陳婉佳,何政偉,高孝杰,滕 靖
(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059;
2.國(guó)土資源部 國(guó)土資源信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)
基于Landsat8數(shù)據(jù)的巢湖懸浮物濃度分析
陳婉佳1,2,何政偉1,2,高孝杰1,滕 靖1,2
(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059;
2.國(guó)土資源部 國(guó)土資源信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)
利用4景Landsat8數(shù)據(jù),以巢湖為研究對(duì)象,獲得2013-05-12巢湖懸浮物的質(zhì)量濃度特征。利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云對(duì)遙感帶來(lái)的干擾。通過(guò)MNDWI指數(shù)提取水體信息,對(duì)深藍(lán)波段與藍(lán)光波段進(jìn)行歸一化指數(shù)計(jì)算,然后進(jìn)行密度分割得到懸浮物濃度分級(jí)圖,分析其空間變化。
Landsat8;巢湖;懸浮物濃度;空間變化
巢湖位于安徽省中部,是中國(guó)五大淡水湖之一。它資源豐富,氣候溫和,在農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。然而,80年代以來(lái),受生態(tài)環(huán)境惡化影響,上游水土流失,將大量土壤帶入湖內(nèi),加之周圍城市污染物的注入, 使得懸浮物濃度含量高,水質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞[1]。
2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
美國(guó)于2013-02-11發(fā)射的Landsat8衛(wèi)星攜帶兩個(gè)主要載荷:陸地成像儀OLI和熱紅外傳感器TIRS。與Landsat7的ETM+相比,OLI /TIRS有很大改進(jìn)[2,3]。本文采用的Landsat8影像獲取時(shí)間為2013-04-12,下載于USGS網(wǎng)站。
2.2 數(shù)據(jù)處理
影像為UTM/WGS84 投影/坐標(biāo)系,處理格式為L(zhǎng)evel 1T,即已進(jìn)行基于地形的幾何校正。其處理均利用ENVI5.1軟件進(jìn)行,主要包括:
1)輻射定標(biāo)和大氣校正。輻射定標(biāo)將DN值轉(zhuǎn)化為表觀大氣反射率[4]。大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影像,本文對(duì)Landsat8的多光譜波段進(jìn)行FLASSH大氣校正。校正時(shí)輸入OLI卷云波段。由于該波段光譜范圍位于強(qiáng)烈的水汽吸收帶,大部分地面反射的電磁波信息無(wú)法穿過(guò)大氣層,所以卷云波段的信息量很低[2]。它可有效剔除強(qiáng)烈反射太陽(yáng)輻射的卷云對(duì)遙感帶來(lái)的干擾,消除云、太陽(yáng)耀斑等影響。
2)水體信息提取。考慮到巢湖的湖岸線有水泥道路、裸露的基巖以及植被覆蓋,本文采用徐涵秋提出的改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)MNDWI來(lái)提取水體[5]。其表達(dá)式為:
其中,Green和MIR分別為綠光波段和中紅外波段,對(duì)應(yīng)于Landsat8的3和6波段。
需要指出的是,巢湖內(nèi)部有小島存在,需要繪制矢量圖層進(jìn)行掩膜。對(duì)提取出的水體計(jì)算其均值,統(tǒng)計(jì)如表1,其反射光譜曲線如圖1。
表1 不同時(shí)間影像水體的均值
3)波段選擇。清水的反射率隨著波長(zhǎng)的升高而降低,而含懸浮物水體的反射率則會(huì)呈現(xiàn)先升高后降低[2]。由圖1可見(jiàn),水體均值的反射光譜曲線從OLI 1到OLI 4先升高后下降,可知懸浮物濃度較高。徐涵秋提出將1、2波段進(jìn)行減法運(yùn)算以增強(qiáng)圖像,突出懸浮物濃度差[2]。這樣做雖然能夠反映懸浮物的濃度含量,但在沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的情況下,用差值影像的灰度值來(lái)直接代替懸浮物的濃度含量稍欠科學(xué)性。在本文中,選取第1、2波段,通過(guò)計(jì)算懸浮物濃度歸一化指數(shù)NDSI,將灰度值的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為相對(duì)值,便于歸納懸浮物信息的統(tǒng)計(jì)分布性。其公式如下:
式中, B2為藍(lán)光波段;B1為深藍(lán)波段。
圖1 4個(gè)時(shí)間水體的反射光譜曲線
統(tǒng)計(jì)NDSI指數(shù)值。為避免噪聲影響,用線性拉伸的方法去除直方圖兩端各0.5%的數(shù)據(jù),使大部分的懸浮物信息得到增強(qiáng)。為了能夠進(jìn)行統(tǒng)一的閾值劃分,進(jìn)行以下運(yùn)算使得范圍固定在0~1之間:
式中,x為NDSI指數(shù)值;max、min分別為其最大值、最小值。
計(jì) 算 得 到2013-05-12的Y值 范 圍 依 次為:0.008 204~0.049 909;0.024 102~0.052 424;0.013 648~0.057 217;0.018 782~0.049 179。對(duì)運(yùn)算后的影像進(jìn)行密度分割處理,影像越紅的地方,濃度差越大。將水中懸浮物信息從低到高分為5級(jí):0~0.2為低;0.2~0.4為較低;0.4~0.6為中;0.6~0.8為較高;>0.8為高。得到4個(gè)時(shí)間懸浮物濃度的分級(jí)圖(圖2),統(tǒng)計(jì)每個(gè)級(jí)別的信息(表2),從而顯示2013年度巢湖懸浮物濃度的時(shí)空變化。
表2 不同時(shí)相懸浮物濃度信息統(tǒng)計(jì)
圖2 4個(gè)時(shí)間懸浮物濃度分級(jí)圖
由表2可見(jiàn),4個(gè)時(shí)間段懸浮物中等以下濃度的面積在增加,中等濃度的面積在減少,而較高及高濃度的面積呈現(xiàn)先增加后減少。如圖2,2013-05-14的分級(jí)圖上,高濃度區(qū)域集中在西半湖北部、西南部邊緣、湖心島四周以及東半湖東緣;而2013-08-18的高濃度區(qū)域明顯增多,散布于巢湖北、西、東邊緣;2013-10-21高濃度區(qū)域范圍明顯下降;2013-12-24高及較高濃度范圍有上升趨勢(shì)。
巢湖周圍共有大小入湖河流 33 條,在西半湖北部的匯流湖灣區(qū)域,所分布的3 條重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受來(lái)自合肥市的地表徑流水體,受到了嚴(yán)重污染[6,7]。而東半湖北部為巢湖市,隨著城市化進(jìn)程加快以及土地利用類型變化,造成陸上泥沙被帶入湖中。同時(shí),人類活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬污染物,在西半湖北部3個(gè)重污染河道的遷移、匯集下,堆積在距河口700 m 以上的湖灣低洼區(qū),導(dǎo)致該處濃度相對(duì)較高[8]。
巢湖在長(zhǎng)江、淮河兩大河流之間,屬亞熱帶和暖溫帶過(guò)渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季降水較多。巢湖市與肥西縣交界處,夏季多暴雨,影響湖內(nèi)底泥而產(chǎn)生攪動(dòng),增加了懸浮物濃度。在夏季汛期,長(zhǎng)江水位高于巢湖,也使得湖水不能下泄長(zhǎng)江,濃度從而增加。一到夏季,巢湖藍(lán)藻開(kāi)始大量繁殖,受微生物影響,懸浮物的濃度也明顯增強(qiáng)。不同的季節(jié),巢湖上方盛行的風(fēng)向不同,加上湖體自身的水流方向也不一致,綜合導(dǎo)致了懸浮物濃度空間分布具有季節(jié)性。
本文利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云對(duì)遙感帶來(lái)的干擾;利用MNDWI指數(shù)對(duì)巢湖水體進(jìn)行提取;通過(guò)Landsat8深藍(lán)和藍(lán)光波段計(jì)算懸浮物濃度歸一化指數(shù),可較好反映水體懸浮物分布;利用密度分割,分級(jí)后可直觀定量地反映懸浮物濃度在時(shí)間和空間分布上的變化。
研究結(jié)果顯示,巢湖懸浮物分布有以下特點(diǎn):① 受降雨和風(fēng)力的影響,懸浮物濃度具有季節(jié)性特征,表現(xiàn)為春夏懸浮物濃度高于秋冬;②北部入湖口懸浮物濃度較高;③西半湖懸浮物濃度總體高于東半湖,北部高于南部;④西半湖的北部位于合肥市南部,東半湖的東北部位于巢湖西部,均受城市氣候和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響,懸浮物濃度總體較高;⑤在西半湖的湖灣低洼處,懸浮物濃度整體較周圍區(qū)域高。
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圖2 系統(tǒng)功能界面(審圖號(hào):SN(2013)074號(hào))
根據(jù)當(dāng)前監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)模式,分析了GIS應(yīng)用在監(jiān)管系統(tǒng)中的局限性,并以山東測(cè)量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管信息系統(tǒng)為例,基于公共服務(wù)平臺(tái),重點(diǎn)研究分布式共享、工作流、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),解決了測(cè)量標(biāo)志巡查信息未能及時(shí)更新同步、申請(qǐng)審核流程運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下、分級(jí)管理存在的數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題,促進(jìn)了測(cè)量標(biāo)志管理的規(guī)范化、巡查的信息化、服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化、信息更新的準(zhǔn)實(shí)時(shí)化,從而保證了測(cè)量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作的順利進(jìn)行。
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作者簡(jiǎn)介:葉曉卿,碩士,研究方向?yàn)镚IS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。
P237.9
B
1672-4623(2015)03-0101-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.036
陳婉佳,碩士,主要從事測(cè)繪、遙感地質(zhì)與地理信息系統(tǒng)工作。
2014-07-17。
項(xiàng)目來(lái)源:教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20095122110003)。