基于高分遙感衛(wèi)星影像的湯遜湖水質(zhì)遙感反演

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.湖南航天遠(yuǎn)望科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口不斷增加，工業(yè)廢水、生活污水的排放量日益增長(zhǎng)，水污染呈惡化態(tài)勢(shì)，水污染和水資源短缺成為制約中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。近年來，湯遜湖流域開發(fā)強(qiáng)度越來越大，隨著湯遜湖周邊人口密度不斷增加、產(chǎn)業(yè)園與開發(fā)區(qū)的快速建設(shè)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的迅猛發(fā)展，環(huán)境負(fù)荷不斷加重，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)不到要求，水質(zhì)類別降為Ⅳ類至劣Ⅴ類。建設(shè)城市生態(tài)文明的重要內(nèi)容之一是保障城市水源安全、提高城鎮(zhèn)飲用水源的安全保障水平。因此，探究主要水質(zhì)參數(shù)變化的有效方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)湯遜湖主要水質(zhì)參數(shù)的快速反演尤為重要。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)一般以實(shí)地采樣分析為主，雖然能夠準(zhǔn)確地測(cè)得多種水質(zhì)參數(shù)，但是需要消耗大量人力、物力、財(cái)力，且只能獲得點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上都不連續(xù)，難以達(dá)到大范圍、實(shí)時(shí)性水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求。而遙感技術(shù)具有連續(xù)性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)范圍廣、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中日益受到重視。常規(guī)的遙感水質(zhì)參數(shù)反演方法主要有經(jīng)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)法和半分析法。

本文以武漢市湯遜湖為研究區(qū)，利用高分二號(hào)、高分六號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)和水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)氨氮、總磷和化學(xué)需氧量3種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感定量反演研究，通過分析波段組合與水質(zhì)參數(shù)濃度的相關(guān)性，選取相應(yīng)的特征波段組合建立反演模型，并對(duì)水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行分析，為武漢市湯遜湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

湯遜湖主要位于武漢市東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，流域面積240km2，其中水域面積47.6km2。湯遜湖可劃分為外湯主湖、內(nèi)湯主湖、大橋湖、沙嘴湖、麻雀湖、中洲湖、楊橋湖和紅旗湖8個(gè)子湖(見圖1)。地貌屬于鄂東南丘陵經(jīng)江漢平原向大別山南麓低山丘陵過渡地帶；地形屬于殘丘性河湖沖積平原，地勢(shì)平坦低洼；北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，常年雨量充沛，降水主要集中在每年的6—8月。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源

本次遙感衛(wèi)星影像采用國(guó)產(chǎn)高分系列數(shù)據(jù)(見表1)。高分二號(hào)(GF-2)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)高分辨率1m全色、4m多光譜相機(jī)，具有亞米級(jí)空間分辨率、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。高分六號(hào)(GF-6)衛(wèi)星配置2m全色/8m多光譜高分辨率相機(jī)、16m多光譜中分辨率寬幅相機(jī)，其中2m全色/8m多光譜高分辨率相機(jī)觀測(cè)幅寬90km，16m多光譜相機(jī)觀測(cè)幅寬800km。

表1 遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)詳情

湯遜湖水質(zhì)遙感反演中水質(zhì)參數(shù)有氨氮、總磷和化學(xué)需氧量，3種水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)時(shí)間分別為2019年1月21日和2019年8月12日，與遙感影像成像時(shí)間保持一致，水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息見表2。

表2 水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息 單位：mg/L

2 研究方法

通過半經(jīng)驗(yàn)方法建立水質(zhì)參數(shù)的遙感定量反演模型。主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：?根據(jù)研究目標(biāo)，收集資料，開展水樣采集以及遙感影像數(shù)據(jù)的獲取工作；?根據(jù)需要反演的水質(zhì)參數(shù)，化驗(yàn)水樣的相關(guān)參數(shù)；?對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，通過掩膜提取相應(yīng)水域范圍，進(jìn)行相關(guān)性分析獲取相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)的特征波段組合；?根據(jù)實(shí)際情況，選擇常用的半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行水質(zhì)反演，建立水質(zhì)參數(shù)遙感定量反演模型；?分析模型的精度，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)；?通過水質(zhì)參數(shù)遙感定量反演模型，生成各類水質(zhì)參數(shù)濃度空間分布圖，并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行分析。技術(shù)流程見圖2。

圖2 技術(shù)流程

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感反演

水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)在多光譜遙感影像的應(yīng)用中，特征波段及波段組合基本出現(xiàn)在藍(lán)、綠、紅、近紅外4個(gè)波段，光譜范圍在400～900nm之間。波段組合方式采用波段間的加減乘除以及分子式等形式，波段組合方式參考顧清[14]提出的59種波段組合方式。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集分為反演數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)劃分原則滿足各數(shù)據(jù)分布盡量均勻要求，且反演數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中數(shù)量比例為2∶1。通過計(jì)算得到氨氮、總磷和化學(xué)需氧量實(shí)測(cè)值與相應(yīng)位置處各波段、波段組合的影像像元值之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，得出的3種水質(zhì)參數(shù)最大Pearson相關(guān)系數(shù)的波段組合見表3。

表3 各水質(zhì)參數(shù)特征波段組合信息

通過優(yōu)選出最大Pearson相關(guān)系數(shù)的波段、波段組合進(jìn)行建模，分別建立線性模型、指數(shù)模型、多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)模型和對(duì)數(shù)模型，并從中選取相關(guān)系數(shù)(R2)最大的模型為最優(yōu)的模型。水質(zhì)參數(shù)遙感反演模型信息見表4。

表4 水質(zhì)參數(shù)遙感反演模型信息

通過相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)優(yōu)選出最佳的遙感反演模型對(duì)湯遜湖各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演，從而得到湯遜湖各水質(zhì)參數(shù)的濃度分布數(shù)據(jù)，并綜合各個(gè)水質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)當(dāng)月湯遜湖水質(zhì)情況。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)選取氨氮、總磷和化學(xué)需氧量3參數(shù)完成。具體評(píng)價(jià)方法如下：基于遙感反演的湖區(qū)水質(zhì)濃度，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB 3838-2002)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，判斷每個(gè)像素空間所屬的水質(zhì)類別，綜合3種水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)類別，取最差的水質(zhì)類別，作為本像素空間的最終的水質(zhì)類別。在水質(zhì)狀況較差時(shí)，水質(zhì)濃度超過分類標(biāo)準(zhǔn)中的最大值時(shí)，通常將劣于Ⅴ類水的水質(zhì)劃分為劣Ⅴ類。

3.2 精度評(píng)價(jià)

將水質(zhì)反演的各指標(biāo)濃度與實(shí)測(cè)值相比，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。具體采用平均相對(duì)誤差與絕對(duì)誤差進(jìn)行比對(duì)的方法。在本研究中，將遙感反演值當(dāng)作反演值，地面采樣的測(cè)量值當(dāng)作地面真實(shí)值，不考慮地面采樣測(cè)量本身的誤差。相對(duì)誤差即絕對(duì)誤差所占真實(shí)值的百分比，即相對(duì)誤差=|真實(shí)值-反演值|/真實(shí)值，公式為

(1)

式中：ni為第i個(gè)站點(diǎn)的估算濃度,mg/L；mi為第i個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)濃度,mg/L；qi為第i個(gè)站點(diǎn)的相對(duì)誤差。

根據(jù)地面實(shí)測(cè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，提取對(duì)應(yīng)空間位置各水質(zhì)參數(shù)的濃度值，以地面實(shí)測(cè)值作為真值，對(duì)遙感反演值進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。分別計(jì)算了1月、8月氨氮、總磷、化學(xué)需氧量的相對(duì)誤差(見表5)。

表5 相對(duì)誤差 單位：%

從表5可以看出，在所有參數(shù)中，化學(xué)需氧量的相對(duì)誤差最小，基本在10%以內(nèi)；總磷的相對(duì)誤差在20%左右；氨氮的相對(duì)誤差最大，精度在23%左右。有關(guān)反演精度的誤差從以下幾方面進(jìn)行分析：

a.反演模型的誤差，本研究采用非線性最優(yōu)化的反演方法，通過優(yōu)化模型的參數(shù)，建立遙感信息與地表參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。這種方法通常要求有足夠質(zhì)量較高的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，以提高模型的泛化能力。

b.不同時(shí)期的數(shù)據(jù)反演精度也存在一定的差別，

受衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的限制，本研究中很難做到衛(wèi)星成像與地面采樣完全同步。

c.衛(wèi)星影像處理過程給后續(xù)反演帶來直接的誤差，其誤差源主要來源于輻射定標(biāo)與大氣校正兩個(gè)環(huán)節(jié)。

3.3 反演結(jié)果及分析

基于GF-2、GF-6等中高分辨率衛(wèi)星遙感影像，結(jié)合地面水質(zhì)同步采樣分析，定量化反演了2019年1月、8月湯遜湖的水質(zhì)參數(shù)(總磷、氨氮、化學(xué)需氧量)濃度(見圖3)。通過地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，水質(zhì)遙感反演精度整體較高，氨氮的誤差較大，1月的相對(duì)誤差為25.85%，其主要原因是氨氮濃度的有效數(shù)值范圍太小，因而相對(duì)誤差較大，其余水質(zhì)參數(shù)的相對(duì)誤差較小，相對(duì)誤差低于10%。

圖3 湯遜湖水質(zhì)參數(shù)遙感反演

湯遜湖2019年1月總體水質(zhì)：外湖總體為劣Ⅴ類水質(zhì)，其中外湯主湖劣Ⅴ類水質(zhì)，大橋湖東北部為劣Ⅴ類水質(zhì)，西南部為Ⅴ類水質(zhì)，沙嘴湖、麻雀湖為Ⅴ類水質(zhì)。內(nèi)湖總體為Ⅴ類水質(zhì)，其中內(nèi)湯主湖、楊橋湖為Ⅴ類水質(zhì)，紅旗湖為劣Ⅴ類水質(zhì)，中洲湖為Ⅳ類水質(zhì)。

湯遜湖2019年8月總體水質(zhì)為劣Ⅴ類。

根據(jù)2019年8月各項(xiàng)水質(zhì)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，中洲湖水質(zhì)指標(biāo)濃度較高的區(qū)域主要出現(xiàn)在右側(cè)的中部區(qū)域，即黃家浪和湖北第二師范學(xué)院附近，上述區(qū)域由于居民生活污水的大量排放、高校周邊餐飲業(yè)的廢水排放以及大范圍的圍湖養(yǎng)殖，導(dǎo)致中洲湖右側(cè)中部水質(zhì)污染較為嚴(yán)重；麻雀湖水質(zhì)指標(biāo)濃度較高的區(qū)域主要分布在中部，工礦企業(yè)及居住辦公用地面積占比較大，且主要集中在麻雀湖中部附近，其排放的生活污水及工業(yè)廢水對(duì)附近區(qū)域的水質(zhì)影響較大。

在大橋湖內(nèi)，武漢紡織大學(xué)陽光校區(qū)(大橋湖左下角區(qū)域)以及肖家墩(大橋湖左上角區(qū)域)附近的水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，大橋湖左下角區(qū)域水質(zhì)污染的原因主要是武漢紡織大學(xué)餐飲業(yè)及附近居民區(qū)排放污水，大橋湖左上角區(qū)域由于邊界形狀為內(nèi)嵌型，水面漂浮物經(jīng)常集聚，以及肖家墩附近的生活污水排放，導(dǎo)致大橋湖左上角、左下角區(qū)域水質(zhì)較差。在紅旗湖右側(cè)，即污水處理廠和華中師范大學(xué)武漢傳媒學(xué)院附近水質(zhì)污染較為嚴(yán)重。紅旗湖右側(cè)存在圍湖養(yǎng)殖，在養(yǎng)殖過程中飼料的殘?jiān)鼘?duì)水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)高校附近的各種餐飲類企業(yè)的排污也會(huì)影響附近的水質(zhì)。

在外湯主湖的上部，即先建村和楓樹嘴附近水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，外湯主湖上部區(qū)域由于耕地、圍湖養(yǎng)殖以及居民區(qū)的分布，其中耕地和圍湖養(yǎng)殖使用的農(nóng)藥和化學(xué)肥料，加上居民區(qū)的生活污水大量排放，導(dǎo)致附近水域氮磷等濃度高于其他水域；在內(nèi)湯主湖的右下側(cè)，即武漢紡織大學(xué)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院藏龍島校區(qū)和栗廟新村附近，由于栗廟新村房屋密度較大，居民生活污水的大量排放以及以上兩所高校周邊餐飲業(yè)的廢水排放導(dǎo)致內(nèi)湯主湖右下側(cè)水質(zhì)濃度高于其他水域。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文通過采用高分影像數(shù)據(jù)運(yùn)用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退惴ǚ囱莅钡⒖偭缀突瘜W(xué)需氧量水質(zhì)參數(shù)，并將綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)中，建立了武漢湯遜湖水質(zhì)遙感反演模型，通過反演得到以下主要結(jié)論：

a.從精度評(píng)價(jià)結(jié)果中可以看出，兩期的平均相對(duì)誤差都在20%以內(nèi)，即水質(zhì)參數(shù)的平均精度達(dá)到80%左右，表明了湯遜湖水質(zhì)遙感反演模型的可行性。

b.從氨氮、總磷和化學(xué)需氧量的相對(duì)誤差來看，兩期水質(zhì)參數(shù)的反演精度由高到低分別為化學(xué)需氧量、總磷、氨氮；從3種水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來看，2019年1月湯遜湖綜合水質(zhì)狀況要優(yōu)于8月的綜合水質(zhì)。

c.衛(wèi)星遙感反演結(jié)果表明，湯遜湖中央的水質(zhì)狀況總體優(yōu)于沿岸的水質(zhì)狀況；通過對(duì)湯遜湖各子湖的分析，存在工礦企業(yè)、圍湖養(yǎng)殖等沿岸區(qū)域的水質(zhì)狀況更差。

4.2 建議

在今后的研究工作中，將進(jìn)一步對(duì)多源融合的遙感數(shù)據(jù)協(xié)同處理、時(shí)空自適應(yīng)水質(zhì)智能反演、水質(zhì)綜合監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行研究。

a.多源融合的遙感數(shù)據(jù)協(xié)同處理：聯(lián)合地表水樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、水面實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)、衛(wèi)星/無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)，通過多源遙感數(shù)據(jù)空間精準(zhǔn)匹配和空間光譜信息高效融合，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)觀測(cè)信息互補(bǔ)。

b.時(shí)空自適應(yīng)水質(zhì)智能反演：針對(duì)現(xiàn)有基于固定模型的水質(zhì)反演技術(shù)存在精度低、時(shí)空魯棒性差問題，研究自主學(xué)習(xí)的智能算法和遷移學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建高精度、可遷移性智能水質(zhì)反演模型。

c.水質(zhì)綜合監(jiān)控平臺(tái)：構(gòu)建水質(zhì)綜合監(jiān)控平臺(tái)，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，對(duì)水質(zhì)污染進(jìn)行天地基聯(lián)合準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水污染監(jiān)控告警及溯源分析。

5 結(jié) 語

在湯遜湖流域水環(huán)境綜合治理工程方案研究中，通過遙感技術(shù)對(duì)湯遜湖進(jìn)行水質(zhì)反演，獲取了相應(yīng)時(shí)期氨氮、總磷和化學(xué)需氧量3種水質(zhì)參數(shù)濃度的空間分布數(shù)據(jù)，掌握了湯遜湖各個(gè)區(qū)域的水質(zhì)情況，并以此為依據(jù)分析了3種水質(zhì)參數(shù)濃度的影響因素，可為湯遜湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)的研究和決策提供重要科學(xué)依據(jù)，對(duì)以后類似工程的實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義。