利用高分衛(wèi)星遙感數據的水體富營養(yǎng)化監(jiān)測應用

文｜程飛雁 翟建寶 宋振強

哈爾濱航天恒星數據系統(tǒng)科技有限公司

一、前言

“十二五”以來，國防科工局組織實施了“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”，推進了高分數據在行業(yè)與區(qū)域的應用服務。充分利用高分數據在資源和環(huán)境監(jiān)測具有的“更精細”“更快速”優(yōu)勢，提升有關部門管理效率和決策水平。截止到2019年11月，我國高分專項的高分一號至七號衛(wèi)星全部成功發(fā)射，生態(tài)環(huán)境部為高分五號衛(wèi)星的牽頭用戶和高分一號衛(wèi)星的主用戶，推進了高分數據在水資源方向的應用，逐步完善了高分數據應用體系。

我國在水體富營養(yǎng)化防治與治理方面做了大量的工作，但我國湖泊、水庫、河道等富營養(yǎng)化程度總體還沒得到有效遏制，治理效果并不理想，部分湖泊、水庫依然存在惡化的趨勢，水質良好的湖庫生態(tài)安全也受到潛在威脅。目前，監(jiān)測水體富營養(yǎng)化的手段包括傳統(tǒng)監(jiān)測及衛(wèi)星遙感監(jiān)測。傳統(tǒng)水體富營養(yǎng)化監(jiān)測手段已難以滿足大面積、短周期、高精度、低成本的環(huán)境管理需求。根據新時期國家社會經濟發(fā)展和生態(tài)保護戰(zhàn)略需求，推進水資源生態(tài)文明建設，利用高分衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段構建水體富營養(yǎng)化監(jiān)測模型，全方位對湖泊、水庫水體富營養(yǎng)化程度進行評估，可有效解決現有傳統(tǒng)監(jiān)測手段所不具備的實時、動態(tài)、大范圍監(jiān)測能力，為水體富營養(yǎng)化防控與治理提供技術及數據支撐，為相關部門有效管理執(zhí)法提供量化決策依據。

二、水體富營養(yǎng)化監(jiān)測模型構建

采用國家生態(tài)環(huán)境部環(huán)境監(jiān)測總站頒布的《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定（總站生字［2001］090）》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法（Trophic Level Index，TLI），獲得與遙感成像同步（或準同步）的水體富營養(yǎng)化參數濃度的實測數據，分析水體反射、吸收和散射的光譜曲線特征，通過定量遙感方法，利用GA-BP 模型，建立富營養(yǎng)化評價模型。

本文共采集水體樣本30 個，每個采樣點位置均利用GNSS 定位獲取地理信息，記錄采樣點的經度、緯度、高程等信息，將采樣結果送到專業(yè)檢測機構進行分析，對透明度（SD）、葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數（CODMn）5 個參數進行檢測。利用GF-1、GF-2 衛(wèi)星遙感影像數據分別進行輻射定標、大氣校正、正射校正等預處理，通過歸一化水體指數（NDWI）或監(jiān)督分類方法，提取監(jiān)測目標水體信息。對水體光譜反射率信息進行波段組合，提取采樣點下對應的光譜信息值。利用測量后的水質參數進行營養(yǎng)狀態(tài)指數計算，再利用計算得到5 個參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數進行綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數的計算，以綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數為目標函數，光譜反射率及波段組合后光譜信息值為因變量，通過GA-BP 模型構建水體富營養(yǎng)化評估模型，采用模型精度評價指標分析模型可用性。主要技術流程如圖1 所示。

圖1 水體富營養(yǎng)化監(jiān)測流程

三、水體富營養(yǎng)化評估模型在水體富營養(yǎng)化監(jiān)測應用

為加快推進生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力及現代化，用高分衛(wèi)星遙感助力水體污染防治攻堅戰(zhàn)。隨著高分衛(wèi)星的接連發(fā)射，高分衛(wèi)星成為了水環(huán)境監(jiān)測的主力軍，是水污染監(jiān)測不可或缺的手段，為環(huán)境管控、生態(tài)保護、執(zhí)法監(jiān)督、防治治理等提供了科學、有效的數據支撐，為提升生態(tài)環(huán)境效能作出了重大貢獻。

1.環(huán)保防治提供數據基礎

本文利用GF1-WFV 16m 分辨率多光譜衛(wèi)星遙感影像對2018年綏化市某湖進行水體富營養(yǎng)化監(jiān)測。此湖面積約123km2，為平原水庫型湖泊。通過構建的水體富營養(yǎng)化評估模型對湖泊進行水體富營養(yǎng)化反演，反演結果如圖2 所示。由于此湖泊分為兩個庫區(qū)，上部分為泄洪庫區(qū)，下部分為泄污庫區(qū)。上部庫區(qū)由于泄洪原因，導致周邊帶有大量營養(yǎng)物質的水流入，導致泄洪入口部位的水體富營養(yǎng)化程度較高。下部庫區(qū)為排污庫區(qū)，受污染程度較高，導致下部庫區(qū)總體水體富營養(yǎng)化程度高于上部庫區(qū)。

圖2 綏化市某湖水體富營養(yǎng)化監(jiān)測圖

通過統(tǒng)計水體富營養(yǎng)化信息，對數據進行研判，構建湖泊富營養(yǎng)化分布圖，可整體把控水體富營養(yǎng)化分布情況，針對不同濃度富營養(yǎng)化的地方進行差異化防治與治理，實現湖泊精細化管理。利用高分衛(wèi)星遙感監(jiān)測水體富營養(yǎng)化的方式，快速對信息進行整合、統(tǒng)計、分析，能夠在短時間內讓水利及環(huán)保部門做出更加準確的決策和應對措施，使水環(huán)境保護工作更加信息化、精準化、科學化。

2.敏感點位排查分析污染成因

水體富營養(yǎng)化主要成因之一為外源污染（圖3），污染源分布在水體周圍，外源污染又分為點源和面源污染，點源是指通過管道形式集中排放的污染，例如城市生活污水、雨水收集排放和工業(yè)廢水等。面源主要來自于農田沖刷、街道村落沖刷等。

圖3 外源污染分類

利用GF1-PMS 2m 分辨率的遙感影像對水體富營養(yǎng)化污染敏感點位進行排查分析。圖4 為水體富營養(yǎng)化監(jiān)測敏感點位分布圖，敏感點位所處位置，水體富營養(yǎng)化程度較高。通過敏感點位分析與排查，點位1 處，距離河道及人造林較近，由于林地沖刷，富含氮、磷的水體流入河道，導致了此處水體富營養(yǎng)化程度較高。點位2—3 處，距離工廠及居民地較近，受人類活動影響較大，工業(yè)污水、生活水、家畜家禽糞便導致了此處水體富營養(yǎng)化程度較高。

圖4 某區(qū)域景觀河道敏感點位水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測圖

水體富營養(yǎng)化防治保護要從污染防治做起，通過高分衛(wèi)星遙感數據將水體有富營養(yǎng)化趨勢或監(jiān)測值異常的點作為敏感點，針對敏感點快速追因，排查污染源，鎖定關鍵成因，為相關部門及時管控及排查提供數據支撐，提高環(huán)境監(jiān)督和執(zhí)法水平，保障環(huán)境安全。通過定期抽查敏感點位，為富營養(yǎng)化防治提供點源、面源、內源的綜合治理思路，根據不同污染類型，制定差異化的防治手段，采用不同的治理技術，對富營養(yǎng)化程度較高的區(qū)域進行控源減排，逐步恢復水資源的生態(tài)功能。

3.治理進度執(zhí)行情況跟蹤監(jiān)測

利用GF2-PMS 1m 多光譜數據在治理水體富營養(yǎng)化期間，連續(xù)對治理進度執(zhí)行情況跟蹤監(jiān)測，通過對比治理過程中的多期衛(wèi)星遙感監(jiān)測結果，以水質改善程度為目標，判斷治理進度和治理范圍是否符合工程要求。如圖5 所示，此湖為帶有中心島的人工湖，由于地處旅游景區(qū)內，受人類活動影響較大，導致湖四周以及中心島四周水體富營養(yǎng)化程度嚴重，為了保證湖體水質及美觀程度，對湖體開展富營養(yǎng)化治理工作，本文以湖水富營養(yǎng)化改善程度為監(jiān)測目標，對治理進度情況進行跟蹤。通過4 個月的時間對人工湖治理進度進行跟蹤監(jiān)測，發(fā)現治理效果顯著，湖水重度、中度富營養(yǎng)化區(qū)域明顯改善，治理進度執(zhí)行情況良好。

圖5 2019年6—9月某人工湖水體富營養(yǎng)化治理進度遙感監(jiān)測圖

湖泊水質提升整治工程在各個地方逐步開展，利用高分辨率影像可以準確掌握施工現場進度執(zhí)行情況以及現場的安全文明和環(huán)境保護情況，通過對富營養(yǎng)化治理進度執(zhí)行情況跟蹤監(jiān)測，聚焦改善成果，加強加密水體富營養(yǎng)化程度監(jiān)測，及時通報監(jiān)測結果并分析研判，跟進整治成效，提升水環(huán)境治理執(zhí)行效能，推動水體富營養(yǎng)化改善持續(xù)向好。

四、結語

衛(wèi)星遙感技術作為一種大范圍、短周期、低成本、高精度觀測手段，能夠對湖泊、水庫進行動態(tài)化、常態(tài)化監(jiān)測，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，更能為環(huán)保、水利、生態(tài)等相關部門防治水體富營養(yǎng)化提供數據基礎、統(tǒng)籌規(guī)劃提供量化決策支持、為執(zhí)法和監(jiān)管提供決策依據，為政策執(zhí)行提供強力保障。

經過多年的衛(wèi)星研制和技術開發(fā)，中國目前已初步建立了水環(huán)境遙感監(jiān)測體系并具備了業(yè)務化應用能力，水環(huán)境遙感監(jiān)測也正走向“實時化、智能化”。隨著高性能對地觀測手段及人工智能算法的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測技術也面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，加快“高空間、高時間、高光譜”衛(wèi)星發(fā)展，同時利用深度學習等新技術提升遙感監(jiān)測的效率，推動遙感監(jiān)測業(yè)務向著集成化、自動化、智能化方向發(fā)展。