基于Landsat-8 OLI 影像的沭河臨沂段氮磷污染物反演

錢彬杰 黃 迪 譚曉慧 劉志強

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033;2.青島華益環(huán)保科技有限公司，山東青島 266000; 3.四川國環(huán)環(huán)境工程咨詢有限公司青島分公司，山東青島 266061)

1 概述

氮磷污染物與水體富營養(yǎng)化和水生生物平衡密切相關(guān)，是衡量水環(huán)境質(zhì)量的重要指標，有效地控制河流的氮磷污染對河流水環(huán)境治理至關(guān)重要［1］。水質(zhì)監(jiān)測是水質(zhì)評價與水污染防治的主要依據(jù)［2］，因此對河流中氮磷污染物采取實時的監(jiān)測是控制河流的氮磷污染的關(guān)鍵一步。與常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測方法相比，遙感技術(shù)具有宏觀、實時、成本低等優(yōu)勢，不僅可以揭示污染物排放源，還可以對流域內(nèi)污染物發(fā)展趨勢做出研究和預(yù)測［3］。因此，結(jié)合遙感技術(shù)監(jiān)測大范圍流域水體中的氮磷濃度，具有重要的現(xiàn)實意義。目前，已有許多學(xué)者嘗試利用遙感技術(shù)對水質(zhì)參數(shù)氮磷進行監(jiān)測和反演［4-8］，但由于氮磷污染物屬于非光學(xué)活性水質(zhì)參數(shù)，其光譜影響和遙感監(jiān)測機理還沒有完全明確。因此，利用遙感技術(shù)對氮磷污染物的監(jiān)測與反演還未成熟，尚未有統(tǒng)一的模型。

本文以沭河臨沂段為研究區(qū)，氨氮(NH3-N)和總磷(TP)為研究對象，綜合利用Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)和研究區(qū)2014年1月～2017年5月水質(zhì)例行監(jiān)測，采用線性回歸方法構(gòu)建NH3-N和TP的反演模型，并利用實測數(shù)據(jù)對模型的適用性進行驗證。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

沭河臨沂段是山東省境內(nèi)第五大長河，臨沂市第二長河，屬淮河流域。位于山東省南部及江蘇省北部，地處北緯34°17'～36°10'30″，東經(jīng) 118°32'～ 119°12'。整個流域南北狹長，東西較窄，全長184 km，流域面積5 700 m2。主要支流有新沭河、袁公河、高榆河、湯河等。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用了沭河臨沂段上6個常規(guī)監(jiān)測站點2014年1月～2017年5月水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，共246組，監(jiān)測周期為1個月一次。6個監(jiān)測站點覆蓋整個沭河流域，上、中、下游，其具體位置詳見表1。各監(jiān)測站點主要針對GB 3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的 21個基本項目進行監(jiān)測，包括 pH，DO，CODCr，BOD5，NH3-N，TP，高錳酸鹽指數(shù)，石油類，揮發(fā)酚，氟化物，氰化物，硫化物，砷，鉛，鎘，銅，鋅，六價鉻，汞，硒，陰離子表面活性劑。

基于Landsat-8 OLI易獲取性、高分辨率及重訪周期短等優(yōu)勢，本文選用Landsat-8 OLI作為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。從USGS網(wǎng)站上下載了2014年1月～2017年5月研究區(qū)Landsat-8 OLI衛(wèi)星遙感影像(數(shù)據(jù)來源:http://glovis.usgs.gov)。為減少影像自身帶來的影響，研究應(yīng)選取質(zhì)量完好、無云或少云覆蓋衛(wèi)星遙感影像。Landsat-8 OLI遙感影像獲取的具體情況見表2。

表1 各監(jiān)測站點坐標

表2 2014年—2017年沭河臨沂段遙感影像詳細信息

2.3 遙感影像預(yù)處理

為了更加真實的反映研究區(qū)的實際情況，需要對遙感影像進行預(yù)處理，主要包括:幾何校正，輻射定標，大氣校正。

2.3.1 幾何校正

本文采用研究區(qū)1∶10 000地形圖作為基準圖，通過GPS實地測量得到流域上6個站點的經(jīng)緯度，采用雙線性內(nèi)插法對獲取的衛(wèi)星遙感影像進行幾何校正。校正后圖像誤差控制在一個像元內(nèi)，即達到校正精度要求。

2.3.2 輻射定標

1)DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度。

其中，Lλ為地物在大氣頂部的輻射亮度，W·m－2·sr－1·μm－1;Lmaxλ為光譜輻射擴展后最大值，W·m－2·sr－1·μm－1;Lminλ為光譜輻射擴展后最小值，W·m－2·sr－1·μm－1;DN為像元的亮度值;DNmax為DN中最大量化校準像素值(相對于Lmaxλ);DNmin為DN 中最小量化校準像素值(相對于 Lminλ);Lminλ，Lmaxλ，DNmin和DNmax的值均從元數(shù)據(jù)文件中獲取。

2)計算行星反射率。

其中，ρ為行星反射率，無量綱;π為3.141 592 654;d為日地距離參數(shù)，無量綱。數(shù)值從“科學(xué)數(shù)據(jù)用戶手冊”中獲取［9］;ESUNλ為太陽光譜輻射量，W·m－2·μm－1。獲取方式見文獻［10］;θ為太陽天頂角，該值從每個衛(wèi)星影像的元數(shù)據(jù)文件中獲取。

2.3.3 大氣校正

大氣校正常用的方法有輻射傳輸模型法、黑暗像元法、不變目標法及直方圖匹配法等。綜合分析這幾種方法的優(yōu)缺點，基于簡單、實用、精度高等要求，本研究采用黑暗像元法［11］對獲取的遙感影像進行大氣校正。具體步驟如下:

1)地物表面反射輻亮度。

假設(shè)地表面是一個朗伯體，忽略大氣的折射、湍流和偏振。

其中，R為地物表面反射率;E0為太陽光譜輻照度;θ為太陽天頂角;Tθ為在太陽輻射入射方向上的大氣透射率;ED為天空光漫射到地表面的光譜輻射度。

2)表觀輻射亮度。

其中，Tφ為地物到傳感器反射方向的大氣透射率;為衛(wèi)星傳感器天頂角;S為大氣反射率。通常S·R=0［12］，則由式(3)和式(4)可得到大氣校正模型為:

其中，L為可由星上或地面定標結(jié)果求得;為從衛(wèi)星影像的元數(shù)據(jù)文件中獲取;E0為可由探測器響應(yīng)函數(shù)計算求得;對LP，T，Tθ，TD有著不同算法，可以得到不同的黑暗像元法［13］。

3 結(jié)果與分析

3.1 敏感波段的選取

本文采用Peason相關(guān)系數(shù)法對Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)各波段光譜值與NH3-N和TP實測水質(zhì)參數(shù)值進行相關(guān)性分析，應(yīng)用SPSS軟件對波段模型進行分析比較，最終得出波段比值R/G與NH3-N濃度實測值的相關(guān)性最高(r=0.835);波段比值NIR/G與TP濃度實測值相關(guān)性最高(r=0.833)。因此，選用波段比值R/G和NIR/G作為構(gòu)建沭河臨沂段NH3-N和TP反演模型的因子。

3.2 遙感反演模型的建立

結(jié)合沭河臨沂段2014年1月～2017年5月水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別隨機選取50組數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析法建立了沭河臨沂段NH3-N和TP的反演模型，具體結(jié)果見圖1。以NH3-N和TP濃度實測值為自變量，波段反射率為因變量。

由圖1可知，NH3-N濃度最佳反演模型為:y=3.174 9x－1.990 9，R2=0.658 9;TP 濃度最佳反演模型為:y=0.323 8x －0.098 5，R2=0.718 9。

3.3 遙感反演模型的驗證

為驗證模型的準確性和適用性，本文分別采用21組未參與模型構(gòu)建的實測數(shù)據(jù)對反演模型進行驗證，以均方根誤差(RMSE)為檢驗指標。模型預(yù)測值與實測值對比情況見圖2。

由圖2可知，針對NH3-N，18號、19號點的預(yù)測值與實測值相差較大，其余點位預(yù)測的較為準確，NH3-N遙感反演模型均方根誤差(RMSE)為12.27%;針對 TP，12 號、13 號、17號和20 號點位預(yù)測值與實測值相差較大，但其他點位預(yù)測較為準確，TP遙感反演模型均方根誤差(RMSE)為2.93%。總的來看，模型精度基本可以滿足遙感監(jiān)測的要求。

圖1 NH 3-N和TP模型回歸擬合分析

圖2 NH 3-N和TP反演模型預(yù)測值與實測值對比情況

4 結(jié)語

1)采用Peason相關(guān)系數(shù)法對多光譜數(shù)據(jù)與NH3-N和TP實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，波段比值R/G與NH3-N濃度實測值相關(guān)性最高，并以此為模型構(gòu)建的因子，采用線性回歸方法建立了NH3-N和TP反演模型。結(jié)果表明，NH3-N濃度反演模型:y=3.174 9x－1.990 9，R2=0.658 9;TP 濃 度 反 演 模 型 為:y=0.323 8x －0.098 5，R2=0.718 9。

2)利用實測數(shù)據(jù)對建立的模型進行檢驗。結(jié)果表明，NH3-N濃度遙感反演模型均方根誤差(RMSE)為12.27%;TP遙感反演模型均方根誤差(RMSE)為2.93%。總的來看，建立的NH3-N和TP濃度遙感反演模型基本滿足遙感監(jiān)測的要求，可作進一步的研究。