汪燕，賈利萍，劉樂(lè)，彭鵬

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽合肥 230001）

0 引言

礦產(chǎn)資源的開(kāi)采和加工不僅對(duì)地表水和地下水造成大面積的污染，還會(huì)加劇土地的退化。礦山廢水的排放、滲漏等導(dǎo)致周圍河流也受到了一定程度的污染，從而影響人們的生活。因此，進(jìn)行礦山環(huán)境治理，尤其是水污染治理的前提是要了解礦山周圍水的分布及污水的范圍[1][2]。通過(guò)遙感技術(shù)可快速、大范圍、周期性地監(jiān)測(cè)水質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化，為礦山環(huán)境治理提供了有效的技術(shù)支持。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)污染水體的提取方法主要有指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、因子分析法、基于盲數(shù)理論的指數(shù)評(píng)價(jià)模型等，而針對(duì)礦山水體污染的分析評(píng)價(jià)常用的方法有地積累指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，根據(jù)選擇的因子數(shù)量，指數(shù)法又可以分為單因子指數(shù)模型與多因子綜合指數(shù)模型。模糊數(shù)學(xué)法也是水體污染評(píng)價(jià)中應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)學(xué)工具。國(guó)內(nèi)對(duì)于污染水體監(jiān)測(cè)的研究起步較晚，但近年來(lái)隨著科技的進(jìn)步也取得較大的發(fā)展。不僅豐富了污染水體監(jiān)測(cè)的理論，也對(duì)污染水體的防治和管理提供了非常有價(jià)值的參考性。國(guó)內(nèi)常用的方法有：灰色理論法、混沌法、統(tǒng)計(jì)學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3]等。以上污染水體方法各自均有其優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)于不同的應(yīng)用[4]。

本文結(jié)合礦山開(kāi)發(fā)區(qū)域特征，根據(jù)遙感影像光譜特征，選取遼寧省遼陽(yáng)縣蘭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以Landsat8為數(shù)據(jù)源，在水體信息提取的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)合水體污染光譜曲線的差異，采用光譜對(duì)比法實(shí)現(xiàn)研究區(qū)污染水體的監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)而為礦區(qū)污染的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水污染監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)選取遼寧省遼陽(yáng)縣蘭河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)域，在之前光學(xué)影像的目視解譯過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該處有大量的露天采礦場(chǎng)、鐵礦尾礦庫(kù)、選礦場(chǎng)、廢石堆等礦業(yè)活動(dòng)用地，由此推測(cè)該區(qū)域的水域受到了一定程度的污染。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

Landsat8 是在Landsat 衛(wèi)星基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改進(jìn)的新一代陸地資源衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2013年2月成功發(fā)射，在Landsat8衛(wèi)星上搭載了陸地成像儀和熱紅外傳感器兩個(gè)影像獲取的傳感器。其中，陸地成像儀包含九個(gè)波段數(shù)據(jù)，原始的Landsat 衛(wèi)星的7 個(gè)波段數(shù)據(jù)，分辨率均為30m，第八波段為全色波段，其分辨率為15m，該波段增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的分辨率，第九波段為卷云波段，分辨率為30m，該波段主要用于云檢測(cè)等。表1為L(zhǎng)andsat8傳感器波段參數(shù)列表。

表1 Landsat8波段參數(shù)設(shè)置Table 1.Setting of Landsat8 waveband parameters

根據(jù)研究區(qū)域覆蓋的范圍，論文使用軌道號(hào)為119～30的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，影像的成像時(shí)間為2018年6月13日，云量低于5%。為了減少大氣、光照等對(duì)信息提取引起的幾何位置和輻射誤差，我們首先對(duì)獲取的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正和輻射糾正，進(jìn)而提高水體提取的精度。

2 礦山污染水體遙感監(jiān)測(cè)方法

2.1 礦山污染水體監(jiān)測(cè)原理

礦山水污染類型通常分為三類，即酸性污染（包括泥沙污染）、堿性污染和酸堿混合污染。露天采礦場(chǎng)、廢石堆等通常產(chǎn)生酸性廢水；選礦廢水產(chǎn)生堿性污染；酸堿混合污染是指同時(shí)受到酸性和堿性污染，造成上述三種類型的因子是水體中懸浮物的不同類型[5]。

基于遙感技術(shù)的礦山水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)是以污染水體的光譜特征為依據(jù)。水體光譜反射率特征顯示，水體對(duì)太陽(yáng)輻射的光譜反射率差異與水體其本身的污染程度有著緊密的相關(guān)性，從而使得其在影像上顯示的特征也存在差異性。由于溶解或懸浮于水中的污染成分和濃度的不同，使水體的顏色、密度、透明度和溫度也不同，導(dǎo)致其特征曲線上反射峰的位置、高度和影像上的特征也相應(yīng)的不同?；谝陨弦蛩兀\(yùn)用遙感技術(shù)手段進(jìn)行廢水污染監(jiān)測(cè)，可利用多光譜合成圖像，根據(jù)色調(diào)、形態(tài)、紋理等特征進(jìn)行污染源、污染范圍、面積和濃度的初步識(shí)別。

2.2 礦山污染水體信息提取

礦山水污染識(shí)別和提取包括兩種，一是確定水體的化學(xué)成分，將其分為酸性污水、堿性污水和酸堿混合污水；二是不考慮具體的化學(xué)成分，直接將水體按污染程度分級(jí)分別進(jìn)行提取[6]。

針對(duì)上述兩種提取類型，本實(shí)驗(yàn)采用光譜反射率均值對(duì)比法，基于不同水體光譜曲線數(shù)據(jù)，確定區(qū)域水體污染。

2.2.1 水體信息提取

進(jìn)行污染水體提取的前提是提取出研究區(qū)中的所有水體。不同的地物在不同波段反射能力不同，對(duì)幾個(gè)波段進(jìn)行組合、差值、比值等運(yùn)算可以突出水體，盡可能多的抑制非水體信息的表達(dá)。在整個(gè)水體信息提取的過(guò)程中，暗色地物以及陰影（尤其是來(lái)自于高大建筑物）是水體信息提取的最大干擾因素[7]。而礦山區(qū)域這兩個(gè)因素最為明顯。本研究水體信息提取時(shí)，針對(duì)礦山區(qū)域，研究了一種改進(jìn)的綜合水體指數(shù)提取方法。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水體在藍(lán)綠波段下降速率明顯小于紅外波段，部分非水體地物雖然反射率也隨著波段的增加而降低，但是它的反射率總體來(lái)說(shuō)都很高，其他的地物在近紅外波段反射率反而隨之增加。在以上原理的基礎(chǔ)上，論文初步嘗試采用藍(lán)、綠、近紅外三個(gè)波段構(gòu)建新的水體指數(shù)對(duì)水體信息進(jìn)行增強(qiáng)，最大限度的區(qū)分水體和非水體地物之間的光譜差異，計(jì)算公式如下所示：

式中，Band2、Band3、Band5 分別代表了藍(lán)色波段、綠色波段以及近紅外波段.

2.2.2 基于光譜差異性的污水分析方法

水體在遙感影像上的光譜特性取決于水體中的物質(zhì)含量以及類型，不同類型的物質(zhì)以及含量使得水體的光譜特性不同，影響水體光譜特性的主要包括：水中的懸浮泥沙的含量（水體的渾濁程度）、水體中物質(zhì)的顆粒大小、水體的葉綠素含量、富營(yíng)養(yǎng)化程度、有機(jī)物的含量等，此外，水的溫度以及水深也對(duì)光譜成像有一定的影響。遙感傳感器的成像原理為不同地物對(duì)太陽(yáng)光譜反射率的不同導(dǎo)致圖像上存在光譜差異。因此，不同污染程度的水體在影像上呈現(xiàn)的光譜特征不同，具體表現(xiàn)為顏色不同。以上原理為水體污染的遙感監(jiān)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)[8]。

根據(jù)非污染水體的光譜曲線和污染水體光譜數(shù)據(jù)的不同，結(jié)合遙感影像提供的水體的色調(diào)和形態(tài)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)光譜對(duì)比分析定性地確定水質(zhì)污染狀況。具體的做法是以采集的非污染水體和污染水體的光譜曲線為參考，將提取的研究區(qū)域的水體光譜數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)光譜曲線相似性定性分析研究區(qū)水體污染狀況，并通過(guò)閾值法將研究區(qū)域污染水體分為重點(diǎn)污染和輕度污染。

3 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 水體提取結(jié)果

利用Landsat8 數(shù)據(jù)，經(jīng)NCWI 水體指數(shù)處理之后對(duì)其進(jìn)行二值化處理，可以得到如圖1所示。

圖1 NCWI提取結(jié)果Figure 1.NCWI extraction results

其中，NCWI值W越高 越能表示該像元 屬于水體，通過(guò)反復(fù)實(shí)現(xiàn)，選擇ND值大于0.3 的部分為水體，最終提取得到的整個(gè)研究區(qū)域的水體信息。

由于Landsat8屬于中低分辨率影像，且該研究區(qū)無(wú)大面積水域，只存在河流和部分水塘，因此提取出的水體面積較小且不完整。

3.2 獲取光譜曲線參考數(shù)據(jù)

圖2 參考光譜曲線圖Figure 2.Reference spectrum curves

物質(zhì)的含量不同對(duì)水體的反射率有很大的影響?；诖?，不同污染程度水體對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和散射也不同，進(jìn)而對(duì)遙感傳感器的輻射也不同，所以通過(guò)水體光譜反射率的差異可以反映出水體污染的程度。

污染水體的數(shù)據(jù)用的是landsat8 數(shù)據(jù)，區(qū)域參考南淝河流域黑臭水體；非污染水體參考純凈水的光譜曲線特征。從水體光譜曲線上分析得到，被污染嚴(yán)重的水體在各個(gè)波段的光譜值平均值均高于非污染水體，如圖2所示。

可見(jiàn)光范圍內(nèi)，反射率隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)逐漸降低，水體的反射率也遵循上述規(guī)律。污染水體的光譜值整體在非污染水體之上，隨著懸浮泥沙濃度的增加，可見(jiàn)光對(duì)于水體的透射能力減弱，反射率增強(qiáng)，所以污染水體的反射光譜曲線整體高于非污染的水體。

3.3 研究區(qū)污染水體分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，采用landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜反射率信息提取，提取礦山區(qū)域水體光譜曲線，并與參考的污染與非污染水體光譜曲線對(duì)比如圖3所示。

圖3 礦山水體與污染、非污染水體光譜曲線對(duì)比圖Figure 3.Comparison of spectral curves of mine water with polluted and non-polluted water

根據(jù)水體光譜差異，w并ate結(jié)r合區(qū)域光譜反射率閾值，將區(qū)域污染水體分為重度污染和輕度污染，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，其中藍(lán)色為輕度污染水體（四個(gè)波段光譜反射率均值范圍為10406～12922）、黃色為重度污染水體（范圍為12923～15437）、綠色為礦山占地范圍。

根據(jù)圖4 顯示結(jié)果，結(jié)合圖3 光譜反射率曲線表明，礦山的開(kāi)發(fā)對(duì)周邊區(qū)域水體帶來(lái)了一定的污染，靠近礦山區(qū)域，由于政策的限制，礦山做了凈化處理，所以中間一段污染較少，大部分為輕度污染水體，但距離礦山較遠(yuǎn)的上游和下游污染較為嚴(yán)重。表2 數(shù)據(jù)顯示，從光譜均值看，礦山污染水體的均值分別為10301、11063、13600、14980，接近于常規(guī)污染水體各波段光譜值，并與非污染水體差異較大，實(shí)驗(yàn)證明，礦山水體的的光譜值接近污染水體，所以判斷為污染水體。

表2 礦山水體、污染水體和非污染水體的各波段光譜值Table 2.Each-waveband spectral values of mine water,polluted water and non-polluted water 166-6

圖4 礦山污染水體光譜監(jiān)測(cè)圖Figure 4.Spectral monitoring diagram of mine-polluted waters

4 結(jié)論

利用中低分辨率遙感影像（如Landsat8），通過(guò)光譜對(duì)比，可以定性的分析礦區(qū)水體污染，具有可行性，研究結(jié)果表明，首先，結(jié)合水體光譜特征實(shí)現(xiàn)礦山污水監(jiān)測(cè)具有一定的有效性，其次，遼寧省遼陽(yáng)縣蘭河流域由于礦山開(kāi)發(fā)帶來(lái)了一定的水體污染，且區(qū)域的上游和下游水體污染較為嚴(yán)重。

論文用的數(shù)據(jù)分辨率相對(duì)偏低，在后續(xù)研究中，使用國(guó)產(chǎn)高分辨率影像（如高分一號(hào)或高分二號(hào)）同時(shí)輔以高程信息開(kāi)展研究，在確?？臻g分辨率的前提下能更好地提取出水體。同時(shí)，鑒于基于光譜對(duì)比分析，采用高光譜遙感影像，從而能定性地獲取污染水體，確定污染水體的類型和范圍。