基于遙感衛(wèi)星影像技術的城市黑臭水體識別原理及精度評價方法

張玲

摘要：隨著高分系列、資源系列等高空間分辨率衛(wèi)星的發(fā)射，我國的遙感監(jiān)測技術開始由傳統(tǒng)的低效率、高成本發(fā)展為高效率、低成本。本文主要闡述了衛(wèi)星遙感影像上基于特征波段和基于色度法、飽和度法等指標的城市黑臭水體識別的原理，以及城市黑臭水體的點位精度評價方法和線段精度評價方法，為進一步利用遙感衛(wèi)星技術識別城市黑臭水體奠定了理論基礎。結果表明，采用高空間分辨率衛(wèi)星進行黑臭水體遙感監(jiān)測新理論和新方法研究具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

關鍵詞：衛(wèi)星影像 ?黑臭水體 ?識別原理 ?精度評價

近年來，隨著我國城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市水體黑臭水體問題已經(jīng)成為較為突出的水環(huán)境問題。對于黑臭水體的排查和識別，傳統(tǒng)的方法大多是采用人工實地調(diào)查和公眾監(jiān)督舉報的方法。人工實地調(diào)查方法效率低，成本高，且難以長時期的進行周期性監(jiān)測。而公眾監(jiān)督舉報方法是用戶根據(jù)公眾根據(jù)自己實際的感官體驗向政府有關部門舉報，由于每個人感官體驗不同，這種方法往往存在漏報和錯報的現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)地面監(jiān)測手段，借助衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行監(jiān)測具有很大的優(yōu)勢。衛(wèi)星遙感獲得的監(jiān)測信息在空間和時間上具有連續(xù)性，動態(tài)影響能力強，可做周期性監(jiān)測。因此，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，以遙感圖像處理技術為依托，結合地面數(shù)據(jù)采集與分析，開展天地一體化的黑臭水體遙感監(jiān)測新理論和新方法研究具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

目前，國內(nèi)外學者利用現(xiàn)有各類衛(wèi)星傳感器對黑臭水體的研究較少，主要集中在兩方面：一是利用高分辨率陸地衛(wèi)星和低分辨率海洋衛(wèi)星對常規(guī)陸地地表水質(zhì)參數(shù)進行遙感反演、識別并解譯黑臭水體;二是根據(jù)一般水體與黑臭水體不同的光譜特征，利用波段組合，識別黑臭水體。國內(nèi)研究中，姚月等人（2019）通過分析黑臭水體的光譜特征，提出了一種基于反射率光譜指數(shù)BOI的黑臭水體識別模型，具有較高的識別度[1];靳海霞等人（2017）利用高分二號衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)對水體水質(zhì)參數(shù)反演，水質(zhì)參數(shù)包括葉綠素a、懸浮物濃度等，與預先設定的黑臭水體水質(zhì)參數(shù)的比較實現(xiàn)判別[2];溫爽等人（2018）利用綠光波段遙感反射率的單波段閾值，藍、綠波段差值，紅、綠波段比值以及色度值，構建了基于GF-2影像的城市黑臭水體遙感識別算法[3];田建林等人（2018）利用遙感衛(wèi)星定量反演珠江三角洲附近水體的水質(zhì)參數(shù)，并以此為主要依據(jù)建立水體污染源目標解譯標志，識別出5類共77處污染源[4];林劍遠（2019）采用半經(jīng)驗法建立了城市河網(wǎng)航空高光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型，實現(xiàn)了研究區(qū)城市河網(wǎng)水體中的水質(zhì)參數(shù)濃度的反演，構建了水質(zhì)參數(shù)定量反演的模型[5]。國外研究中，Dekker等人（1993）分別利用Landsat和SPOT衛(wèi)星反演得到精度較高的總懸浮物濃度[6];Olmanson等人（2008）利用Landsat反演明尼蘇達州超過10000個湖泊的透明度[7];Tebbs等人（2013）基于Landsat反演得到博格里亞湖的葉綠素a濃度對湖泊的生物量進行估算[8]。

本文主要闡述了衛(wèi)星遙感影像上識別城市黑臭水體的原理以及城市黑臭水體的精度評價方法，進一步利用遙感衛(wèi)星技術識別城市黑臭水體奠定了理論基礎。

2 遙感衛(wèi)星影像識別城市黑臭水體的原理

2016年，住房和城鄉(xiāng)建設部和環(huán)境保護部、水利部、農(nóng)業(yè)部等部委編制了《城市黑臭水體整治工作指南》?！冻鞘泻诔羲w整治工作指南》明確了黑臭等級的劃分，如表1所示，城市黑臭水體根據(jù)水體中的透明度、溶解氧、氧化還原電位三種指標來判定。

然而，基于衛(wèi)星遙感影像識別城市黑臭水體不是根據(jù)黑臭水體自身的透明度、溶解氧、氧化還原電位三種指標，而是根據(jù)衛(wèi)星影像本身的顏色組合以及光譜反射率來實現(xiàn)的?；谛l(wèi)星遙感影像識別城市黑臭水體的原理主要是基于兩種思路。第一種思路是基于特征波段進行城市黑臭水體識別。第二種是基于色度法等指標進行黑臭水體識別。

（1）基于特征波段的城市黑臭水體識別原理。采用該方法在衛(wèi)星遙感影像上識別城市黑臭水體主要是通過城市黑臭水體的反射光譜特征來實現(xiàn)的。一般情況下，城市黑臭水體的遙感反射率的曲線與正常的水體有明顯的區(qū)別，二者有明顯的光譜差異。城市黑臭水體在400nm～900nm 波段遙感反射率值整體低于0.025sr-1，而正常水體的在400～900 nm 波段遙感反射率值整體比黑臭水體稍高。對于黑臭水體而言，在400nm～550nm 波段范圍，其波譜曲線反射率斜率較小，波段550nm～580nm 時，波譜曲線達到峰值，但是整體走勢很平緩。在對于正常水體而言，其波譜曲線反射率的斜率較大。正常水體峰值相對黑臭水體較高。根據(jù)黑臭水體與正常水體的光譜差異，利用高分辨率提取城市黑臭水體的方法稱之為基于特征波段的黑臭水體識別算法，該方法主要有波段比值法、改進后歸一化比值法、差值法、單波段閾值法、黑臭水體差值指數(shù)法、黑臭水體斜率指數(shù)法、歸一化黑臭水體指數(shù)法等。

（2）基于色度等多指標的黑臭水體識別原理。在固定工藝和技術下，顯著地物的光譜反射比在一張標準假彩色的衛(wèi)星遙感影像上是一定的，因此，其反映到影像上則為不同的顏色組合。依據(jù)色度標準的規(guī)定（以國際照明委員會為準），地物的顏色用衛(wèi)星遙感影像中的地物光譜反射比來表示，換句話說，即遙感影像的色調(diào)、亮度及飽和度用色度坐標和色度圖來表示，并使這種顏色的標號具有標準化、數(shù)字化和定量化的特點。由于黑臭水體與正常水體的色度指標和飽和度指標的不同，其在遙感影像上均表現(xiàn)出不同的色度和飽和度指標，故利用高分辨率提取城市黑臭水體又有色度法、飽和度法等。

采用色度法進行黑臭水體識別時，首先要在遙感影像上選擇對應等效遙感反射率的紅綠藍波段即R、G、B求出三刺激值X、Y、Z，再將其轉換為色度坐標，進而求出對應的顏色波長。色度坐標計算公式如下式中，R、G、B代表等效遙感反射率的紅綠藍波段。

基于飽和度的黑臭水體識別首先選擇遙感影像上對應的反射率數(shù)據(jù)，然后根據(jù)飽和度計算公式計算出飽和度值，最后根據(jù)城市黑臭水體和非黑臭水體計算的結果，選取合適的閾值來識別黑臭水體。假設等能白光點S坐標為（0.3333，0.3333），則飽和度計算公式如下：

式中，（）為顏色主波長處光譜色度坐標，（x，y）為像元色度坐標，表示顏色主波長處光譜色度坐標與等能白光點的距離，表示像元色度坐標與等能白光點的距離。

但是分析發(fā)現(xiàn)，由于存在光譜重疊、部分水色類似以及在利用遙感圖像進行數(shù)據(jù)處理時大氣校正效果的影響，色度法和飽和度法對于顏色相近的水體識別誤差很大，但是對于顏色差異較大的水體，誤差較小。因此，在利用色度法和飽和度法進行黑臭水體識別時，受外界影響較大，進而影響識別精度。但是對于基于特征波段的黑臭水體識別算法，具有理論依據(jù)，易于操作，原理簡單，能較好實現(xiàn)黑臭水體的提取。相比于基于色度法等指標的黑臭水體識別算法，該方法識別精度較高。研究發(fā)現(xiàn)，在提取城市黑臭水體時，歸一化黑臭水體指數(shù)識別正確率較高，具有較高的穩(wěn)定性。

3 黑臭水體遙感識別精度評價方法

黑臭水體遙感識別精度評價方法主要分三個階段：第一，用高分辨率衛(wèi)星在黑臭水體識別算法的基礎上識別黑臭水體，第二，利用該地區(qū)同步的水質(zhì)測量數(shù)據(jù)對高分辨率衛(wèi)星識別結果進行精度評價。第三，將上述所用算法應用于其他既有同步的水質(zhì)測量數(shù)據(jù)也有衛(wèi)星影像的區(qū)域，驗證該方法的穩(wěn)定性。

黑臭水體遙感識別精度評價方法主要分為點位精度評價方法和長度精度評價方法。

（1）點位精度評價方法。

黑臭水體遙感識別點位精度評價方法[3]以采樣點為基準，采用識別正確率的方法。即識別正確率采用模型后識別正確的樣本個數(shù)與該類別中的總樣本個數(shù)的比值。精度評價指標采用識別正確率，公式如下：

式中， N表示該類別中的總樣本個數(shù)，M表示采用模型后識別正確的樣本個數(shù)。

（2）長度精度評價方法。

黑臭水體遙感識別長度度評價方法[9]以河流線段為基準求出總體遙感識別精度。總體遙感識別精度是先用已確認黑臭河段長度與遙感識別黑臭河段長度作一個比值，再取各河段遙感識別精度的平均值計算出來的。

式中，L2為確認黑臭河段的長度，L1為遙感識別黑臭河段長度。n為參與評價河段精度的長度。

4 結論

隨著我國衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，我國的遙感監(jiān)測技術也在不斷進步和提升。高空間分辨率遙感衛(wèi)星能夠為城市黑臭水體的快速動態(tài)監(jiān)測提供了有效的數(shù)據(jù)保障。采用高分辨率衛(wèi)星進行黑臭水體提取，對我國的水環(huán)境監(jiān)測以及環(huán)境保護都具有十分重要的意義。本文主要研究了衛(wèi)星遙感影像上基于特征波段的黑臭水體識別算法、基于色度法、飽和度法等指標的黑臭水體識別算法，并對這兩種方法進行了對比分析，并闡述了城市黑臭水體點位精度評價方法和長度精度評價方法，結果表明，采用高空間分辨率衛(wèi)星進行黑臭水體遙感監(jiān)測新理論和新方法研究具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。后續(xù)，將采用實際的高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)深入研究如何在高分辨率衛(wèi)星影像上識別黑臭水體。

參考文獻

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