基于多光譜遙感技術(shù)的白洋淀水質(zhì)演變監(jiān)測(cè)方法研究

摘? 要：基于哨兵2號(hào)多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合白洋淀區(qū)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，對(duì)白洋淀淀區(qū)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定量反演，獲取淀區(qū)溶解氧、氨氮、總磷、總氮和化學(xué)需氧量五種參數(shù)的空間分布圖，掌握白洋淀水質(zhì)整體情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用少量的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立遙感水質(zhì)參數(shù)反演模型，可以快速獲取淀區(qū)水質(zhì)連續(xù)空間分布圖，通過(guò)模型精度驗(yàn)證可知，該方法可以取得較高的反演精度。

關(guān)鍵詞：哨兵2號(hào)；水質(zhì)反演；白洋淀；多光譜

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79；X87? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）03-0106-04

Study on Monitoring Method for Water Quality Evolution in Baiyang Lake Based on Multispectral Remote Sensing Technology

ZHAO Lin

（China Water Resources Beifang Investigation， Design and Research Co.， Ltd.， Tianjin? 300222， China）

Abstract： Based on the remote sensing data of Sentinel 2 multispectral satellite， combined with the field sampling data of Baiyang Lake area， the water quality parameters of Baiyang Lake area are quantitatively retrieved， and the spatial distribution map of the five parameters of dissolved oxygen， ammonia nitrogen， total phosphorus， total nitrogen and chemical oxygen demand in Baiyang Lake area are obtained， so as to master the overall situation of the water quality of Baiyang Lake. The experimental results show that the continuous spatial distribution map of water quality in the lake area can be quickly obtained by establishing a remote sensing water quality parameter inversion model using a small amount of measured water quality data. The model accuracy verification shows that this method can achieve high inversion accuracy.

Keywords： sentinel 2; water quality inversion; Baiyang Lake; multispectral

0? 引? 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，每年有大量的工農(nóng)業(yè)廢水、污水未經(jīng)處理排入江、河、湖、海，特別是與人們?nèi)粘Ｓ盟芮邢嚓P(guān)的內(nèi)陸河、近海河口等位置，破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)，威脅到人類(lèi)的正常用水[1]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)水環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度越來(lái)越高，黨中央對(duì)加強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出了全面部署，各地政府也制定了一系列舉措。隨著水環(huán)境保護(hù)和水污染治理等方面的關(guān)注度提升，水質(zhì)監(jiān)測(cè)顯得尤為必要和緊迫。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法需要在水域中布置大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行采樣，并將采集的水樣進(jìn)行化學(xué)分析，得到水質(zhì)參數(shù)信息，此類(lèi)方法消耗大量人力、物力，且涵蓋區(qū)域有限，不能對(duì)整體水域的水質(zhì)情況進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)與管理[2]。遙感技術(shù)手段具有實(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)[3]，利用遙感影像數(shù)據(jù)可以及時(shí)對(duì)大面積水域進(jìn)行水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測(cè)，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法的不足。目前，多光譜遙感技術(shù)已普遍應(yīng)用于內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測(cè)，且在水質(zhì)參數(shù)定量化研究中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。

不同水體由于其物質(zhì)組成的狀態(tài)不同，各物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的光譜曲線也會(huì)表現(xiàn)差異，具體表現(xiàn)為對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收和反射不一樣，通常情況下，能夠反映出富營(yíng)養(yǎng)化水體中光譜響應(yīng)特征的水質(zhì)指標(biāo)主要有：

（1）浮游生物含量（葉綠素a濃度），主要指的是各種藻類(lèi)，它是水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)的基本參數(shù)。

（2）氨氮、氮、磷等化學(xué)成分，水域中的氮磷含量超標(biāo)，會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。如果不及時(shí)進(jìn)行管理，水質(zhì)將急劇惡化，演變?yōu)槌喑焙退A。

（3）高錳酸鹽指數(shù)，用來(lái)衡量水質(zhì)的化學(xué)需氧量，高錳酸鹽指數(shù)越高，表示水中有機(jī)污染物越多，水中有機(jī)污染物主要來(lái)源于生活污水或工業(yè)廢水的排放、動(dòng)植物腐爛分解后流入水體產(chǎn)生的[3]。

本文將白洋淀作為研究區(qū)，利用哨兵2號(hào)多光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)淀區(qū)水體的氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量和溶解氧5項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定量反演研究，分析光譜波段與水質(zhì)參數(shù)濃度的相關(guān)性，選取相關(guān)性最高的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)行分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，基于哨兵2號(hào)多光譜遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)反演精度可達(dá)到75%以上，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求，為開(kāi)展水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1? 數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究區(qū)概況

白洋淀，屬海河流域大清河南支水系湖泊，位于雄安新區(qū)，涉及安新縣、雄縣和容城縣，是華北地區(qū)最大的濕地生態(tài)系統(tǒng)，如圖1所示。白洋淀具有獨(dú)特的自然景觀，淀區(qū)風(fēng)光秀麗，景色宜人，素有“華北明珠”之稱(chēng)。白洋淀周邊共有8條入淀河流，流域面積21 045 km2。白洋淀四周有堤防環(huán)繞，東有千里堤，南有淀南新堤，西有障水埝和四門(mén)堤，北有新安北堤，堤防總長(zhǎng)203 km。淀內(nèi)主要由白洋淀、馬棚淀、燒車(chē)淀、藻苲淀等大小不等的143個(gè)淀泊和3 700多條溝壕組成。淀區(qū)面積中75%的水域在安新縣境內(nèi)，構(gòu)成了淀中有淀，溝壕相連，園田和水面相間分布的特殊地貌。

1.2? 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

1.2.1? 外業(yè)采樣數(shù)據(jù)

2021年12月1日至2日兩天對(duì)白洋淀淀區(qū)進(jìn)行實(shí)地采樣并獲取典型水體的樣本，并實(shí)時(shí)檢測(cè)水體的溶解氧濃度，將采集的樣本送往實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法進(jìn)行化驗(yàn)，獲取典型水體的氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量等水質(zhì)參數(shù)濃度。實(shí)地采樣點(diǎn)共27個(gè)，用于本次模型建模的共11個(gè)，用于驗(yàn)證模型精度的采樣數(shù)據(jù)9個(gè)，其余點(diǎn)不在影像范圍內(nèi)，采樣點(diǎn)位置空間分布如圖2所示，其中，三角圖標(biāo)的采樣數(shù)據(jù)作為已知模型集，圓形圖標(biāo)的采樣數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集。

1.2.2? 多光譜數(shù)據(jù)與處理

本次遙感數(shù)據(jù)采用的是2021年12月5日的哨兵2號(hào)多光譜數(shù)據(jù)。含有12個(gè)波段，波段范圍為438 nm～2 280 nm，如表1所示。

哨兵2號(hào)屬于高分辨率多光譜成像衛(wèi)星，主要用于陸地監(jiān)測(cè)，可提供水覆蓋、土壤和植被、內(nèi)陸水路及海岸區(qū)域等圖像，還可用于緊急救援服務(wù)。包括2A和2B兩顆衛(wèi)星。哨兵2號(hào)多光譜影像包含13個(gè)光譜波段，幅寬約290千米。兩顆星互補(bǔ)重訪周期可達(dá)5天，而對(duì)于緯度較高的區(qū)域，這一周期僅需3天（本文研究區(qū)的哨兵2號(hào)多光譜影像周期為3天）。從可見(jiàn)光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率，分別為10 m、20 m和60 m。

哨兵2號(hào)多光譜衛(wèi)星遙感影像由歐空局發(fā)布，其發(fā)布的哨兵2號(hào)L1C級(jí)多光譜數(shù)據(jù)（MSI）是經(jīng)過(guò)正射校正和幾何精校正的大氣表觀反射率產(chǎn)品，并沒(méi)有進(jìn)行大氣校正。因此，SA-2的數(shù)據(jù)處理主要包括：大氣校正、數(shù)據(jù)重采樣和去云處理[4]。具體如下：

（1）大氣校正，利用歐空局發(fā)布的專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)L2A級(jí)數(shù)據(jù)的插件Sen2cor對(duì)L1C級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正處理，得到L2A級(jí)數(shù)據(jù)，主要包含經(jīng)過(guò)大氣校正的大氣底層反射率數(shù)據(jù)、氣溶膠厚度（Aerosol Optical Thickness， AOT）、大氣水蒸氣（Water Vapour Map， WVM）等。

（2）數(shù)據(jù)重采樣，哨兵2號(hào)數(shù)據(jù)包含10米、20米和60米三種分辨率的波段數(shù)據(jù)，需要將60米和20米的數(shù)據(jù)重采樣至10米，以提高數(shù)據(jù)的整體分辨率。這里主要的使用工具是歐空局提供的Sen2Res插件。

（3）水體提取，基于多光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)，提取值大于0的范圍，即水體范圍。改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index， MNDWI）[5]能夠最大程度地抑制居民地和土壤等噪聲，突出水體，MNDWI的計(jì)算公式如式（1）：

（1）

其中，GREEN表示綠波段，在哨兵2號(hào)影像中對(duì)應(yīng)第3波段，MIR對(duì)應(yīng)中紅外波段，在哨兵2號(hào)影像中對(duì)應(yīng)第11或第12波段。

通過(guò)計(jì)算影像的MNDWI，設(shè)定合適的閾值，區(qū)分影像中水體與非水體，進(jìn)而提取白洋淀水體范圍，并進(jìn)行裁剪。

1.3? 水質(zhì)反演

1.3.1? 水質(zhì)反演模型構(gòu)建

以11個(gè)實(shí)地采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為已知建模集，求取其與多光譜影像中不同波段、波段倒數(shù)及波段比值之間的相關(guān)性，找出相關(guān)性最高的波段因子，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，不同水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)性最高的波段關(guān)系及相應(yīng)的建模結(jié)果如表2所示。

模型評(píng)價(jià)因子使用常見(jiàn)的模型決定系數(shù)R，其計(jì)算公式為式（2）：

（2）

1.3.2? 水質(zhì)反演精度評(píng)價(jià)

基于上述反演模型，將2021年12月5日的哨兵2號(hào)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并使用實(shí)地采集的采樣點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

在此基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的反演精度進(jìn)行檢驗(yàn)，包括平均相對(duì)誤差（Mean Relative Error， MRE）和均方根誤差（Root Mean Square Error， RMSE）[6]，二者公式如式（3）和式（4）：

（3）

（4）

X表示水質(zhì)參數(shù)實(shí)測(cè)值，Y表示水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)值，n表示參與計(jì)算的樣本個(gè)數(shù)，RMSE受測(cè)量值中的最值對(duì)應(yīng)的誤差的影響很大，標(biāo)準(zhǔn)誤差能很好反映模型的精度，RMSE的值越接近于0，說(shuō)明模型擬合效果越好，反演精度越高。

模型檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

2? 水質(zhì)反演結(jié)果與分析

基于上述構(gòu)建的水質(zhì)反演模型，對(duì)白洋淀淀區(qū)的氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量和溶解氧等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行水質(zhì)反演，得到對(duì)應(yīng)的空間分布圖，如圖3所示。

氮是水體中主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，在水體中主要以氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、有機(jī)氮等形式存在。四者可相互轉(zhuǎn)化，四者之和稱(chēng)為總氮（Total nitrogen， TN）。對(duì)于氨氮指標(biāo)，反演結(jié)果顯示2021年12月5日白洋淀淀區(qū)氨氮濃度變化范圍為0～0.70 mg/L；第Ⅰ類(lèi)、第Ⅱ類(lèi)和第Ⅲ類(lèi)地表水環(huán)境質(zhì)量的氨氮濃度標(biāo)準(zhǔn)分別為0.15 mg/L、0.5 mg/L、1.0 mg/L，從圖3中可看出，淀區(qū)北部的燒車(chē)淀、中部的東淀頭村附近以及南部的金龍淀、孟家淀和邸莊村附近水質(zhì)較差，氨氮濃度達(dá)到0.3～0.4 mg/L，而其余區(qū)域氨氮濃度較低，可以得到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

總氮是衡量水體受污染程度的重要指標(biāo)。反演結(jié)果顯示12月5日白洋淀淀區(qū)總氮濃度變化范圍為0～10.60 mg/L；對(duì)于總氮指標(biāo)，第Ⅲ類(lèi)、第Ⅳ類(lèi)和第V類(lèi)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為1.0 mg/L、1.5 mg/L、2.0 mg/L，從圖中可看出，位于淀區(qū)中部的絲網(wǎng)淀、池淤淀、大麥淀、石侯淀和范峪淀等以及淀區(qū)北部的燒車(chē)淀、荷葉淀等區(qū)域的水質(zhì)較好，能達(dá)到Ⅴ類(lèi)，局部達(dá)到Ⅳ類(lèi)；而淀區(qū)南部的金龍淀、孟家淀和邸莊村附近水質(zhì)較差，總氮濃度達(dá)到3～4 mg/L，局部達(dá)到4 mg/L以上，該區(qū)域村落較多，污染源多為生活污水，如洗菜污水、洗澡污水、洗衣服污水、洗衣粉/肥皂（含大量磷和氮）等。另外，12月氣溫降低，使得污泥活性降低，導(dǎo)致水體總氮濃度進(jìn)一步升高。

總磷含量也是水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。水體中總磷濃度的升高，會(huì)促使水中各類(lèi)浮游動(dòng)植物大量繁殖，導(dǎo)致水體中污染物增多、溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)。反演結(jié)果顯示淀區(qū)總磷濃度變化范圍為0～0.072 mg/L；對(duì)于總磷指標(biāo)，第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)、第Ⅳ類(lèi)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為0.025 mg/L、0.05 mg/L、0.1 mg/L，淀區(qū)水質(zhì)可以達(dá)到Ⅲ類(lèi)水。整個(gè)淀區(qū)總磷含量變化不大，且含量較小，水質(zhì)較好。主要原因?yàn)闅鉁剌^低，沉積物需氧量降低，不會(huì)引起磷的釋放。

化學(xué)需氧量是反映有機(jī)污染物對(duì)養(yǎng)殖水體污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)，也作為水體有機(jī)物相對(duì)含量的綜合指標(biāo)之一。反演結(jié)果顯示淀區(qū)化學(xué)需氧量濃度變化范圍為0～50 mg/L；對(duì)于化學(xué)需氧量指標(biāo)，第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)、第Ⅳ類(lèi)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為15 mg/L、20 mg/L、30 mg/L，淀區(qū)水質(zhì)可以達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，大部分區(qū)域達(dá)到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)淀區(qū)化學(xué)需氧量指標(biāo)變化不大，水質(zhì)較好。

溶解氧是各種水生生物賴(lài)以生存的必要條件之一，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中最重要的和衡量水質(zhì)好壞的生態(tài)因子之一，隨著養(yǎng)殖水體溶解氧濃度的降低（＜2 mg/L），將會(huì)出現(xiàn)大面積死魚(yú)現(xiàn)象。反演結(jié)果顯示淀區(qū)化學(xué)需氧量濃度變化范圍為2.22～21.95 mg/L；對(duì)于溶解氧指標(biāo)，第Ⅰ類(lèi)、第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為7.5 mg/L、6 mg/L、5 mg/L（大于等于），淀區(qū)水質(zhì)可以達(dá)到Ⅱ類(lèi)水，大部分區(qū)域達(dá)到Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

3? 結(jié)? 論

本文基于哨兵2號(hào)多光譜遙感技術(shù)，結(jié)合實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，對(duì)白洋淀淀區(qū)的典型水質(zhì)參數(shù)（氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量和溶解氧）進(jìn)行建模分析，反演淀區(qū)水質(zhì)參數(shù)空間分布情況，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證反演結(jié)果的精度，證實(shí)了模型的可靠性以及方法的可行性。主要研究結(jié)論如下：

（1）多光譜遙感數(shù)據(jù)能夠有效反演水質(zhì)參數(shù)，精度可以達(dá)到75%以上，并且基于多光譜遙感技術(shù)的水質(zhì)參數(shù)反演可以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)在空間上的連續(xù)，反映出各區(qū)域之間的差異，為水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供一個(gè)新的思路。

（2）多光譜遙感技術(shù)具有重放周期高、監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)定期數(shù)據(jù)的靈活獲取，對(duì)重點(diǎn)水體進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：趙琳（1989—），女，漢族，山西長(zhǎng)治人，工程師，碩士研究生，研究方向：水利遙感。

收稿日期：2022-11-25