基于GF-1的佛山市水污染時空分布研究

謝 東 儲芳芳 汪 濤 徐 丹

（佛山科學技術學院環(huán)境與化學工程學院 廣東佛山 528000）

引言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，GDP總量居全球第二，然而，當時這種僅僅追求發(fā)展速度而輕視環(huán)境污染問題的做法在目前已經(jīng)產(chǎn)生了不良的后果，在水環(huán)境污染方面更是與人民生活息息相關。佛山作為中國重要的制造業(yè)生產(chǎn)基地，同時又是制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型綜合試點城市，環(huán)境污染日益加劇，特別是水污染，與人民生活息息相關，是關乎民生的重大事項。

地表水中的二類水體與人類的生產(chǎn)生活息息相關，國內(nèi)外學者利用水質(zhì)遙感的原理對二類水體進行監(jiān)測做了大量研究鄧孺孺等人在2002年基于水體反射光譜成像的物理過程，建立了遙感數(shù)據(jù)與污染物濃度的函數(shù)關系，對珠江口海域進行了定量提取并用實測數(shù)據(jù)進行了驗證[1]。李海元在半經(jīng)驗法的水質(zhì)反演模型基礎上，結合混合遺傳算法在水質(zhì)反演中的應用進行研究，并經(jīng)統(tǒng)一檢驗，顯示混合遺傳算法的確可以提升反演精度[2]。付海軍利用高分一號和Landsat-8數(shù)據(jù)，基于地面實測數(shù)據(jù)，構建多種濁度反演模型，分析兩個傳感器反演濁度的能力差異，得出，利用高分一號進行水質(zhì)反演具有較高的精度[3]。

我國的高分一號衛(wèi)星的分辨率達到16米，滿足了城市內(nèi)部進行水污染研究的基礎，可以進行大面積的宏觀監(jiān)測，從二維監(jiān)測上升為空間上的監(jiān)測，具有針對性、精確性、大區(qū)域性的特點。目前，佛山市水污染防治依然任重道遠，水環(huán)境污染突出。因此，對佛山市進行水污染程度分布的研究，十分有必要，旨在對佛山市進行宏觀監(jiān)控，從而讓相關單位有目的性、緊迫性地對水污染進行治理。

1 數(shù)據(jù)預處理

本研究是通過遙感影像定量反演水中污染物的含量，因此就要獲取水體的反射率信息，基于大氣輻射傳輸理論，需要去除大氣分子、氣溶膠以及其他因素的影響。數(shù)據(jù)預處理包括輻射定標、大氣校正、正射校正和圖像鑲嵌與裁剪。輻射定標后得到的是大氣外層表面反射率；在本研究中，采用的是ENVI中FLAASH大氣校正工具；在進行圖像拼接前，需要對大氣校正后的影像進行正射校正處理；為了能夠?qū)ο乱徊焦ぷ鞲玫剡M行統(tǒng)一處理、解譯、分析和研究，利用無縫鑲嵌工具和軟件自帶的全國高分辨率DEM影像對兩幅圖像進行拼接處理，再利用佛山市行政邊界對拼接后的影像進行掩膜裁剪，形成一幅完整的佛山市影像圖。

2 水體信息提取及精度驗證

本研究需要對水體信息進行提取，然后才可以下一步的研究。而對于影像數(shù)字化來說，工作量大，且不實際。根據(jù)高分一號衛(wèi)星影像4個波段的光譜特性，結合水體本身在可見光和近紅外波段的反射率的吸收作用，本文通過研究三種常用水體提取方法的提取效果，并最選擇最好的結果進行模型反演。高分一號的第四波段對水體比較敏感，因此用其來進行閾值分析，經(jīng)過多次反復試驗，確定閾值在0.124-0.130之間，其對水體信息的提取較為有利；使用最大似然法對高分一號影像進行分類，結果中摻雜了少量城鎮(zhèn)用地、山體陰影等信息；歸一化水體指數(shù)法是通過影像中水體的最強與最弱反射波段進行比值運算，以擴大水體與其它地物之間的差異，突出水體信息的方法。對高分一號影像進行NDWI運算，結果中，NDWI>0的值為水體信息，經(jīng)反復試驗確認，當閾值為0.034左右為區(qū)別水體和非水體的界線。

經(jīng)過對三種水體提取方法的結果進行對比分析，結合本文的研究對象，綜合各方面的因素，本文采用水體指數(shù)法提取的水體作進一步研究。

3 模型構建以及反演

3.1 模型構建

水體的反射光譜來自水分子和水中懸浮顆粒物的散射光和水底反射光：

式中，Rwo為去除鏡面反射后的水體總反射率；Sw為出水反射率；Rg是指水底反射率。整個佛山市地區(qū)主要的水色因子為水中懸浮泥沙和其他污染物，其中，懸浮泥沙的含量較少，而水中污染物主要污染源為工業(yè)廢水污水、生活污水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水。若只考慮水中懸浮泥沙和污染物的影響，設水深為H，該厚度的水的散射對出水反射率的貢獻為：

式中，為去除鏡面反射后的太陽光入射到水中的能量；β=βw+Duβu+Dvβv+Dsβs為水體散射系數(shù)，其中，βv為浮游植物為主的其它物質(zhì)的散射系數(shù)，βw，βs，βu分別為水分子、水中懸浮泥沙和水中污染物質(zhì)的散射系數(shù)；α=αw+Dsαs+Duαu+Dvαv為水體吸收系數(shù)，αw，αs，αu，αv分別為水、水中泥沙、污染物質(zhì)和其它雜質(zhì)的吸收系數(shù)；h為水深；Du、Ds、Dv分別為污染綜合濃度、泥沙渾濁度和其它物質(zhì)的濃度；p(θ)為散射相函數(shù)；θ為光入射角。整層H厚度的出水反射率Sw(λ)為：

而水底反射光為：

將(4-3)、(4-4)式代入(4-2)、(4-11)式得：

式中，R(λ)為經(jīng)過預處理后的影像像元數(shù)據(jù)。根據(jù)影像頭文件中，天頂角θ已知，式中所有的吸收率和散射率均可測試或者參考其他學者獲得，因此，未知數(shù)只剩下Du和Ds，將藍、綠光2個波段的預處理后的影像數(shù)據(jù)代入模型，得到一個一元一次方程組，可求出污染物綜合濃度Du。

3.2 模型反演

在本文中，參考Pope和Fry[4]測得的純水散射和吸收系數(shù)進行反演，其參數(shù)如下表：

?

而綜合污染物吸收系數(shù)是通過遙感數(shù)據(jù)計算得到，在真彩色圖像上選取影像特征為均一深灰色的較深水區(qū)，讀取其三波段亮度值，有：

據(jù)此式計算出的αu'=αuDu0。

?

將第n波段的數(shù)據(jù)TMn代入6式并忽略，αsn，βun，令x=Ds/Dsa，y=Du/Du0得：

將第3波段帶入可得一個一元一次方程組，可求解出對應的y值，利用ENVI中的band math工具進行求解，可求出綜合污染指數(shù)y。將上述得到的結果轉(zhuǎn)成TIFF格式的文件，在ARCMAP中進行分類符號化、整飾出圖，得到2013年-2016年四年的佛山市水體綜合污染物的定量反演結果圖。

3.3 結果驗證

本文是基于輻射傳輸理論對佛山市水體污染濃度進行反演，為了驗證整個反演結果的正確性，一般需要通過實測數(shù)據(jù)來進行對比，但由于缺乏實際條件，因此本文通過對比其他學者或單位對佛山市水體污染的研究成果來驗證本次的反演結果。根據(jù)佛山市環(huán)境保護局的江河水環(huán)境年報的數(shù)據(jù)顯示，2015年中，三水區(qū)曲河段、禪城區(qū)的汾江河、南海區(qū)的大部分河段等都沒有達到V類標準，與反演的結果較為相似，2016年的水環(huán)境年報中，禪城區(qū)的汾江河和佛山水道、南海區(qū)的官窖涌、雅瑤水道、順德區(qū)的容桂水道等水質(zhì)未能達到標準，從反演結果中看出，污染濃度較高的分布在禪城區(qū)和南海區(qū)，潭洲水道和順德水道最為嚴重，與年報數(shù)據(jù)基本相似。

4 反演結果分析

4.1 綜合污染時空分布規(guī)律

佛山市水資源的總體特征可以概括為時空分配不均，西南部較多，東北部較少。從圖可以看出，2013年，佛山市水體污染較為嚴重的區(qū)域分布在南部區(qū)域，汾江河、佛山水道、潭洲水道、鶴山市與南海區(qū)交接的西海水道，容奇大橋西側的順德支流等河流的水質(zhì)污染濃度比其他地區(qū)要高，在佛山市的西江河段，濃度較高的一岸位于靠近南海區(qū)一側；2014年，整體的分布特點為三水區(qū)和順德區(qū)的水質(zhì)污染濃度較低，而中部南海區(qū)順德區(qū)的污染濃度較高，西江流段、東平水道和潭洲水道的水質(zhì)污染濃度較高；2015年，東平水道、汾江河、佛山水道以及三水區(qū)北江南段的水質(zhì)污染濃度為最高的，西江河段次之，西江河段的水質(zhì)污染濃度較高的區(qū)域主要分布在兩岸處，順德區(qū)的河流污染濃度整體較低，整體呈現(xiàn)中部較低，四周較低的分布；2016年，污染濃度偏高的區(qū)域主要分布在思賢窖附近、東平水道、汾江河、佛山水道以及西海水道，南海區(qū)的里水河、吉利水道、潭洲水道和順德水道污染濃度依然較高，順德支流、東海水道相對較好，污染濃度較低。佛山市水體綜合污染的時空分布規(guī)律為：禪城區(qū)中的汾江河和佛山水道污染濃度一直偏高，南海區(qū)域內(nèi)的河段水質(zhì)污染濃度較高，一般為靠岸濃度比河流中部要高，北江與西江交匯處思賢窖周圍地區(qū)在15-16兩年的濃度偏高，而順德的河流整體比禪城區(qū)南海區(qū)的水質(zhì)要好。

4.2 影響因素分析

本研究使用的數(shù)據(jù)中，其中2013年、2014年、2016年均處于豐水期，2015年處于枯水期。據(jù)部分學者研究，大部分污染物不會在豐水期出現(xiàn)超標現(xiàn)象，從圖中看出，豐水期年份的反演結果污染濃度整體要比枯水期年份的要低。據(jù)調(diào)查，全國的河流污染有50%都存在不同程度的污染，一般下游的污染程度較為嚴重，對于整個西江和北江，在佛山市境內(nèi)，屬于中下游河段，在反演的結果中，西江和北江整體的濃度偏高。影響城市水質(zhì)污染的因素主要還有各種污染源，包括工業(yè)污染、城市生活污水和農(nóng)業(yè)污染。佛山的經(jīng)濟結構為輕工業(yè)為主，部分地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達，佛山輕工業(yè)業(yè)態(tài)主要包括有紡織業(yè)、造紙和紙制品業(yè)、有色金屬冶煉等行業(yè)，這些業(yè)態(tài)往往污染物排放比較嚴重，從產(chǎn)業(yè)布局上看，佛山有色金屬加工業(yè)和五金加工業(yè)集中在南海北部，紡織業(yè)集中在南海西部，家電、家具業(yè)主要集中在順德。由于這些產(chǎn)業(yè)的集聚，工業(yè)排放較多，對河流水質(zhì)的影響較大，特別是經(jīng)南海區(qū)的東平河以及西海水道，四個年份的反演濃度均比較高。佛山市人口密集，水域兩岸的居民點和工業(yè)點密度較高，沿岸有大量的生活污水排放，加上農(nóng)村缺乏科學正確的規(guī)劃，大部分農(nóng)村都沒有集中處理農(nóng)村污水的地方，因此造成大量農(nóng)村生產(chǎn)生活污水排放到江河中去，同時，還有部分是來自于流動船舶的污染物排放，使河流中有機污染物更多。

結語

本文主要使用闡述了大氣輻射傳輸理論和影響水體反射率的因素，通過水體與遙感數(shù)據(jù)之間的關系，構建了基于輻射傳輸?shù)乃w污染反演模型，引用了其他學者的水體散射和吸收系數(shù)，同時，通過遙感像元數(shù)據(jù)計算出懸浮泥沙的吸收系數(shù)，利用2013-2016年高分一號影像中的藍紅波段對佛山市水體綜合污染物進行了定量反演，得到了2013-2016年四年間佛山市水體綜合污染分布圖。分析了佛山市四年間水體污染的時空分布規(guī)律，得出，汾江河、東平河、西海水道和潭洲水道呈現(xiàn)的濃度要高于其他區(qū)域的河段，根據(jù)影響河流水質(zhì)污染的因子結合四年污染濃度分布圖分析了佛山市江河的是指污染成因，佛山市產(chǎn)業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)結構均對水質(zhì)有一定的影響，主要是以工業(yè)廢水、城市生活污水和農(nóng)村生產(chǎn)生活污水等污染源的方式影響。南海區(qū)的金屬加工業(yè)、紡織業(yè)等業(yè)態(tài)污水排放量較大，而這些工業(yè)分布在河流兩岸，特別是南海區(qū)東平河段和西海水道河段，對這段的水質(zhì)影響較大。