廣州市河網(wǎng)水體總懸浮物變化的遙感分析

速云中，唐世林，史合印

(1. 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301)

0 引言

廣州市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密、市區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，河道水質(zhì)狀況不僅影響本地生態(tài)環(huán)境，突發(fā)性的水質(zhì)污染事件甚至直接威脅到生活供水安全，因此準(zhǔn)確掌握河網(wǎng)水質(zhì)狀況及其動態(tài)變化，對水環(huán)境監(jiān)測具有重要的意義。改革開放以來，珠江的水質(zhì)開始變得較差，在90年代末開始得到政府的重視，并逐步加大投入對珠江的水質(zhì)進(jìn)行整治。2002年年底政府開始提出珠江的整治目標(biāo)，即“一年初見成效、三年不黑不臭、八年江水變清”。但整治的整體效果如何以及水質(zhì)變化的整體趨勢等情況尚待評價。

目前國內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測以傳統(tǒng)的布點(diǎn)采樣方式為主，盡管在線監(jiān)測技術(shù)已有較大進(jìn)步，但傳統(tǒng)監(jiān)測方法仍存在較多缺陷：監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量有限，且站點(diǎn)空間分布對監(jiān)測結(jié)果影響很大；物理化學(xué)和生物分析手段耗時長；監(jiān)測儀器多為接觸式，維護(hù)成本高；藥品和試劑的使用會在環(huán)境監(jiān)測的過程中產(chǎn)生新的污染等。遙感技術(shù)在水體環(huán)境監(jiān)測方面具有空間信息全面、快速、低成本等優(yōu)勢，且本身也是一種符合環(huán)保理念的“清潔”技術(shù)，水質(zhì)遙感正成為世界許多科研機(jī)構(gòu)研究、開發(fā)的新技術(shù)。

水體中的總懸浮物含量是表征水質(zhì)優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，其包含不溶于水的有機(jī)顆粒物和懸浮泥沙等無機(jī)物?？倯腋∥锖渴撬w生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。同時，懸浮物對進(jìn)入水體的光具有吸收或散射作用，也是水體“清潔度”的重要指示劑。

懸浮物遙感已經(jīng)做了相當(dāng)多的工作，并發(fā)展了較多的區(qū)域化算法，包括近海區(qū)域及河口等區(qū)域[1-2]。但利用遙感監(jiān)測河道泥沙含量的研究較少。常規(guī)海洋水色衛(wèi)星空間分辨率較低，無法滿足城市河網(wǎng)監(jiān)測要求。陸地衛(wèi)星系列(Landsat)分辨率較高且時間序列長，但波段設(shè)置及信噪比等沒有根據(jù)水體光譜特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，且在水體中大氣校正困難，限制了水質(zhì)遙感定量反演。本文利用短波紅外和紅外波段的大氣校正算法，成功對陸地衛(wèi)星傳感器進(jìn)行了大氣校正，在此基礎(chǔ)上建立了珠江廣州河段的總懸浮物遙感模型，獲得了珠江廣州段河道總懸浮物變化特征。遙感反演結(jié)果可為政府有關(guān)部門提供高效、直觀的珠江水質(zhì)參考資料，具有現(xiàn)實(shí)的環(huán)境意義和重要的社會意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 現(xiàn)場觀測

本研究以珠江廣州段5個航次的現(xiàn)場觀測(圖1)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，航次執(zhí)行時間分別為2012年9月、2012年12月、2013年1月、2013年11月和2014年9月。觀測指標(biāo)包括：高光譜表觀光學(xué)量、懸浮物濃度、葉綠素濃度、CDOM吸收系數(shù)、溶解氧、無機(jī)氮、無機(jī)磷、總氮、總磷、PH值、鹽度、溫度和風(fēng)速風(fēng)向等。以2012年12月航次所測得的水體光譜反射率特征(圖2)為例，總體而言，觀測水體都存在典型的二類水體光譜特征：在580 nm有明顯的反射峰，在700 nm左右存在一個熒光峰以及在760 nm左右有一個明顯的反射峰。光譜測量表明，珠江廣州段水體光譜同時受到葉綠素、CDOM以及懸浮泥沙影響，整個研究水域旱季(12月和1月)遙感反射比明顯高于雨季(9月)。

圖1 珠江廣州段水質(zhì)及光譜觀測站位置圖

圖2 2012年12月實(shí)測水體遙感反射比

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

考慮到研究水域部分河段寬度僅數(shù)百米以及水體中光學(xué)組分的復(fù)雜性，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率以及光譜分辨率均有較高要求，本研究選擇Landsat-7及Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)對水體中總懸浮物進(jìn)行反演。

本研究采用短波紅外加紅外波段進(jìn)行大氣校正。采用6S(second simulation of satellite signal in the solar spectrum)輻射傳輸模型，計(jì)算圖像瑞利散射。利用該程序模擬無云條件下衛(wèi)星傳感器在太陽反射波段(0.4～2.5 μm)的信號。模型從大氣頂部的總反射率減掉瑞利反射率，得到瑞利校正后的反射率。然后逐個像元利用短波紅外波段構(gòu)建瑞利校正反射率和中心波長之間的指數(shù)關(guān)系(這里假定短波紅外波段反射率不受水體懸浮物質(zhì)的影響)，通過這一關(guān)系式外推到近紅外波段，可以去掉近紅外波段反射率受到懸浮泥沙影響部分;利用近紅外波段不受懸浮泥沙影響的反射率以及短波紅外反射率，計(jì)算大氣校正中的氣溶膠校正指數(shù)ε，并用e指數(shù)外推方法，計(jì)算所有可見光及近紅外波段的氣溶膠反射。

1.3 總懸浮物反演算法

基于高光譜的懸浮物反演算法[3-10]不適用于Landsat衛(wèi)星，因此本文考慮利用前人研究的簡單經(jīng)驗(yàn)算法來建立模型[11-12]。在簡單經(jīng)驗(yàn)算法中，利用四分之三的數(shù)據(jù)來建立模型，用剩余四分之一的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型的精度(數(shù)據(jù)從高到低排列后每4個選取第3個數(shù))。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立了算法公式：TSM=10^(2.50*R4/R3-0.749)，其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.820 55(圖3)。利用驗(yàn)證數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，其平均相對誤差MAE=22.8%(圖4)，可以滿足水質(zhì)反演精度要求，因此可以采用該算法進(jìn)行建模。

圖3 利用波段比值法建立的基于Landsat衛(wèi)星提取TSM遙感反演算法

圖4 TSM遙感反演算法驗(yàn)證

2 總懸浮物濃度的提取

利用上述算法對1999年至2014年珠江廣州河網(wǎng)段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(圖5)?？紤]到廣州夏季遙感影像受云層覆蓋影響很難有連續(xù)性的數(shù)據(jù)，因此本文以11月和12月份總懸浮物濃度為代表，研究總懸浮物濃度變化特征。研究結(jié)果顯示，1999年到2002年，珠江廣州段總懸浮物持續(xù)增長，在2002年左右達(dá)到最高。2002年至2008年總懸浮物濃度不斷降低。2011年相對2008年有所增加，隨后又開始減少，2014年是所有年份中懸浮泥沙濃度最低的一年。

圖5 利用Landsat衛(wèi)星提取的1999—2014年珠江廣州段水體總懸浮物分布特征

3 結(jié)束語

河道水色遙感是一個比較困難的課題，目前報道的成功案例不多。遙感數(shù)據(jù)源(分辨率、信噪比)和大氣校正限制了河道水色遙感的定量反演。本研究利用短波紅外和紅外波段的大氣校正算法，處理了珠江廣州段的 Landsat數(shù)據(jù)，同時遙感建模相對誤差在35% 以下，比較成功地進(jìn)行了珠江廣州河段的懸浮泥沙遙感建模，并獲得了研究區(qū)域的水質(zhì)遙感產(chǎn)品。以云量較少的11月、12月的總懸浮物為例，分析了自1999年以來的懸浮物濃度變化。結(jié)果表明，2002年左右珠江河網(wǎng)總懸浮物濃度最高，2002年以來珠江河網(wǎng)總懸浮物呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，到2014年冬季總懸浮物的含量最低。珠江廣州段水體變得更加清澈，由于研究區(qū)域的水域承載了上游的來水及其攜帶的物質(zhì)，因此除了廣東實(shí)施珠江綜合整治促進(jìn)經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展外，珠江流域包括廣西等地的治理也具有重要的貢獻(xiàn)。從分布圖上看，整個珠江水系，包括西江、北江和東江以及三角洲的河流，其來源的總懸浮物都有一定程度的降低，這印證了近年來各地對珠江流域協(xié)同整治的效果。