基于TM影像的微污染水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型研究

摘要：以滄州大浪淀水庫為研究主體，將水體ＴＭ影像與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出水體反射率與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性最高的波段組合，建立了懸浮物、總氮兩種水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)模型，并進(jìn)行了反演和驗(yàn)證。結(jié)果表明所建模型滿足了水庫水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需要，可以利用所建的模型來了解水體環(huán)境，采取措施，為附近地區(qū)人民生產(chǎn)和生活用水安全提供保障。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)參數(shù)；微污染水；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；ＴＭ影像；大浪淀水庫

中圖分類號(hào)：Ｘ８３２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０11）13－2647-03

Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｌｉｇｈｔｌｙ Ｐｏｌｌｕｔｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭ Ｉｍａｇｅｓ

ＣＡＯ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ１，ＨＡＯ Ｈａｉ－ｓｅｎ１，ＳＵＮ Ｊｕｎ２，ＷＵ Ｌｉａｎｇ－ｑｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｊｕｎ１

（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ， Ｈｅｂｅｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６１００１， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃａｎｇｘｉａｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６１０００， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄａｌａｎｇｄｉａｎ rｅｓｅｒｖｏｉｒ， ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｎｅａｒｂｙ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｒｂａｎ ｌｉｆｅ， ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ． Ｔｈｅ ｂａｎｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ analyzing ｔｈｅ ＴＭ ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ ｌｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＳＳ ａｎｄ ＴＮ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｉｎｖｅｒｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ of ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ Ｄａｌａｎｇｄｉａｎ rｅｓｅｒｖｏｉｒ， ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ sure that residents ｋｎｏｗ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｉｍｅｌｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； slightly polluted water； ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ＴＭ ｉｍａｇｅｓ； Ｄａｌａｎｇｄｉａｎ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ

隨著水體污染問題的日漸嚴(yán)重，水質(zhì)監(jiān)測(cè)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必需重視的環(huán)節(jié)。水環(huán)境是一種由多介質(zhì)組成的多元體系，污染因素具有隨機(jī)性、復(fù)雜性和綜合性［１］。內(nèi)陸水體環(huán)境質(zhì)量的好壞，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展、人民群眾的身體健康和社會(huì)穩(wěn)定［２］。研究和分析水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探求其變化規(guī)律，可以為改善水環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)［３］。

遙感技術(shù)憑借其分辨率高、時(shí)間連續(xù)、可以大尺度提供水質(zhì)信息的特點(diǎn)［４］，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)開辟了新的途徑。對(duì)于水質(zhì)遙感的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作，并取得較理想的成果。Ｄｅｋｋｅｒ等［５］利用ＴＭ數(shù)據(jù)進(jìn)行富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)；于德浩等［６］對(duì)內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，并對(duì)以后遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方向進(jìn)行了探討。已有水質(zhì)研究成果在大面積海域或國內(nèi)南方內(nèi)陸水體相對(duì)較多，北方內(nèi)陸水體研究較少［７］，對(duì)作為附近地區(qū)人民生活用水的水庫水源的研究更少。

水體中懸浮物、總氮含量是環(huán)境監(jiān)測(cè)的常規(guī)指標(biāo)。本研究對(duì)滄州大浪淀水庫水體懸浮物、總氮這兩種水質(zhì)參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與庫區(qū)Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ影像進(jìn)行處理后獲取的水體反射率進(jìn)行相關(guān)性分析，建立了遙感監(jiān)測(cè)模型，并進(jìn)行了反演和驗(yàn)證。結(jié)果表明所建模型可以滿足對(duì)大浪淀水庫微污染水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求，可為該水庫乃至北方水體水質(zhì)狀況的評(píng)價(jià)和預(yù)警提供參考依據(jù)。

１研究區(qū)概況

大浪淀水庫位于河北省滄州市南２０ ｋｍ、南運(yùn)河以東１３ ｋｍ，地處滄縣、南皮、孟村３縣交界，屬大Ⅱ型平原水庫，主體工程于１９９６年底建成，１９９７年２月開始向滄州市城區(qū)供水。大浪淀庫區(qū)面積１６．８９ ｋｍ２，最高蓄水位１２．４７ ｍ，庫容１．００３億ｍ３。基本解決了附近農(nóng)田灌溉和滄州市區(qū)的飲水問題。

水庫由天然洼地和農(nóng)田改建而成，是一座沒有本流域徑流直接流入的封閉式水庫，水源近期主要為“引黃濟(jì)冀”的黃河水，在全國平原水庫、湖泊中并不多見。水庫在引蓄外源水途中帶入較多有機(jī)質(zhì)，蓄水后水庫水體營養(yǎng)物質(zhì)豐富，水庫水流動(dòng)性極小，隨著氣溫的升高，庫內(nèi)水生物滋生繁衍，水質(zhì)屬微污染水［８］。

本研究利用遙感技術(shù)研究和分析該類型水庫的水質(zhì)指標(biāo)及變化特征，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)庫區(qū)水質(zhì)，控制庫區(qū)水體富營養(yǎng)化，提高水體質(zhì)量和保護(hù)水資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

２遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

從遙感地面站購買的衛(wèi)星遙感圖片只是經(jīng)過幾何粗校正的產(chǎn)品，不能夠直接利用。對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，其目的在于校正變形的圖像數(shù)據(jù)或低品質(zhì)的圖像數(shù)據(jù)，以便更加真實(shí)地反映實(shí)地情況。因此必須對(duì)遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理之后才能夠提取光譜數(shù)據(jù)。

２．１輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)的目的是將原始圖像的ＤＮ值轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄎ锢硪饬x的其他數(shù)據(jù)，以表征傳感器入口處的準(zhǔn)確輻射值。傳感器定標(biāo)方法很多，常用的有反射率法、輻照度法和輻亮度法等。本研究采取的是輻亮度法。

Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ圖像ＤＮ值向輻亮度Ｌｉ轉(zhuǎn)換的方法［９］為：Ｌｉ＝ＤＮｉ×Ｇａｉｎｉ＋Ｂｉａｓｉ（ｉ＝１，２，…，７）；式中，Ｇａｉｎ為增益系數(shù)，Ｂｉａｓ為偏置系數(shù)。

２．２幾何校正

主要利用采集目標(biāo)圖像中特征點(diǎn)的精確地理位置（ＧＰＳ經(jīng)緯度）進(jìn)行幾何校正。首先用ＧＰＳ采集具有一定地理特征的地面點(diǎn)精確坐標(biāo)，以所采集地面控制點(diǎn)（Ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔ，ＧＣＰ）數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用ＥＮＶＩ軟件在遙感影像中進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的標(biāo)定，選擇幾何糾正模型（即原始圖像的幾何畸變模型），進(jìn)而對(duì)遙感圖像進(jìn)行相關(guān)的幾何變換和像素重采樣，采用二次多項(xiàng)式法。所用ＴＭ圖像采集１５個(gè)地面控制點(diǎn)。在實(shí)際的幾何校正過程中，經(jīng)校正過的ＴＭ圖像，誤差均控制在一個(gè)像元以內(nèi)。

２．３大氣校正

ＴＭ影像的大氣校正方法采用ＥＮＶＩ軟件的ＦＬＡＡＳＨ輻射傳輸模型法。ＥＮＶＩ軟件中ＦＬＡＡＳＨ模塊使用了目前精度最高的大氣輻射校正模型ＭＯＤＴＲＡＮ ４輻射傳輸模型，它基于像元進(jìn)行校正，不僅校正了由于漫反射引起的鄰域效應(yīng)，還可以進(jìn)行卷云和不透明云層的分類圖，并調(diào)整由于人為抑制而導(dǎo)致的波譜平滑現(xiàn)象。該模塊可處理各種高（多）光譜、衛(wèi)星和航空數(shù)據(jù)，還能校正垂直成像數(shù)據(jù)和側(cè)視成像數(shù)據(jù)。ＦＬＡＡＳＨ模塊采用向?qū)搅鞒蹋疲蹋粒粒樱燃m正向?qū)е笇?dǎo)用戶進(jìn)行大氣校正，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的大氣糾正工作。

３遙感監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建與模型的反演及驗(yàn)證

３．１遙感監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建

通過遙感圖像處理軟件ＥＮＶＩ對(duì)２００５年和２００６年共８幅遙感影像進(jìn)行處理得到了庫區(qū)多點(diǎn)的水體反射率，由于庫區(qū)相對(duì)較小，反射率變化不大。以具有代表性的輸水口附近點(diǎn)所得反射率與水質(zhì)參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，確定了各水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性最高的波段反射率組合，其中懸浮物含量與（ＴＭ２＋ＴＭ３）、總氮含量與（ＴＭ３＋ＴＭ４）相關(guān)性最高。

根據(jù)水體反射率與水質(zhì)參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，建立了各水質(zhì)參數(shù)的模型。相關(guān)系數(shù)分別為０．８１５ ５和０．８４４ ６（圖１、圖２）。

３．２遙感監(jiān)測(cè)模型的反演和驗(yàn)證

對(duì)以上遙感監(jiān)測(cè)模型利用２００７年５月１２日和２００９年９月２２日的遙感影像與水體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演和通用性驗(yàn)證。反演的懸浮物含量、總氮含量與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，模型估測(cè)值與實(shí)測(cè)值見表１，差值百分比均在２０％以內(nèi)。反演分布圖見圖３、圖４，說明所建模型可以應(yīng)用于該水體水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)需要。

４結(jié)論與建議

基于ＴＭ影像的大浪淀水庫水體水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)模型反演情況可以看出，反演的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，所建模型可以用于估測(cè)大浪淀水庫中懸浮物和總氮的含量。

由于水體中存在著多種關(guān)系復(fù)雜、相互影響的光學(xué)活性物質(zhì)，在很大程度上影響水質(zhì)參數(shù)反演的精度和可用性［１０］。本研究所建模型經(jīng)過驗(yàn)證雖然偏差值都在２０％以內(nèi)，符合遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)的要求，但建模所用實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)量及遙感數(shù)據(jù)相對(duì)較少，對(duì)反演模型的精度存在一定的影響，加大建模數(shù)據(jù)量會(huì)使模型更可靠，反演精度更高，對(duì)于其他水體水質(zhì)參數(shù)估測(cè)的借鑒意義也會(huì)更大。因此在以后的研究中，應(yīng)該在加大數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，研究更精確的反演模型來判斷水質(zhì)參數(shù)在時(shí)空上的變化趨勢(shì)。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文