臼漾濕地，城市內(nèi)部河網(wǎng)交錯(cuò)縱橫，主要以南北走向的穆河溪、京杭大運(yùn)河、六里長(zhǎng)涇和東西走向的新塍塘、京杭大運(yùn)河、平湖塘、嘉善塘、長(zhǎng)纖塘組成。

基于半經(jīng)驗(yàn)法的城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)航空高光譜反演技術(shù)路線，如圖1所示。在數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理階段，采集研究區(qū)范圍內(nèi)的航空高光譜遙感數(shù)據(jù)，同步獲取水質(zhì)采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)和水面以上光譜數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理；基于水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)和水面以上光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建水質(zhì)化驗(yàn)濃度與水體反射率光譜關(guān)系模型和水質(zhì)參數(shù)高光譜反演模型；進(jìn)而基于航空高光譜遙感數(shù)據(jù)反演水質(zhì)參數(shù)，并對(duì)定量反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

圖1 基于半經(jīng)驗(yàn)法的城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)航空高光譜反演技術(shù)路線圖

航空高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理。采用運(yùn)5飛機(jī)搭載芬蘭機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)(airborne hyperspectral imaging systems，AISA)載荷，于2012年11月5—7日和11月19日分4架次獲取航空高光譜數(shù)據(jù)，航空高光譜遙感數(shù)據(jù)的光譜范圍為400～970 nm，波段數(shù)為126個(gè)，數(shù)據(jù)采集航高為1 000 m，空間分辨率為1.2 m，航測(cè)區(qū)域范圍約80 km2，共獲取航線14條，如圖2(a)所示，左上角坐標(biāo)為120°41′E、30°48′N(xiāo)，右下角坐標(biāo)為120°48′E、30°44′N(xiāo)。高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射校正、幾何校正、大氣校正及水體提取。大氣校正實(shí)現(xiàn)圖像像元從表觀輻亮度到地表反射率的轉(zhuǎn)換，水體提取實(shí)現(xiàn)水陸分離，如圖2(b)所示。

圖2 研究區(qū)城市河網(wǎng)遙感數(shù)據(jù)與水體分布

2012年10月26日、11月1日、11月5—6日期間，在晴空無(wú)云、水體較穩(wěn)定的情況下選取10時(shí)至15時(shí)時(shí)間區(qū)段，進(jìn)行河網(wǎng)地面水質(zhì)采樣和水面以上光譜數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。

地面水質(zhì)采樣包括75個(gè)樣點(diǎn)，送水質(zhì)監(jiān)測(cè)站對(duì)4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)濃度進(jìn)行化驗(yàn)，水質(zhì)濃度化驗(yàn)方法分別為：用重鉻酸鹽法測(cè)量CODcr濃度，用稀釋與接種法測(cè)量BOD5濃度，用鉬酸銨分光光度法測(cè)量TP濃度，用過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)量TN濃度。

水面以上光譜測(cè)量采用ASD 便攜式野外光譜儀FieldSpec? Pro FR，波長(zhǎng)范圍為350～2 500 nm，采用“水面以上法”測(cè)量水面光譜；水面光譜數(shù)據(jù)在完成異常數(shù)據(jù)剔除處理后獲取離水輻亮度，最終轉(zhuǎn)換成水表反射率光譜。

2 水質(zhì)參數(shù)反演模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)水質(zhì)濃度采樣化驗(yàn)結(jié)果和水表光譜反射率進(jìn)行相關(guān)性分析，獲取水質(zhì)參數(shù)相關(guān)系數(shù)最佳的波段或波段組合反射率值，再采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法構(gòu)建相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)定量反演模型。

2.1 水表反射率與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性分析

對(duì)水質(zhì)采樣濃度化驗(yàn)數(shù)據(jù)、水面以上光譜數(shù)據(jù)和采樣點(diǎn)GPS點(diǎn)位數(shù)據(jù)等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、格式化處理，并將水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與水表光譜反射率進(jìn)行單波段和雙波段比值相關(guān)性分析。

1)單波段相關(guān)性分析。水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與單波段反射率相關(guān)系數(shù)曲線如圖3所示，所有波長(zhǎng)的水表光譜反射率與CODcr、BOD5濃度相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與TP、TN濃度相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 地面水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與單波段反射率相關(guān)系數(shù)曲線

水質(zhì)指標(biāo)單波段相關(guān)系數(shù)雙波段比值相關(guān)系數(shù)最大絕對(duì)值對(duì)應(yīng)波段/nm最大絕對(duì)值對(duì)應(yīng)波段/nmCODcr0.538050.86650/683BOD50.445650.84689/667TP0.597930.84692/649TN0.448120.84787/678

2)雙波段比值相關(guān)性分析。相比單純分析單波段水表反射率與水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)之間的相關(guān)性，雙波段水表反射率比值可以在一定程度上消除儀器

測(cè)量時(shí)所帶入的噪聲、測(cè)量環(huán)境變化所帶來(lái)的誤差和大氣的影響，達(dá)到信息增強(qiáng)與信息壓縮的目的，以利于更好地建立水表反射率與水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系。

不同的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)對(duì)不同的波段組合敏感性不同，為了確定不同水質(zhì)指標(biāo)的最佳波段組合，計(jì)算了波段組合與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)如圖4所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

3)相關(guān)性分析結(jié)果。從表1中可以發(fā)現(xiàn)單波段相關(guān)性分析結(jié)果，CODcr、TN、TP的敏感波段為近紅外范圍，BOD5的敏感波段位于綠波段范圍，相關(guān)系數(shù)最大絕對(duì)值在0.5左右，相關(guān)系數(shù)較低。相比單波段水表反射率，雙波段水表反射率比值與水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性更強(qiáng)，每個(gè)水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與雙波段水表反射率比值相關(guān)系數(shù)的最大絕對(duì)值，都要遠(yuǎn)大于其與單波段水表反射率相關(guān)系數(shù)的最大絕對(duì)值，雙波段水表反射率比值相關(guān)系數(shù)均位于0.8以上，呈現(xiàn)顯著相關(guān)，而且水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與波段反射率比值的相關(guān)系數(shù)不再保持非負(fù)或非正的特征，而是既有正值，也有負(fù)值，雙波段的波段組合算法與水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性有明顯的提高。因此，CODcr、BOD5、TP、TN這4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，選擇與波段比值相關(guān)系數(shù)最佳的波段分別為650 nm/683 nm、689 nm/667 nm、692 nm/649 nm、787 nm/683 nm。

圖4 地面水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)與雙波段水表反射率相關(guān)性分析

2.2 反演模型建立

利用前述CODcr、BOD5、TP、TN這4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)選取的反射率特征波段，與所對(duì)應(yīng)的最佳波段組合比值進(jìn)行回歸分析和擬合，分別采用了線性擬合、二次多項(xiàng)式擬合、指數(shù)擬合、冪函數(shù)等4個(gè)擬合模型，并計(jì)算了擬合結(jié)果的決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)R2和RMSE兩項(xiàng)指標(biāo)綜合衡量建立的模型，選擇最優(yōu)擬合模型作為該水質(zhì)參數(shù)的定量反演模型。其中，CODcr最優(yōu)擬合模型為二次多項(xiàng)式模型見(jiàn)式(1)。

y=70.467x2-94.034x+36.319

(1)

BOD5最優(yōu)擬合模型為二次多項(xiàng)式模型見(jiàn)式(2)。

y=-5.177 7x2+48.635x-36.152

(2)

TP最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型見(jiàn)式(3)。

y=0.000 6e6.466 9x

(3)

TN最優(yōu)擬合模型為二次多項(xiàng)式模型見(jiàn)式(4)。

y=-1.370 4x2+ 3.804x+1.208 6

(4)

上述擬合曲線決定系數(shù)R2都在0.69以上，擬合效果較好；其中CODcr的擬合效果最好，決定系數(shù)為0.74，總磷的擬合效果較差，決定系數(shù)為0.69，擬合效果的次序?yàn)镃ODcr> TN >BOD5> TP。

表2 水質(zhì)參數(shù)高光譜遙感反演模型擬合結(jié)果比較

3 水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)參數(shù)反演

將4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)高光譜遙感反演最佳擬合模型的特征波段作為參考波段，對(duì)應(yīng)找到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的航空高光譜遙感數(shù)據(jù)的波段號(hào)及中心波長(zhǎng)，如表3所示，測(cè)得4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)所選特征波段的反射率。

利用前述構(gòu)建的4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)定量遙感反演模型，獲得基于航空高光譜遙感數(shù)據(jù)的4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)

濃度反演結(jié)果，如圖5所示。

表3 水質(zhì)參數(shù)反演參考波段與AISA光譜波段對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 航空高光譜遙感水質(zhì)參數(shù)反演濃度分布圖

3.2 結(jié)果分析

針對(duì)4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)濃度遙感定量反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用未用于建模，且與獲取遙感數(shù)據(jù)飛機(jī)近同時(shí)通過(guò)區(qū)域的地面水質(zhì)樣點(diǎn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，3個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)位于穆河溪，反演結(jié)果取驗(yàn)證樣點(diǎn)位置半徑5 m反演結(jié)果的平均值。結(jié)合圖5，對(duì)水質(zhì)參數(shù)高光譜數(shù)據(jù)反演的結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5(a)中CODcr濃度分布結(jié)果，外圍航道的北郊河和東外環(huán)河段濃度較高，北郊河北部的部分河段出現(xiàn)了最高值；石臼漾濕地蘆葦凈化帶、南段京杭大運(yùn)河以及中段京杭帶運(yùn)河、長(zhǎng)纖塘以及北部的魚(yú)塘等水域也相對(duì)略高；石臼漾濕地深度凈化單元、新塍塘水系、南湖、西南湖、穆河溪以及少部分城市河網(wǎng)CODcr濃度相對(duì)較低；CODcr在河道上的空間變化較大，在河道的交叉口，有時(shí)相差也較大，湖泊的CODcr濃度普遍小于河流水體的CODcr濃度，湖泊的CODcr濃度隨著離岸距離增大而減小。表4中對(duì)CODcr水質(zhì)濃度反演值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，3個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為12.9%。

表4 CODCr水質(zhì)參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5(b)中BOD5濃度分布結(jié)果，除了東外環(huán)河段、東部和北部池塘水體濃度最高，其他水系濃度都呈現(xiàn)較為平緩的狀態(tài)。表5中對(duì)BOD5水質(zhì)濃度反演值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，3個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為16.7%。

表5 BOD5水質(zhì)參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

圖5(c)中TP濃度分布結(jié)果，在北郊河北部主航道水系有較多的高值，外圍航道的北郊河和東外環(huán)河TP濃度較高，相家蕩、石臼漾濕地、長(zhǎng)纖塘、六里長(zhǎng)涇水系、穆河溪以及京杭運(yùn)河河段濃度較低，城市中心南湖水系、西南湖濃度最低。表6中對(duì)TP水質(zhì)濃度反演值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，3個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為22.0%。

表6 TP水質(zhì)參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

圖5(d)中TN濃度分布結(jié)果，在東部的種植區(qū)域池塘水體出現(xiàn)了較多的極高值，同時(shí)北部的漁業(yè)飼養(yǎng)區(qū)域濃度也較高，這與農(nóng)業(yè)種植以及飼養(yǎng)存在一定的關(guān)系，其余水系呈現(xiàn)由環(huán)城河南湖區(qū)域向四周逐漸增加的趨勢(shì)，外圍航道的TN濃度高于內(nèi)部水系水體濃度。表7中對(duì)TN水質(zhì)濃度反演值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，3個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為2.6%。

表7 TN水質(zhì)參數(shù)反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)上述水質(zhì)參數(shù)濃度反演結(jié)果整體分析可以看出，嘉興市河網(wǎng)水體的4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)濃度整體較低，但在東部和北部的河流的參數(shù)濃度較高；嘉興市南湖、西南湖這兩個(gè)主要湖泊的各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度較低，而且水質(zhì)指標(biāo)濃度由湖心向四周濃度逐漸遞增，符合湖泊水質(zhì)的分布特點(diǎn)。從反演的濃度分布結(jié)果來(lái)看，較好體現(xiàn)嘉興市河網(wǎng)CODcr、BOD5、TP和TN的整體分布和趨勢(shì)。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，TN反演結(jié)果較好，其次為CODCr、BOD5反演結(jié)果，較差的為T(mén)P反演結(jié)果。由于地面采樣時(shí)間與航空高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間不完全同步，用于驗(yàn)證的地面水樣水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)也較少，航空高光譜遙感數(shù)據(jù)坐標(biāo)和地面采樣坐標(biāo)存在誤差等因素，對(duì)水質(zhì)參數(shù)濃度定量反演精度會(huì)造成一定誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析多年文獻(xiàn)資料可知，在研究與工程應(yīng)用中，較為普遍的是利用多光譜遙感技術(shù)反演大江、大型湖泊以及河網(wǎng)城市的水質(zhì)參數(shù)，而利用航空高光譜遙感手段反演城市細(xì)小河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)的情況比較少。

針對(duì)研究區(qū)域具體數(shù)據(jù)，采用半經(jīng)驗(yàn)法建立了城市河網(wǎng)航空高光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)城市河網(wǎng)水體CODcr、BOD5、TP和TN等水質(zhì)參數(shù)的濃度反演。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)同步采樣的水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)和水面以上光譜數(shù)據(jù)的分析，得到相關(guān)關(guān)系的最佳波段比，分別為650 nm/683 nm、689 nm/667 nm、692 nm/649 nm、787 nm/678 nm。進(jìn)一步結(jié)合地面同步水質(zhì)采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了上述4項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)定量反演模型；水質(zhì)參數(shù)決定系數(shù)R2分別為0.74、0.70、0.69、0.71，均方根誤差RMSE分別為2.79、1.92、0.02、0.16，擬合R2>0.69，擬合效果次序?yàn)镃ODcr>TN> BOD5>TP；最后利用航空高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行CODcr、BOD5、TP和TN的水質(zhì)參數(shù)定量反演，從水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果的濃度分布情況來(lái)看，整體情況較好，其中東部和北部的河流的反演參數(shù)濃度較高，這與農(nóng)業(yè)種植以及飼養(yǎng)存在一定的關(guān)系；湖泊水質(zhì)指標(biāo)濃度由湖心向四周濃度逐漸遞增，符合湖泊水質(zhì)的分布特點(diǎn)，反應(yīng)了反演結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度。從驗(yàn)證情況來(lái)看，驗(yàn)證效果次序?yàn)門(mén)N>CODcr>BOD5>TP，平均相對(duì)誤差為2.6%、12.9%、16.7%、22%，基本與模型擬合效果次序一致。

航空高光譜遙感數(shù)據(jù)反演城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高光譜遙感在流動(dòng)性大、水質(zhì)狀況分布錯(cuò)綜復(fù)雜的城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)反演。基于半經(jīng)驗(yàn)法的城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)航空高光譜遙感反演模型簡(jiǎn)單易用，有一定精度并方便連續(xù)監(jiān)測(cè)固定區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)，可對(duì)其他城市河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)遙感反演理論研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及高光譜衛(wèi)星和航空載荷等方面研究提供借鑒。