基于OLI影像的北溪橋閘庫區(qū)污染分布研究

周嘉旺

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院,福建 福州 350001)

1 引言

九龍江北溪橋閘位于九龍江北溪河口，庫區(qū)作為福建省重要的水源地，涉及漳州第二水廠水源保護(hù)區(qū)、漳州市福糖水廠水源保護(hù)區(qū)、北溪廈門市引水水源保護(hù)區(qū)、龍海市自來水廠水源保護(hù)區(qū)等4個水源保護(hù)區(qū)，承擔(dān)著給廈門、漳州供水重?fù)?dān)，其水質(zhì)安全極其重要。但受到九龍江北溪流域天然來水量較小、流域內(nèi)人口較多等因素影響，北溪橋閘庫區(qū)的水質(zhì)安全隱患較大，甚至偶發(fā)水華現(xiàn)象。因此，研究北溪橋閘庫區(qū)污染分布對水源地保護(hù)、流域綜合治理都具有重要意義。

CODMn(高錳酸鹽指數(shù))是反映水體中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的重要指標(biāo)，常用在地表水、飲用水的監(jiān)測中，同時CODMn也是富營養(yǎng)化評價的重要指標(biāo)。

CDOM即有色可溶性有機(jī)物，是光學(xué)上可測量的水中溶解性有機(jī)物的，主要由氨基酸、糖、脂肪酸類、酚類等組成，在紫外和藍(lán)光范圍具有強(qiáng)烈的吸收，在黃色波段吸收較小，隨著CDOM的增長，水體顏色逐漸由藍(lán)色過渡到綠色、黃綠色、黃色。根據(jù)相關(guān)研究表明，在天然水體中，CDOM與CODMn具有較好的相關(guān)性，使CODMn的遙感監(jiān)測具有可行性。

OLI影像來自landsat8遙感衛(wèi)星，其波段主要包括海岸波段、紅、綠、藍(lán)、近紅外、短波紅外等7個波段以及全色波段和卷云波段。除全色波段外，其它波段空間分辨率為30 m。通過輻射定標(biāo)以及大氣校正后的OLI影像，可從各波段讀取實測點的反射率，獲取各實測點的光譜信息，用于定量分析。

通過分析各實測點的CODMn值和遙感光譜反射率，找到適合研究區(qū)域的波段組合方式，并建立二者的定量模型，從而實現(xiàn)遙感監(jiān)測。

2 研究區(qū)概況

九龍江北溪為九龍江干流，是福建省第二大江，全長約274 km，流經(jīng)龍巖、漳州、廈門等市。北溪橋閘位于九龍江北溪河口，是九龍江北溪干流末端閘壩，控制流域面積約9640 km2，庫區(qū)內(nèi)涉及4個水源保護(hù)區(qū)，是福建省重要水源地。為了了解北溪橋閘庫區(qū)內(nèi)水質(zhì)情況，2018年3月6日進(jìn)行水樣監(jiān)測，共選取7個監(jiān)測點位，詳見表1。

表1 北溪橋閘庫區(qū)監(jiān)測點位分布

3 材料與方法

3.1 影像數(shù)據(jù)獲取

OLI影像從地理空間數(shù)據(jù)云獲取。考慮到landsat8衛(wèi)星一個運行周期為16 d，且衛(wèi)星影像質(zhì)量受大氣影響較大，在選取影像的時候，應(yīng)考慮成像日期以及云量的影響。本次OLI影像的數(shù)據(jù)標(biāo)識為LC81190432018070LGN00，其成像日期為2018年3月11日，云量為2.98%，影像數(shù)據(jù)較好。

3.2 影像處理

所獲取的影像投影坐標(biāo)系為WGS84 UTM 50，已經(jīng)過系統(tǒng)性的幾何校正。查看影像像元值為整型，為DN值，需通過輻射定標(biāo)及大氣校正轉(zhuǎn)為反射率。采用ENVI5.3中Radiometric Calibration工具對所需影像及波段進(jìn)行輻射定標(biāo)，并進(jìn)一步進(jìn)行FLAASH大氣校正：影像平均地面高程設(shè)為0.05 km，大氣模型參數(shù)選擇Tropical(低緯度),氣溶膠模型選擇urban，氣溶膠反演方法選擇2-band(K-T)法。

3.3 水系提取

在處理后的影像上繼續(xù)提取研究區(qū)域水系。影像水系提取主要有MNDWI(改進(jìn)型水體歸一化指數(shù))以及NDWI(水體歸一化指數(shù))兩種方法。相比起NDWI，MNDWI采用綠色和短波紅外來增強(qiáng)無冰水面要素，同時降低了人工建筑的響應(yīng)。考慮到研究區(qū)域河岸有較長的防洪堤、且水面架設(shè)橋梁較多，人工建筑影響較多，采用MNDWI來提取水系更加合適，MNDWI計算公式如下。

(1)

最后在arcgis Pro中采用柵格裁剪工具，對影像提取的水系進(jìn)行進(jìn)一步的修剪，獲得最終的研究范圍。

4 結(jié)果與分析

表2 各水樣CODMn監(jiān)測值與反射率

表3 波段及波段組合與監(jiān)測值的相關(guān)性(節(jié)選)

圖1 庫區(qū)高錳酸鹽指數(shù)預(yù)測分布

將驗證樣本的4、6、7波段反射率帶入訓(xùn)練樣本的線性擬合公式，獲得驗證樣本CODMn濃度預(yù)測值，并將預(yù)測值與實測值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)相對誤差較小，用本方法預(yù)測庫區(qū)CODMn濃度分布結(jié)果較可靠。驗證樣本預(yù)測結(jié)果分析見表4，線性擬合如下：

(2)

采用arcgis Pro的柵格計算器，將研究范圍內(nèi)的各波段通過上述公式組合，獲得九龍江北溪橋閘庫區(qū)的CODMn濃度分布，可發(fā)現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)CODMn平均值約1.71 mg/L,且大部分地區(qū)可達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，庫區(qū)CODMn較高的區(qū)域主要分布在龍津溪口，此外受沿岸農(nóng)田面源散排以及部分河岸水土流失的影響，部分沿岸區(qū)域CODMn也較高。

5 結(jié)語

本文基于OLI影像及實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用遙感影像對污染物特征光譜的識別，反演了九龍江北溪橋閘庫區(qū)內(nèi)的高錳酸鹽指數(shù)分布(圖1)，并判斷出庫區(qū)內(nèi)主要污染分布及來源。雖然實測和預(yù)測數(shù)據(jù)表明，龍津溪口水質(zhì)未超過Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，但結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，當(dāng)CODMn較高時(>3 mg/L)，總磷總氮容易超標(biāo)。此外，郭坑大橋至北溪橋閘區(qū)間，CODMn分布呈增大趨勢，說明沿岸農(nóng)田面源的散排也是庫區(qū)水質(zhì)的重要影響因素。因此，為進(jìn)一步保障九龍江北溪橋閘水源地的供水水質(zhì)安全，建議可針對龍津溪開展小流域綜合整治，并對庫區(qū)沿岸農(nóng)田采取節(jié)水灌溉、測土配方肥等手段進(jìn)行治理。