環(huán)境衛(wèi)星遙感反演在水源地水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警中的精度探討及修正方法研究

巴 諾

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 概述

水源地水質(zhì)環(huán)境狀況是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。水環(huán)境監(jiān)測(cè)是保障水源地水環(huán)境狀況的重要措施。近些年來，水源地水質(zhì)狀況頻發(fā)，特別是富營(yíng)養(yǎng)化影響下的水源地“水華”現(xiàn)成呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢(shì)，急需要對(duì)水源地環(huán)境狀況進(jìn)行有效的應(yīng)急監(jiān)測(cè)和預(yù)警。目前，對(duì)于水源地的應(yīng)急監(jiān)測(cè)主要通過采集水樣，通過及時(shí)測(cè)定水樣數(shù)據(jù)來對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)定數(shù)據(jù)精度較高，缺點(diǎn)在于很難對(duì)水源地水質(zhì)狀況進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)，存在以點(diǎn)代面的局限，此外很難實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)警，因而很難實(shí)現(xiàn)對(duì)水源地水環(huán)境狀況的提前保護(hù)。當(dāng)前，環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)逐步在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，但是由于環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的精度和時(shí)效性，其中水源地水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警中應(yīng)用還較少，為此本文以遼寧東部某水源地為研究實(shí)例，結(jié)合7期環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分析其在水源地應(yīng)急監(jiān)測(cè)的預(yù)警精度，并通過建立回歸方程對(duì)反演指標(biāo)進(jìn)行修正。研究成果對(duì)于水源地應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)、預(yù)警具有重要的參考價(jià)值。

2 環(huán)境衛(wèi)星遙感影像研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

為保障水環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和精度的需求，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要有8個(gè)，具體見表1。這些衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了較好的數(shù)據(jù)支撐。本文選擇HJ-1A/1B環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的下載平臺(tái)見參考文獻(xiàn)[16]，該環(huán)境衛(wèi)星包含藍(lán)、綠、紅和近紅外共4個(gè)波段，空間分辨率可達(dá)30m。本文還應(yīng)用Landsat8 OLI遙感影像作為基本影響數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何修正處理。為保證遙感影響數(shù)據(jù)的同步性，選擇環(huán)境衛(wèi)星遙感過境時(shí)間為2天的數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)。

表1 常用的環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

(1)輻射定標(biāo)

由于不同衛(wèi)星傳感器對(duì)反演物體波段的響應(yīng)效果不同，使得相同輸入項(xiàng)后得到不同的輸出值，使得遙感圖像上出現(xiàn)條紋現(xiàn)象，因此需要對(duì)這種影響進(jìn)行輻射定標(biāo)的處理，輻射定標(biāo)系數(shù)的計(jì)算方程為：

L=DN/A+L0

(1)

式中，L0—偏移量，mm；A—定標(biāo)的增益系數(shù)。

各遙感數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)系數(shù)見表2。

表2 常用環(huán)境遙感衛(wèi)星不同參量的輻射定標(biāo)系數(shù)

(2)幾何校正

由于遙感器的狀態(tài)以及運(yùn)行速度會(huì)使得遙感影像數(shù)據(jù)發(fā)生不同程度的形變，使得遙感影像數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的幾何變形，幾何校正是遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)。本文應(yīng)用Landsat8 OLI作為基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正。

(3)大氣校正

由于大氣散射所引起的地表反射率影像使得遙感圖像中出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，為消除這類誤差，需要對(duì)獲取的遙感影響數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。大氣校正需要輸入的主要參數(shù)包括圖像中心經(jīng)緯度、傳感器飛行高度、圖像區(qū)域平均海拔、圖像像素大小、傳感器種類、溶膠反演方法、氣溶膠模型、成像時(shí)間等。

2.3 水質(zhì)反演原理

通過計(jì)算環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中各波段總的輻射亮度值來計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)的反演值，計(jì)算方程為：

Lt=LP+LS+LV+Lb

(2)

式中，LP—水體表面下太陽(yáng)光和天空輻射；Ls—水體表層輻射；Lv—達(dá)到水體表層的太陽(yáng)輻射以及水體中有機(jī)物和無機(jī)物與水體相互作用的輻射；Lb—水體底部反射的太陽(yáng)光輻射。

由于水體中不同物質(zhì)成分受到水體吸收和散射的影響，不同水體有機(jī)或者無機(jī)物質(zhì)在一定波段內(nèi)的反射率不同，結(jié)合該反射率是推求水源地水質(zhì)各指標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

2.4 水質(zhì)綜合預(yù)警原理

結(jié)合環(huán)境衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合反演，計(jì)算不同指標(biāo)的綜合指數(shù)，再綜合各水質(zhì)指標(biāo)數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到綜合預(yù)警指標(biāo)值，綜合預(yù)警指數(shù)方程為：

(3)

其中各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方程為：

(4)

式中，TLI(∑)—綜合預(yù)警值；Wj—各綜合指標(biāo)的權(quán)重值；TLI(j)—各反演水質(zhì)指標(biāo)修正值；m—評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；rij—各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)。

3 研究實(shí)例

3.1 水源地概況及水樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

以遼寧東部某水源地作為研究實(shí)例，該水源地為城市居民生活飲用水重要的水源地，每年的城市生活飲用水供水量為1.3億m3，水源地控制的面積為2795km2，庫(kù)區(qū)降水主要來源于夏季，庫(kù)區(qū)以上多年平均降水量為700～900mm，多年平均來水量為11.3×108m3，有效調(diào)節(jié)庫(kù)容為2.35億m3。近些年來，水源地加大水環(huán)境保護(hù)，水環(huán)境狀況得到逐步改善，為有效監(jiān)測(cè)水源地水質(zhì)狀況，在水源地庫(kù)區(qū)內(nèi)布設(shè)6個(gè)水樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合前面敘述的遙感影像獲取數(shù)據(jù)，采用輻射定標(biāo)系數(shù)方法、幾何校正、大氣校正方法對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其中選用的遙感影像數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)系數(shù)見表3，大氣校正所輸入的參數(shù)見表4。

表3 選用的遙感影像數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)系數(shù)

表4 遙感影像數(shù)據(jù)大氣校正輸入的參數(shù)

3.3 波段組合的選擇

水質(zhì)指標(biāo)反演精度主要取決于選擇的波段，波段敏感程度對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)十分重要，HJ1A-CCD衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共包含4個(gè)波段，結(jié)合Pearson相關(guān)分析法對(duì)各波段及波段組合及相對(duì)應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表5。

表5 各波段及波段組合與相對(duì)應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

注：**表示為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

從相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，組合波段與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)度均高于單一波段下的相關(guān)系數(shù)。因此一般選用與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)度較高的波段組合作為反演模型。從表中可看出，葉綠素的濃度與波段組合B2-B1的相關(guān)度最高，相關(guān)度為0.616，且通過雙側(cè)0.01水平的相關(guān)顯著性檢驗(yàn)。而與透明度相關(guān)性最高的組合波段為(B1+B2)/(B3+B4)，其相關(guān)系數(shù)為0.413，也通過雙側(cè)0.01水平的相關(guān)顯著性檢驗(yàn)。懸浮物與B2-B1的波段組合相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)度為0.635，通過雙側(cè)0.05水平的相關(guān)顯著性檢驗(yàn)。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)而言，其相關(guān)度最高的波段組合為(B1+B2)/(B3+B4)，相關(guān)系數(shù)為-0.325，相關(guān)性通過雙側(cè)0.01水平的相關(guān)顯著性檢驗(yàn)。從波段分析結(jié)果還可看出，水體污染物指標(biāo)濃度越大，其波段反射率越大，通過波段組合優(yōu)先分析，波段反射率在460～750nm適合于葉綠素、懸浮物、透明度以及富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的反演計(jì)算。

3.4 波段反演回歸方程的建立

在波段組合相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，確定了各反演水質(zhì)指標(biāo)的最優(yōu)波段，結(jié)合所選取的環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提取各最優(yōu)波段的反射率數(shù)據(jù)，通過反演方程計(jì)算各組合波段的反演值，作為自變量x，各水質(zhì)反演指標(biāo)作為應(yīng)變量y，建立各水質(zhì)指標(biāo)的回歸方程，見表6，回歸方程建立的依據(jù)如圖1所示。

表6 各水質(zhì)指標(biāo)反演回歸方程的建立結(jié)果

以葉綠素波段組合下反射率值為其回歸方程的自變量，以其水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定值為其應(yīng)變量，建立葉綠素的反演回歸方程，從其建立的回歸方程可看出，較好的擬合了中、下部區(qū)域的散點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)為0.6167，相關(guān)度較高，可以應(yīng)用該回歸方程來建立遙感模型，對(duì)水源地葉綠素指標(biāo)進(jìn)行反演。建立懸浮物最優(yōu)波段組合下反射率下的回歸方程，從圖1中可看出，其建立的回歸方程較好的擬合了中下部散點(diǎn)數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5226，也可用來進(jìn)行水源地懸浮物的遙感反演計(jì)算。從透明度的反演值可看出，以透明度組合波段下反射率和透明度測(cè)定值建立的回歸方程的系數(shù)可達(dá)到0.5139，可用來進(jìn)行透明度的反演計(jì)算。從富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的反演回歸方程可看出，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.4965，相關(guān)系數(shù)在各指標(biāo)中最低，主要是因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化指數(shù)為綜合指數(shù)，其波段組合反射率影響因素較多，因此其建立的回歸方程相關(guān)系數(shù)較低，但從圖1中可看出，其回歸方程的相關(guān)線較好的擬合了其散點(diǎn)，可用來進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的反演計(jì)算。

圖1 各水質(zhì)指標(biāo)的波段組合值與反演值的回歸方程

3.5 反演修正后的精度對(duì)比分析

結(jié)合建立的反演回歸方程，構(gòu)建水源地各水質(zhì)指標(biāo)遙感監(jiān)測(cè)模型，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行反演計(jì)算，并結(jié)合各采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值，對(duì)比分析修正前后的反演計(jì)算誤差，分析結(jié)果見表7—10。

表7 葉綠素指標(biāo)修正前后的反演誤差對(duì)比結(jié)果

表8 懸浮物指標(biāo)修正前后的反演誤差對(duì)比結(jié)果

表10 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)修正前后的反演誤差對(duì)比結(jié)果 單位：%

從表7—10中可看出，修正前后水源地葉綠素反演誤差得到較為明顯的改善，修正前期反演誤差在40.41%～43.03%之間，而通過建立的回歸方程進(jìn)行修正后，其葉綠素的反演誤差在21.09%～23.88%之間，相比于修正前，誤差降低22.7%，而從懸浮物的反演誤差對(duì)比結(jié)果可看出，修正前其誤差在±40%以上，而采用建立的回歸方程進(jìn)行修正后，其懸浮物的反演誤差在±25%以內(nèi)，反演精度得到有效提高。從透明度修正前后的反演誤差可看出，修正前其反演誤差最高值為48.15%，而同一個(gè)采樣點(diǎn)，其誤差降低到22.22%，可見通過建立回歸方程對(duì)其反演進(jìn)行修正，可有效降低水源地水質(zhì)指標(biāo)的反演誤差。

3.6 各水質(zhì)指標(biāo)空間反演結(jié)果

在反演修正的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同指標(biāo)同一期數(shù)據(jù)進(jìn)行空間反演，反演結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可看出，各水質(zhì)指標(biāo)反演空間值總體呈現(xiàn)從上游～下游逐步遞減的變化，污染物濃度較高的區(qū)域主要位于其上游段，這主要是因?yàn)槭艿缴嫌蝸硭挠绊?，上游降雨徑流中的攜帶的污染物進(jìn)行水源地，使得其上游污染物濃度偏高，而下游受到生態(tài)前置庫(kù)的影響，下游水體污染物濃度得到控制。從葉綠素濃度空間分布可看出，45.0～60.0ug/L的區(qū)域比例占總面積比例為8.5%，均位于水源地上游，而0.5～1.0ug/L區(qū)域占總面積比例為45.2%，位于水庫(kù)的下游主要水源區(qū)。從懸浮物的空間分析結(jié)果可看出，懸浮物濃度在200～230mg/l的比例為15.7%，也主要位于水源地上游段。從透明度分析結(jié)果可看出，透明度和懸浮物的空間反演分布較為一致，但中等指標(biāo)面積比例較懸浮物比例有所減少。從富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)可看出，由于其實(shí)葉綠素、透明度、懸浮物的綜合指數(shù)構(gòu)建，因此其反演空間變化是其他幾個(gè)指標(biāo)的綜合反演，因此空間分布具有一定的相似性，從分布值可看出，富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)在60%～70%之間的比例為14.1%。

3.7 水質(zhì)綜合預(yù)警研究

由于當(dāng)前環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的時(shí)效性得到顯著提高，可以結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)水源地進(jìn)行多指標(biāo)的綜合預(yù)警，本文構(gòu)建了綜合預(yù)警的指標(biāo)等級(jí)，見表11，并結(jié)合實(shí)例對(duì)水源地進(jìn)行綜合預(yù)警，結(jié)果見表12。

圖2 各水質(zhì)指標(biāo)空間反演結(jié)果

表11 水源地水質(zhì)綜合分級(jí)預(yù)警值

表12 水源地水質(zhì)綜合預(yù)警結(jié)果

從表11中可看出，主要分為5個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)對(duì)應(yīng)其相應(yīng)的預(yù)警指數(shù)，通過環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可提取逐月不同水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的組合波段的反射率，通過構(gòu)建的回歸方程對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行反演修正，得到不同指標(biāo)的反演濃度，通過設(shè)定權(quán)重，結(jié)合綜合預(yù)警指數(shù)計(jì)算方法，對(duì)其綜合預(yù)警指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)不同程度的預(yù)警，表12為研究水源地綜合預(yù)警的一個(gè)實(shí)例，結(jié)合水源地2017年9月到2018年10月的環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過組合波段反射率的選取，計(jì)算其預(yù)警指數(shù)，并結(jié)合表11確定不同月份的預(yù)警等級(jí)，該水質(zhì)預(yù)警可有效實(shí)現(xiàn)水源地水環(huán)境的生態(tài)保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)水體污染物指標(biāo)濃度越大，其波段反射率越大，通過波段組合優(yōu)先分析，波段反射率在460～750nm適合于葉綠素、懸浮物、透明度以及富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的反演計(jì)算。

(2)結(jié)合環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋應(yīng)急反演監(jiān)測(cè)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法以點(diǎn)代面的局限，可在水源地水生態(tài)監(jiān)測(cè)中得到推廣和應(yīng)用。

(3)基于衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)建立的綜合預(yù)警方案，可實(shí)現(xiàn)水源地動(dòng)態(tài)預(yù)警，具體應(yīng)用中可結(jié)合水源地實(shí)際情況對(duì)預(yù)警等級(jí)及指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。

(4)本文只針對(duì)水源地主要4個(gè)影響指標(biāo)反演精度進(jìn)行探討，其他指標(biāo)比如重金屬、水溫還需要以后進(jìn)行深入研究。