許 鵬, 杜 萍, 申 茜, 徐智邦

(1. 蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 蘭州 730070; 2. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070; 3. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094)

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基于GF-1 WFV影像的渾河懸浮物濃度和濁度遙感反演研究

許 鵬1,2, 杜 萍1,2, 申 茜3, 徐智邦1,2

(1. 蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 蘭州 730070; 2. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070; 3. 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094)

綜合利用高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星WFV影像和地面同步水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以沈陽(yáng)渾河為實(shí)驗(yàn)區(qū),分別建立懸浮物濃度和濁度反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)證分析GF-1WFV數(shù)據(jù)可有效反映渾河懸浮物濃度和濁度,且反演精度較好,結(jié)果均符合常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)規(guī)律。同時(shí)基于濁度數(shù)據(jù)模擬的懸浮物濃度也具有較高的精度,擬合度達(dá)到0.68,可為今后簡(jiǎn)化渾河懸浮物濃度反演流程提供經(jīng)驗(yàn)。將反演模型應(yīng)用于GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù),得到2016年9月渾河懸浮物濃度和濁度分布圖,反映了渾河流域懸浮物濃度和濁度的空間變化規(guī)律。對(duì)GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)和Thermo便攜式濁度計(jì)綜合運(yùn)用進(jìn)行中小尺度河流水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)有一定的參考價(jià)值。

GF-1; 懸浮物濃度; 濁度; 渾河

0 引 言

渾河位于沈陽(yáng)市東南部,自東向西流貫遼寧省全境,干流全長(zhǎng)415.4 km,流域面積12 216.4 km2,流域內(nèi)年平均降水量686.4 mm,年均徑流量為28.5億m3[1]。渾河是沈陽(yáng)市重要的水源地,其流域是遼寧省重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地,對(duì)渾河水質(zhì)的監(jiān)測(cè)一直都是國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單,包括人工采樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、自動(dòng)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)等,但無(wú)法同步獲得整個(gè)區(qū)域的水質(zhì)信息且人力成本巨大。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低,便于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)[2-4],因此,利用遙感手段對(duì)渾河進(jìn)行水體要素反演及空間分布研究具有較大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。懸浮物濃度和濁度是水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[5-6],對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)及治理具有重要意義,因此,本研究選取這2種水體指標(biāo)來(lái)進(jìn)行渾河水質(zhì)的反演。

高分一號(hào)衛(wèi)星(GF-1)是中國(guó)航天科技集團(tuán)公司于2013年4月26日發(fā)射的一顆高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,搭載了2臺(tái)分辨率為2 m的全色相機(jī)和8 m的多光譜相機(jī),以及4臺(tái)16 m分辨率的多光譜寬幅相機(jī)[7]。以往的水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究區(qū)主要集中在太湖、巢湖、杭州灣等大型湖泊及南方近海,利用GF-1數(shù)據(jù)對(duì)北方水體及分布流域較長(zhǎng)的河流區(qū)域懸浮物濃度和濁度的研究分析很少[8-10]。本研究利用測(cè)定的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)與GF-1衛(wèi)星的WFV多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)反演,得到沈陽(yáng)境內(nèi)渾河流域懸浮物濃度和濁度空間分布,并對(duì)渾河濁度數(shù)據(jù)模擬懸浮物濃度進(jìn)行探究。相關(guān)性比較結(jié)果表明,將高分一號(hào)影像用于北方地區(qū)中小尺度河流水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)是可行的。

1 數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

1.1 樣品采集與處理

2016年9月19日10∶00—12∶00時(shí)GF-1衛(wèi)星過(guò)境前后,對(duì)渾河流域水體進(jìn)行樣品采集,采樣點(diǎn)分布如圖1所示。采樣點(diǎn)按照河流下游至上游依次編號(hào),每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣1 L,置于清洗過(guò)的乙烯瓶中,放入帶有冰塊的保溫箱內(nèi)保存。

圖1 研究區(qū)與實(shí)測(cè)樣點(diǎn)分布Fig.1 Location and distribution map of HunheRiver,China

懸浮物含量目前主要的測(cè)量方法是稱重法[3]。研究方法利用改進(jìn)的海洋懸浮物濃度測(cè)量法對(duì)采集的樣品進(jìn)行測(cè)量,主要步驟包括:1)利用純水清洗直徑47 mm、孔徑0.7 μm(Whatman GF/F)玻璃纖維濾膜并用定性濾紙吸干水分;2)將濾膜放入上下鋪有鋁箔的坩堝上,置入馬弗爐中,550 ℃煅燒4 h;3)待溫度降至150 ℃時(shí),取出濾膜放入干燥皿冷卻至室溫后,用精度為0.000 1 g的電子天平依次對(duì)濾膜稱重;4)濾膜依次順序放入用純水清洗過(guò)的過(guò)濾器,選擇合適體積水樣進(jìn)行過(guò)濾;5)將過(guò)濾后的濾紙放入鼓風(fēng)干燥箱中,設(shè)置105 ℃烘干6 h;6)烘干后的濾膜放入干燥皿冷卻至室溫后對(duì)濾膜依次稱重;7)計(jì)算平行樣和樣本懸浮物質(zhì)量,誤差小于10%后取均值。

樣品的濁度是通過(guò)將搖晃均勻的水樣放入定標(biāo)后的Thermo濁度計(jì)進(jìn)行測(cè)量得到的。測(cè)定濁度時(shí),水樣一定要輕緩搖晃,避免氣泡影響濁度測(cè)定的準(zhǔn)確度。

1.2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)選取2016年9月19日上午11時(shí)12分過(guò)境,側(cè)擺角-11.64度的GF-1衛(wèi)星WFV2多光譜遙感影像數(shù)據(jù),影像獲取當(dāng)日天氣狀況良好,通過(guò)衛(wèi)星影像可以清楚觀測(cè)到沈陽(yáng)城區(qū)渾河水體試驗(yàn)區(qū)。

利用GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)反演渾河水體懸浮物濃度和濁度,需要對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理,主要步驟包括區(qū)域裁剪、幾何精校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等。幾何精校正采用一副已經(jīng)經(jīng)過(guò)精校正的沈陽(yáng)地區(qū)GF-1影像,在ENVI5.3軟件中進(jìn)行校正,采用三次卷積內(nèi)插法,總誤差控制在1個(gè)像元內(nèi);輻射定標(biāo)采用2016年中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站獲取的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)對(duì)影像進(jìn)行定標(biāo);大氣校正使用ENVI5.3軟件的FLAASH輻射傳輸模型對(duì)輻射定標(biāo)后的GF-1 WFV影像進(jìn)行大氣校正,并得到校正后的反射率數(shù)據(jù)。

2 遙感信息模型建立

2.1 懸浮物濃度遙感信息模型的建立

水體的反射主要集中在藍(lán)綠光波段,其他波段吸收較強(qiáng),但當(dāng)水體中含有其他物質(zhì)時(shí),會(huì)改變反射光譜曲線。當(dāng)懸浮物增多時(shí),水體由暗變亮,同時(shí)會(huì)發(fā)生"紅移"現(xiàn)象,即反射峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)[10]。

懸浮物濃度反演精度檢驗(yàn)主要是利用各波段的比值建立遙感因子與懸浮物濃度之間的關(guān)系,求解模型的擬合系數(shù)和反演值與實(shí)測(cè)值之間的誤差,作為其模型檢驗(yàn)的依據(jù)。首先對(duì)渾河實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)懸浮物濃度值與波段像元組合值進(jìn)行分析。

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到如下懸浮物濃度遙感信息模型:

表1 懸浮物經(jīng)驗(yàn)估算模型

式中:y為懸浮物濃度(mg/L);b1、b2、b3和b4分別為GF-1 WFV數(shù)據(jù)藍(lán)、綠、紅、近紅外波段的反射率。

經(jīng)分析,以藍(lán)、綠、紅波段為自變量的方程擬合度較高,其中紅波段擬合懸浮物相關(guān)系數(shù)較高,已有的理論研究成果也驗(yàn)證了該分析的合理性與科學(xué)性[11]。因而,基于b3波段構(gòu)建渾河水體懸浮物濃度定量反演模型為y=4 940.5x+0.017 9。

由懸浮物實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?基于b3波段的遙感反射率模型反演的懸浮物濃度與實(shí)測(cè)懸浮物濃度的擬合度達(dá)到0.53,說(shuō)明基于反演模型的懸浮物濃度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間已有較好的精度,其反演結(jié)果基本符合人工實(shí)測(cè)懸浮物濃度。

2.2 濁度遙感信息模型的建立

在近紅外和可見(jiàn)光波段范圍內(nèi),水體濁度增加,光譜反射率增加,水體濁度等級(jí)和光譜反射率在紅光波段呈線性相關(guān)的關(guān)系[12]。通過(guò)對(duì)GF-1WFV數(shù)據(jù)的4個(gè)波段反射率與水體的渾濁程度進(jìn)行相關(guān)性分析后,發(fā)現(xiàn)以藍(lán)、綠、紅波段為自變量的方程擬合度較高。

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到如下濁度遙感信息模型:

表2 濁度經(jīng)驗(yàn)估算模型

式中:y為濁度,單位:NTU;b1、b2、b3和b4分別為GF-1 WFV數(shù)據(jù)藍(lán)、綠、紅、近紅外波段的反射率。

由此可見(jiàn),單波段紅光的反射率與濁度關(guān)系密切,是反演濁度的關(guān)鍵波段。因而,基于b3波段構(gòu)建的渾河水體濁度定量反演模型為y=43 510x1.475。

由濁度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?基于b3波段的遙感反射率模型反演的濁度與實(shí)測(cè)濁度相關(guān)性擬合度達(dá)到0.63,說(shuō)明基于反演模型的濁度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已有較好的精度,其反演結(jié)果基本符合人工實(shí)測(cè)濁度。同時(shí)其濁度反演精度高于懸浮物濃度反演,經(jīng)預(yù)測(cè)可能是由于濁度數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中受人為干擾較少,誤差較小。

2.3 濁度數(shù)據(jù)模擬懸浮物濃度模型的建立

圖2 濁度估測(cè)懸浮物與實(shí)測(cè)懸浮物比較散點(diǎn)圖Fig.2 Turbidity estimate suspended matter compared with the measured suspended matter scatter plot

濁度是指水中懸浮物對(duì)光線透過(guò)時(shí)發(fā)生的阻礙程度,其含義是指懸浮物所引起的光散射使透過(guò)的光束變暗。已有研究表明,當(dāng)懸浮物濃度較低時(shí),散射光強(qiáng)度和懸浮物濃度近似成比例[13]。由于水體濁度測(cè)量方便快速,其所具有的光譜特征也可以被傳感器所探測(cè)。因此,在需要及時(shí)了解水體懸浮物濃度時(shí),可用濁度數(shù)據(jù)快速模擬懸浮物濃度。

將實(shí)驗(yàn)室測(cè)的懸浮物濃度和濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析,發(fā)現(xiàn)2組數(shù)據(jù)具有很好的線性相關(guān)性,模擬模型為y=3.919 3x0.616 1。由圖2顯示了基于濁度數(shù)據(jù)模擬懸浮物濃度和實(shí)測(cè)懸浮物濃度的對(duì)比,模型擬合效果較好,其相關(guān)性顯著,相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.68。

3 渾河懸浮物濃度和濁度的空間分析

利用ENVI5.3軟件,將波段運(yùn)算構(gòu)建的懸浮物濃度和濁度模型應(yīng)用于2016年9月19日的GF-1影像中,得到渾河水體懸浮物和濁度空間分布圖。

由圖3可知,2016年9月,渾河上游的懸浮物濃度較高,其他水域懸浮物濃度較上游略低。沈陽(yáng)境內(nèi)渾河流域懸浮物濃度不高,整體低于其他大型湖泊水質(zhì)[3,7-9]。從實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,渾河上游懸浮物濃度最大值為17.2mg/L,最小值為11mg/L,平均值14.69mg/L;渾河下游的懸浮物濃度最大值為13.8mg/L,最小6mg/L,平均值為10.07mg/L。同時(shí)經(jīng)反演統(tǒng)計(jì)得到上游懸浮物濃度最大值14.64mg/L,最小值為13.02mg/L,平均值13.85mg/L;下游懸浮物濃度最大值為13.55mg/L,最小8.34mg/L,平均值為10.58mg/L,反演懸浮物濃度結(jié)果穩(wěn)定且符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律。同時(shí)分析得,渾河上游懸浮物濃度偏高主要是因?yàn)橄募旧嫌紊絽^(qū)泥沙沖入河中引起的懸浮物濃度增大,下游地區(qū)由于有攔河壩的影響使水流速度變緩,水體泥沙沉淀,造成懸浮物濃度減小,郊區(qū)零星懸浮物濃度異常增高經(jīng)推測(cè)可能是由于攔河壩造成郊區(qū)水量變小,水位下降,局部窄河流造成河岸陸地光譜干擾造成的。

圖3 2016年9月19日渾河水體懸浮物濃度空間分布圖

圖4 2016年9月19日渾河水體濁度空間分布圖

由圖4可知,2016年9月渾河上游濁度較高,其余水域濁度較低,且反演結(jié)果整體平穩(wěn)。從實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,上游濁度最大值為10.355 NTU,最小值為5.095 NTU,平均值8.1289 NTU;下游的濁度最大值7.515 NTU,最小2.605 NTU,平均值為4.814 6 NTU。同時(shí)經(jīng)反演統(tǒng)計(jì)得到上游濁度最大值8.101 NTU,最小值為6.816 NTU,平均值7.470 2 NTU;下游的濁度最大值為7.232 NTU,最小3.527 NTU,平均值為4.938 8 NTU。反演的濁度分布合理,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。

從基于濁度模擬的懸浮物濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,上游懸浮物濃度最大值為16.311 7 mg/L,最小值為10.688 mg/L,平均值14.134 3 mg/L;下游懸浮物濃度最大值為13.579 0 mg/L,最小7.069 5 mg/L,平均值為10.198 mg/L。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得模擬懸浮物濃度與實(shí)測(cè)懸浮物濃度單位點(diǎn)平均絕對(duì)誤差為1.59 mg/L,模擬結(jié)果與該河段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況吻合,基本符合上述懸浮物濃度空間分布,說(shuō)明渾河濁度數(shù)據(jù)模擬懸浮物濃度已達(dá)到較高精度,其模擬結(jié)果在渾河水質(zhì)快速監(jiān)測(cè)、空間分布研究等方面具有較大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選取典型北方內(nèi)陸水體渾河為研究區(qū),利用GF-1衛(wèi)星準(zhǔn)同步WFV多光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)渾河水體懸浮物和濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行模型估算反演,結(jié)果表明:1)渾河水體懸浮物和濁度與GF-1 WFV數(shù)據(jù)的紅、綠、藍(lán)波段相關(guān)性高,且濁度模型的相關(guān)性高于懸浮物模型相關(guān)性,但二者模型均可以基本反映渾河水體懸浮物濃度和濁度分布情況;2)將建立的遙感模型應(yīng)用于2016年9月渾河水體,從空間分布看,渾河上游懸浮物濃度和濁度高于下游懸浮物濃度和濁度,但整體數(shù)值較其他大型湖泊偏低,說(shuō)明沈陽(yáng)境內(nèi)渾河水質(zhì)狀況整體較好;3)基于濁度信息模擬的懸浮物濃度與實(shí)測(cè)懸浮物濃度擬合度達(dá)到0.68,可為今后渾河簡(jiǎn)化懸浮物反演流程提供直接經(jīng)驗(yàn)。4)研究證明GF-1 WFV數(shù)據(jù)可以用于中小尺度河流水質(zhì)參數(shù)的遙感研究,其結(jié)果可以補(bǔ)充渾河水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)的不足,可為今后渾河水質(zhì)遙感反演監(jiān)測(cè)提供參考。

本研究也有不足之處,因渾河水質(zhì)懸浮物濃度和濁度整體偏低,在最后選擇波段時(shí)只重點(diǎn)研究了單波段紅光波段,但由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得基于復(fù)合波段的反演精度將更高;由于渾河水質(zhì)數(shù)據(jù)缺乏,本研究沒(méi)有對(duì)渾河水質(zhì)進(jìn)行懸浮物濃度、濁度長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)序列動(dòng)態(tài)研究。這些都是以后有待進(jìn)一步研究的方向。

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Research on remote sensing inversion mode of suspended matter density and turbidity based on GF-1 WFV image data in Hunhe River

XU Peng1,2, DU Ping1,2, SHEN Qian3, XU Zhibang1,2

(1. Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China; 3. Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China)

The experimental models of the suspended solidsconcentration and turbidity inversion are based on the GF-1 WFV satellite images and the actual synchronous data from the Shenyang Hunheriver. The GF-1 WFV data effectively reflect the suspended solids concentration and turbidity in the Hunheriver well with better precision in the simulation with the fitting degree of 0.68. This result can simplify Hunhe river suspended solids concentration inversion process. The model to GF-1 WFV data given by the distribution diagram of Hunheriversuspended solids concentration and turbidity in September in 2016 reflects the spatial change law of suspended solids concentration and turbidity. This study offers a valuable example for remote monitoring of river water quality by GF-1 WFV and Thermo portable turbidimeter.

GF-1;suspended solids concentration;turbidity;Hunheriver

1673-5862(2017)02-0180-05

2016-12-01。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571361)。

許 鵬(1991-),男,陜西漢中人,蘭州交通大學(xué)碩士研究生; 通信作者: 杜 萍(1976-),女,四川營(yíng)山人,蘭州交通大學(xué)副教授,博士。

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10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.011