西安市曲江南湖富營養化遙感監測與評價

何紅曼，米海存，霍艾迪，Xunhong Chen

(1.長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710054;2.School of Natural Resources，University of Nebraska-Lincoln，Lincoln，NE68583-0996，USA)

城市景觀水體是現代城市建設很重要的組成元素，隨著城市發展與人們生活水平的提高，城市景觀水體產生的污染及富營養化問題日益突出，景觀水體治理工作亟待解決。水體富營養化是由于水體中氮、磷等營養物質的富集，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質惡化，從而導致魚類及其他生物大量死亡的現象［1］。

傳統城市景觀水體的水質監測采用實地采樣分析，數據的數量有限，即使像實驗室分析等方法在精度上有一定的準確性，但在點上進行時，容易受局部擾動影響，因而并不能全面反映整個水體生態環境在時空上的變化，且費時、費力、成本高，很難進行大尺度實時監測［2］。

遙感水質監測是通過研究水體的反射光譜特征與水質參數濃度間的關系，建立水質參數反演算法，對湖泊富營養化進行監測，這已經成為目前湖泊遙感技術應用的主要領域之一［3］。其具有快速、大范圍、低成本和周期性等特征，可有效地監測水體表面水質參數在時空上的變化情況，與常規方法相比，可以發現一些難以揭示的污染源和污染物的遷移特征，具有不可替代的優越性［4］。

水體遙感監測的出現和發展，給水質的監測與評價提供了新的機遇與選擇。國外的Thiemann和Kaufmann［5］利用多光譜傳感器IRS-1C數據，對德國梅克倫堡州湖泊群水體中的葉綠素a進行反演，并結合卡爾森模型對該區水體富營養化程度進行了評價;國內張海林等［6］利用武漢東湖各子湖多年可靠的地面監測資料和1999年TM遙感數據，建立了營養狀態指數與TM5影像上灰度值的線性關系模型，并運用建立的模型對武漢各主要湖泊進行了水體富營養化評價;呂恒等在SAS支持下分析了142種波段組合與水體葉綠素濃度之間的PEARSON相關系數，結果顯示葉綠素濃度的對數值與TM4/TM3的相關性最好［7］。

本研究將地面實測資料與Landsat5 TM各波段的衛星遙感數據進行了對比。選擇葉綠素a濃度(Chla)、水體透明度(SD)、總氮濃度(TN)、總磷濃度(TP)4個水質參數與TM波段比TM4/TM3之間的線性關系模型，并利用綜合營養狀態指數法對曲江南湖水體富營養化程度進行監測，以驗證水質遙感監測的可行性，為曲江南湖富營養化程度遙感監測的進一步研究奠定基礎。

1 研究數據和方法

1.1 研究區概況

西安曲江南湖位于西安市南約5 km的低洼地帶，現為曲江池遺址公園內主要景點，分為南北兩個湖區。該地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候溫和，四季分明，雨量適中，年平均氣溫13.0～13.4℃，年降水量558～750 mm，7、9月份為兩個明顯的降水高峰期，年日照時數1 983～2 267 h。南湖水體水域面積約0.7 km2，湖底平坦，湖泊水質為偏酸性水，葉綠素含量高。

1.2 數據的獲取

1.2.1 實測數據的獲取

2012年4 月在研究區選取13個監測點，分別用GPS進行定位，同步測量水體透明度值，并采集水樣用于實驗室分析其他水質參數。采樣當天天氣晴朗，無風，湖面基本平靜。采樣后立即返回實驗室測定水樣的葉綠素a濃度。首先用0.45 μm的微孔濾膜進行過濾，然后用乙醇萃取，采用分光光度計法進行測定。透明度測定采用傳統的塞氏盤法，TP采用分光光度法，TN采用紫外分光光度法，溫度和pH值現場測試。參數分析按照國家標準(GB8538—1995)測定。

1.2.2 遙感數據獲取及處理

目前，TM數據是內陸水體水質監測中使用最廣泛的多光譜遙感數據。本次研究主要使用TM的前4個可見光和近紅外波段，由中國資源衛星應用中心下載西安地區Landsat5 TM遙感影像圖。根據GPS定位出的各采樣點經緯度，利用ENVI軟件從遙感影像圖中獲取13個采樣點的波段值。

本研究對TM數據進行幾何糾正和輻射糾正預處理后，進行水質參數與實測光譜數據波段相關分析得出與研究水體葉綠素a濃度相關性較好的最佳波段組合為TM4/TM3。

1.3 葉綠素a遙感估測模型

1.3.1 模型建立

選擇波段組合TM4/TM3來建立線性回歸模型。從13個樣點中選擇前6個樣點(已知量如表1)用于模型的建立，其余7個樣點用于對模型的驗證。可建立如下線性方程

式中:chl-a為實測葉綠素a濃度，ug/L。

經對表1數據進行回歸分析，得到R2=0.978 4，F=181.014＞F0.01=10.04，說明該線性關系是特別顯著的，回歸關系見圖1。回歸模型為

表1 葉綠素a濃度與TM4/TM3值

1.3.2 模型檢驗

由所建立的模型(2)，利用衛星影像對其余采樣點進行chl-a反演，并將反演值同實測值比較，以驗證其精度，比較結果見表2。

圖1 chl-a實測值與遙感指標回歸模擬關系

表2 驗證結果

將所得的葉綠素a反演值與實測值做圖進行對比，見圖2。

圖2 chl-a反演值與實測值對比

由于建立回歸模型時假定兩者之間為線性關系，而實際上兩者之間并不完全呈線性關系，因此回歸方程所得反演值與實測值必然存在誤差。同時，遙感圖像的分辨率、天氣狀況等都會影響試驗結果的準確性，這也是誤差產生的原因。

由表2及圖2可以看出，9、11號采樣點由于遙感圖像校準時存在一定誤差，致使相對誤差較大;但整體來看，chl--a的模型反演值與實測值相對誤差較小，多在13%以下，具有很好的吻合性。因此，線性回歸模型中的TM4/TM3比值法對chl--a的定量反演效果較好，可用此模型對曲江南湖景觀水體進行動態監測。

1.4 研究方法

1.4.1 數理統計方法

此次試驗主要在Origin7.0軟件平臺下實現相關系數計算及線性相關分析，并構建相應模型。

1.4.2 單指標營養狀態指數法

由TM影像中提取的各采樣點TM4/TM3比值數據，根據反演模型(2)，得出反演的chl--a濃度值作為各采樣點水體營養狀態指數模型的輸入變量，由公式(3)得出TSIC(chl-a)的值，即

TSIC(chl-a)為中國營養狀態指數值，用0～100的連續數字表示。按富營養化評價等級將富營養化狀態分為五級，即:TSIC≤20，貧營養;20＜TSIC≤40，中營養;40＜TSIC≤60，輕度富營養;60＜TSIC≤80，中度富營養;TSIC＞80，重度富營養［8］。

1.4.3 綜合營養狀態指數法

我國水體富營養化評價的基本方法主要有營養狀態指數法〔卡爾森營養狀態指數(TSI)、修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數(TLI)等〕、營養度指數法和評分法［9］。

本文主要運用綜合營養狀態指數法(TLI)對水體富營養化狀況進行評價分析。營養狀態指數法最早由Carlson建立，其相關參數為chl-a、TP、TN、SD，選用基準參數為chl--a。

1.4.3.1 綜合營養狀態指數法公式［10］

式中:TLI(∑)為綜合營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重;TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數。

以chl--a作為基準參數，則第j種參數歸一化的相關權重計算公式為

式中:rij為第j種參數與基準參數chl-a的相關系數;m為評價參數的個數。

中國湖泊的chl--a和其他參數之間的相關關系rij和r2ij值見表 3。

表3 中國湖泊部分參數與chl-a的相關關系rij和r2ij值

營養狀態指數計算式為

1.4.3.2 水體營養狀態分級

Carlson營養狀態指數TSI和修正的Carlson營養狀態指數TSIM都是基于單參數，而且有評分而無分級，因此均不完善。而綜合營養狀態指數(TLI)法采用0～100的一系列連續數字對湖泊(水庫)營養狀態進行分級，具體的分級標準見表4。

表4 湖泊(水庫)營養狀態分級標準

2 結果與分析

2.1 基于Landsat5 TM影像的富營養化評價

根據單指標營養狀態指數方法，經計算，各采樣點水體狀態分布見表5。

表5 遙感評價營養狀態

2.2 綜合營養狀態指數評價

用綜合營養狀態指數法(TLI)對曲江南湖區13個采樣點進行評價，得出如表6的評價結果。

表6 曲江南湖各采樣點綜合營養狀態法評價結果

在ArcGIS軟件的支持下，根據綜合營養狀態評價結果生成2012年4月份曲江南湖富營養化程度分布圖，見圖3。

圖3 2012年4月曲江南湖富營養化程度分布

由表5和表6可以看出:曲江南湖水體呈現富營養化狀態，且屬輕度到中度富營養化。綜合營養狀態指數法結果顯示湖區水體多呈輕度富營養化，而遙感監測結果多呈中度富營養化狀態。

由圖3分析得出:1號采樣點臨近噴泉口，水體得到循環，流動性較好，富營養化程度低。4號靠近石隔斷、6號處于小橋位置，多有游人停留，10號處于湖中島游艇停靠區，人流量較大，水面人為垃圾漂浮較多，水質明顯偏差，富營養化程度高。而12號和13號點處于湖的邊緣位置，水體回流，流動性較差，且有垃圾等漂浮物聚集，特別是13號靠近寒窯景點，游人聚集，富營養化程度偏高。

從總體上看，在南北方向上，北湖區設有人工噴泉且北口有水流向北流出，水體流動性較好，富營養化情況相對較輕。南湖區因石隔斷阻隔水體的向北流動，造成水體流動較差，且游人觀賞和游玩區域多設置在該區，人為污染偏重，富營養化程度偏高。在東西方向上差異并不明顯。

兩種方法相較而言，遙感反演技術與綜合營養狀態指數法對曲江南湖水體富營養化的評價結果整體趨勢基本一致，均屬輕度到中度富營養化狀態。遙感監測因氣象和精度等因素，結果略偏高。因此，葉綠素a遙感估測方法可用于城市景觀水體富營養化監測。

3 結論

(1)利用綜合營養狀態指數法對曲江南湖景觀水體進行評價，綜合4個水質參數，綜合營養狀態指數TLI在50～70之間，說明曲江南湖屬于輕度到中度富營養化狀態，需要采取措施防止水質進一步惡化。

(2)利用葉綠素a遙感估測模型監測及評價曲江南湖景觀水體富營養化程度，能獲得較為理想的結果。

(3)TM4/TM3比值法對chl-a濃度的定量反演效果較好，具有很好的線性相關性，可用此模型對曲江南湖景觀水體進一步進行時空上的動態監測。

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