基于哨兵2 號(hào)的白洋淀水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法研究

趙琳 韓婷婷 董端 索靖

隨著社會(huì)快速發(fā)展，水質(zhì)污染問題日漸嚴(yán)重，水環(huán)境保護(hù)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，而水質(zhì)的精細(xì)監(jiān)測(cè)是水環(huán)境保護(hù)的重要工作內(nèi)容。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)通過在水域設(shè)置一些固定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，人工到實(shí)地進(jìn)行水樣采集，并將水樣送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工序復(fù)雜，成本高，且獲取的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果是離散的，不具有代表性，無法反映水域整體水質(zhì)狀況。近年來，隨著遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用研究的深入，基于遙感技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法研究逐漸從定性發(fā)展到了定量[1-3]。

現(xiàn)有的水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)主要包括星載高光譜遙感監(jiān)測(cè)和機(jī)載高光譜遙感監(jiān)測(cè)2種方法[4]。星載高光譜遙感監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是便于對(duì)水環(huán)境進(jìn)行周期性長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，全面掌握水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化情況[5-7]；機(jī)載高光譜遙感的使用相對(duì)靈活，可以根據(jù)需要適時(shí)選擇飛行時(shí)間和航線，適用于內(nèi)陸水體或海灣的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水體污染的應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)[8]，但是該方法成本較高，且數(shù)據(jù)獲取的工序較復(fù)雜，不適合大范圍水域的周期性觀測(cè)。

本文利用星載多光譜遙感（哨兵2號(hào)衛(wèi)星）影像，結(jié)合少量點(diǎn)國控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)多參數(shù)反演模型，水質(zhì)參數(shù)包括溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮4種參數(shù)，對(duì)整個(gè)白洋淀水域進(jìn)行精細(xì)化的水質(zhì)反演，獲取淀區(qū)水質(zhì)連續(xù)空間分布圖，并通過不同時(shí)期的國控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感影像反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而探索一種成本低、適用性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)頻次高的白洋淀水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，為白洋淀水環(huán)境保護(hù)提供有力的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

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)。淀內(nèi)主要由白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻苲淀等大小不等的143個(gè)淀泊和3700多條溝壕組成，總面積366 km2。淀區(qū)面積中85%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。如圖1所示。多年來，由于上游城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)污水排放，淀區(qū)百姓生活污水直排，淀區(qū)機(jī)械船只增多，加之生態(tài)流量減少等因素，白洋淀水質(zhì)不斷惡化，2017年4月1日，雄安新區(qū)設(shè)立，白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)受到政府部門及社會(huì)各界的重視。利用多光譜衛(wèi)星遙感手段，結(jié)合國控?cái)嗝鎸?shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，快速反演淀區(qū)水質(zhì)分布情況，可以全面掌握淀區(qū)水質(zhì)的狀況及發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)部門進(jìn)行水環(huán)境保護(hù)和治理提供技術(shù)支撐。

圖1 白洋淀地理位置及國控?cái)嗝娣植际疽鈭D

1.2 遙感數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)使用的遙感數(shù)據(jù)是歐空局提供的哨兵2號(hào)多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可覆蓋13個(gè)光譜波段，幅寬可達(dá)290 km[9]，地面分辨率分別為10、20、60 m，對(duì)白洋淀地區(qū)，重訪周期為2～3 d。本次使用的數(shù)據(jù)級(jí)別為L(zhǎng)1C級(jí)，需要進(jìn)行大氣校正，獲取DN值。數(shù)據(jù)具體波段參數(shù)信息見表1。成像日期分別為2021年10月11日和2021年10月19日。

表1 哨兵2號(hào)高光譜衛(wèi)星波譜基本信息

1.3 國控?cái)嗝嫠|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

白洋淀淀區(qū)及入（出）淀河流國控?cái)嗝婀灿?4個(gè)，現(xiàn)階段，中國環(huán)境總站對(duì)斷面開展逐日監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過官網(wǎng)查閱，從而為淀區(qū)水環(huán)境評(píng)估和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。本次實(shí)驗(yàn)采用其中的5個(gè)斷面（如圖1 所示），分別是燒車淀、光淀張莊、南劉莊、圈頭和采蒲臺(tái)，利用不同日期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為多光譜衛(wèi)星遙感水質(zhì)反演模型建立的樣本集及驗(yàn)證集。

本次研究中用到的國控?cái)嗝鏀?shù)據(jù)來源于國家地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)（https：//szzdjc.cnemc.cn：8070/GJZ/Business/Publish/Main.html），主要包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、水質(zhì)類別、水溫、pH、溶解氧、高猛酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a等參數(shù)信息。該數(shù)據(jù)每天都會(huì)更新。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次實(shí)驗(yàn)在歐空局網(wǎng)站（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載的哨兵2 號(hào)多光譜衛(wèi)星影像是L1C 級(jí)的數(shù)據(jù)。僅經(jīng)過正射校正以及幾何精校正，并未進(jìn)行大氣校正。因此，需要使用哨兵2大氣校正插件Sen2Cor，對(duì)下載后的Sentinel-2 L1C產(chǎn)品進(jìn)行大氣校正，獲取影像的地表反射率，Sen2Cor 是產(chǎn)品生成和格式化的工具集，對(duì)L1C 數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣、地形和卷云校正。大氣校正后，獲取L1A級(jí)數(shù)據(jù)，使用SNAP 軟件，對(duì)哨兵2 號(hào)的L1A 級(jí)影像進(jìn)行重采樣，將13 個(gè)波段的空間分辨率均重采樣到10 m。從而獲取空間分辨率為10 m 含有12 個(gè)波段的多光譜遙感數(shù)據(jù)，適用于白洋淀淀區(qū)內(nèi)小水域面積水體的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

2.2 水質(zhì)參數(shù)建模方法

利用遙感器觀測(cè)得到的光譜數(shù)據(jù)反演水質(zhì)參數(shù)通常有3種方法，即經(jīng)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法和基于生物光學(xué)模型（水中輻射傳輸模型）的分析方法[10-11]。經(jīng)驗(yàn)方法一般通過建立遙感數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來推算水質(zhì)參數(shù)值，該方法理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。半經(jīng)驗(yàn)方法是將已知的水質(zhì)參數(shù)的光譜特征與統(tǒng)計(jì)模型結(jié)合，例如選擇特定的光譜區(qū)和合理的波段或波段組合的輻射值作為相關(guān)變量，該方法適用于一定的條件，應(yīng)用于不同季節(jié)或地域的水體時(shí)需要進(jìn)行參數(shù)校正。分析方法是基于水中輻射傳輸模型，具有明確的物理意義，適用性強(qiáng)。本次實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)驗(yàn)方法，目的是利用少量的國控?cái)嗝鎸?shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立其與哨兵2號(hào)多光譜影像之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而對(duì)每一種水質(zhì)參演建立一個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)白洋淀整個(gè)淀區(qū)的水質(zhì)連續(xù)空間分布的快速反演以及未來近10 d內(nèi)影像的水質(zhì)反演。

2.3 水質(zhì)參數(shù)反演模型精度評(píng)價(jià)方法

利用2021年10月11日的國控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與同一天的多光譜影像建立水質(zhì)參數(shù)模型，基于該套模型，將2021 年10 月19 日的哨兵2 號(hào)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并使用同一天的國控?cái)嗝鏀?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）[12]，見式（1）和式（2）。

3 結(jié)果與評(píng)價(jià)

3.1 水質(zhì)參數(shù)反演模型

以2021 年10 月11 日的5 個(gè)國控?cái)嗝姹O(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)果見表2。模型評(píng)價(jià)因子使用常見的模型決定系數(shù)R2，其計(jì)算公式為式（3）[13]。

表2 水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的相關(guān)性最高的波段關(guān)系及其建模結(jié)果

3.2 水質(zhì)參數(shù)反演模型精度評(píng)價(jià)

以上述建模結(jié)果為反演模型，以2021 年10 月19日的多光譜影像為待反演影像，通過反演得到5個(gè)國控?cái)嗝嫠谖恢玫乃|(zhì)參數(shù)值，作為檢驗(yàn)集，以5 個(gè)國控?cái)嗝妫ㄎ恢梅植既鐖D1 所示）當(dāng)天的實(shí)際監(jiān)測(cè)值為準(zhǔn)確值，進(jìn)行模型檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，具體檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 反演結(jié)果及評(píng)價(jià)mg/L

根據(jù)以上驗(yàn)證法，對(duì)構(gòu)建的4種水質(zhì)參數(shù)模型進(jìn)行了精度驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果得出現(xiàn)溶解氧反演模型的平均相對(duì)誤差為28%，均方根誤差為2.47 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)的平均相對(duì)誤差為26%，均方根誤差為1.07 mg/L；總磷的平均相對(duì)誤差為17%，均方根誤差為0.01 mg/L；總氮的平均相對(duì)誤差較高，為47%，均方根誤差為0.96 mg/L。說明構(gòu)建的模型可以用來反演白洋淀淀區(qū)的水體溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮等水質(zhì)參數(shù)。

3.3 白洋淀水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)上述水質(zhì)參數(shù)反演模型，對(duì)2021 年10 月19日的哨兵2號(hào)多光譜影像進(jìn)行反演，得到當(dāng)天的水質(zhì)連續(xù)空間分布圖（如圖2所示）。由圖可知，白洋淀西部和西南部的水質(zhì)較差，這與入淀河流府河、孝義河的廢水排入有關(guān)，這與趙黔偉等[14]的研究結(jié)果“由府河進(jìn)入淀內(nèi)的污染物是白洋淀湖水氮、磷和重金屬的主要來源”的結(jié)論一致；淀心區(qū)水質(zhì)整體較優(yōu)，分析其原因在于該區(qū)域?qū)儆诩兯澹芡獠凯h(huán)境影響較小，村內(nèi)主要以農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖為主，工業(yè)面源污染對(duì)其影響較小，這與以往研究成果[15]及官方公布結(jié)果較一致。

圖2 基于10月19日哨兵2號(hào)影像反演的水質(zhì)連續(xù)空間分布圖

4 結(jié)語

哨兵2號(hào)多光譜衛(wèi)星影像含有13個(gè)波段，且空間分辨率可達(dá)10 m，對(duì)于水體面積較大的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有很大的應(yīng)用潛力。本文通過使用2期哨兵2號(hào)影像，以白洋淀為研究區(qū)，定量反演了淀區(qū)的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮，對(duì)反演數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并制作了淀區(qū)水質(zhì)連續(xù)空間分布圖。通過研究可以得出如下結(jié)論：

（1）白洋淀整體水質(zhì)呈東部?jī)?yōu)于西部、淀心區(qū)優(yōu)于入淀河流與白洋淀連接處的特點(diǎn)，這種分布情況的原因是入淀河流將污染物帶入淀區(qū)，而淀心區(qū)受外界影響較小，污染源較少。

（2）利用哨兵2號(hào)多光譜影像及少量的國控?cái)嗝嫠|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（或?qū)嵉夭蓸訑?shù)據(jù)）進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演建模，能夠取得精度較高且符合應(yīng)用需求的水質(zhì)反演結(jié)果，這將大大降低水質(zhì)監(jiān)測(cè)的成本且實(shí)現(xiàn)水質(zhì)高頻次監(jiān)測(cè)，為白洋淀水環(huán)境治理保駕護(hù)航。

本次實(shí)驗(yàn)取得較好的結(jié)果，但也有需要改進(jìn)和完善的地方，比如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，說服力有待繼續(xù)驗(yàn)證，未來需進(jìn)一步研究哨兵2號(hào)影像與國控?cái)嗝嫠|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（或?qū)嵉夭蓸訑?shù)據(jù)）之間的關(guān)系，建立物理意義明確且適用性強(qiáng)的基于水中輻射傳輸模型的分析方法，從根本上解決水質(zhì)反演過程中遇到的模型不穩(wěn)定、適用性差的問題。