文 | 韓睿 黃鵬 蘆楠 江晟

1.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司 2.吉林省衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、引言

地表水資源是人類生產(chǎn)生活和社會(huì)發(fā)展中必不可少的物質(zhì)資源，包括河流、湖泊以及水庫等地表水體對(duì)自然生態(tài)環(huán)境具有關(guān)鍵性作用。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，地表水體無論是在空間分布還是在水體環(huán)境上均受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。黨的十八大吹響了我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的號(hào)角，以水文要素動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)和水體環(huán)境污染監(jiān)測(cè)為主要內(nèi)容的地表水監(jiān)測(cè)成為了污染治理和生態(tài)文明建設(shè)的重要監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)手段?，F(xiàn)代遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)空一體、多維探測(cè)，具有大空間尺度、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、適于長(zhǎng)時(shí)間跟蹤等優(yōu)勢(shì)，成為人們對(duì)客觀世界認(rèn)知的有力手段。隨著國(guó)內(nèi)外大量遙感衛(wèi)星的發(fā)射和組網(wǎng)，目前遙感技術(shù)已經(jīng)在自然洪澇防汛和干旱監(jiān)測(cè)、水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水體環(huán)境監(jiān)測(cè)等地表水監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[2]。

隨著地表水監(jiān)測(cè)對(duì)象不斷的精細(xì)化，其要求影像的空間分辨率不斷提高，以用于城市內(nèi)部小型的河流、湖泊、池塘等小體量水體的精細(xì)化提取和動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。例如洪亮等利用0.8m分辨率的高分二號(hào)（GF-2）數(shù)據(jù)提取復(fù)雜環(huán)境下的城市細(xì)小地表水體[3]。同時(shí)隨著地表水監(jiān)測(cè)內(nèi)容的多樣化，使地表水遙感監(jiān)測(cè)從定性向定量轉(zhuǎn)變，要求遙感數(shù)據(jù)可以捕捉到內(nèi)陸水體的關(guān)鍵光譜特征。例如利用美國(guó)陸地衛(wèi)星（Landsat）、歐洲哨兵二號(hào)（Sentinal-2）和高分五號(hào)（GF-5）等具有豐富波譜信息的影像數(shù)據(jù)對(duì)水體的葉綠素a濃度、黃色物質(zhì)濃度、懸浮物濃度等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演[4-6]，以進(jìn)一步掌握水華暴發(fā)、黑臭水體分布、飲用水源地水質(zhì)以及污染來源等。隨著地表水監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，要求遙感影像可以定期重復(fù)監(jiān)測(cè)以具有多種時(shí)間分辨率，例如分析短期內(nèi)湖泊藍(lán)藻爆發(fā)的空間演變，中長(zhǎng)期內(nèi)水體面積的動(dòng)態(tài)變化和污染治理過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等。

自2015年10月“一箭四星”發(fā)射吉林一號(hào)衛(wèi)星以來，2019年底和2020年初相繼發(fā)射了高分02A星、寬幅01A星。吉林一號(hào)目前在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)16顆。對(duì)地表水監(jiān)測(cè)而言，不僅可以提供監(jiān)測(cè)細(xì)小水體的亞米級(jí)靜態(tài)影像，還可以提供可見光近紅外20個(gè)譜段的5m多光譜數(shù)據(jù)，以用于反演水質(zhì)參數(shù)等。隨著16顆衛(wèi)星組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)快速重訪，吉林一號(hào)可以滿足多種場(chǎng)景的地表水監(jiān)測(cè)對(duì)空間、時(shí)間、光譜等多維度信息的需求。本文根據(jù)吉林一號(hào)衛(wèi)星遙感影像，以江蘇省昆山市為例，進(jìn)行地表水遙感監(jiān)測(cè)。

二、吉林一號(hào)衛(wèi)星影像介紹

吉林一號(hào)星座最大優(yōu)勢(shì)在于具有數(shù)量較多（16顆）且多種功能（視頻星、光譜星、高分星和寬幅星）的光學(xué)遙感衛(wèi)星，可以獲取特定地區(qū)的高空間、高時(shí)間、多光譜的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。地表水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)主要可以分為兩種：高空間分辨率影像和中低分辨率多光譜影像。

高空間分辨率影像（分辨率通常為0.8-2m）包含了地物豐富的紋理、形狀、結(jié)構(gòu)、鄰域關(guān)系等信息，一般常用來提取城市細(xì)小水體和監(jiān)測(cè)水體的動(dòng)態(tài)變化。雖然一些研究也在利用高分辨率影像進(jìn)行地表水質(zhì)參數(shù)反演[7]，但由于該類影像的譜段設(shè)置較少，且譜段幅寬很大，很難匹配水體主要敏感的光譜特征，往往導(dǎo)致其能反演的水質(zhì)參數(shù)較少且模型精度不高。表1為吉林一號(hào)可用于地表水監(jiān)測(cè)的高空間分辨率衛(wèi)星的參數(shù)。從表中可以看出吉林一號(hào)高分辨率遙感衛(wèi)星均達(dá)到亞米級(jí)，且視頻星和高分02A星在譜段設(shè)置上增加了紅邊譜段，在一定程度上補(bǔ)缺了高分辨率影像水質(zhì)參數(shù)反演的譜段特征短板問題。另外隨著衛(wèi)星幅寬的增加和其種類眾多的衛(wèi)星組網(wǎng)，可以極大提高重訪周期，以滿足短期的地表水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

中低分辨率多光譜影像具有豐富的譜段信息，可以較為精確地獲取地表水的光譜特征。常用來構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演模型反演不同水質(zhì)參數(shù)的空間分布，以監(jiān)測(cè)大型湖泊河流的富營(yíng)養(yǎng)化程度、受污染程度等。吉林一號(hào)常用于地表水監(jiān)測(cè)的中低分辨率多光譜衛(wèi)星為吉林一號(hào)光譜01/02星，其基本參數(shù)見表2。吉林一號(hào)光譜星在可見光近紅外范圍內(nèi)設(shè)置20個(gè)譜段，具備了窄波寬和多譜段的特點(diǎn)，可以精確捕獲水體的關(guān)鍵譜段信息。且其最高分辨率為5m，可以在保證水質(zhì)參數(shù)反演精度的基礎(chǔ)上極大地提高監(jiān)測(cè)的空間精度。

表1 吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星基本參數(shù)

表2 吉林一號(hào)光譜01/02星基本參數(shù)

三、吉林一號(hào)在地表水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.研究區(qū)概況

本文選取江蘇省昆山市作為試驗(yàn)區(qū)域，用吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像以及多光譜衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行區(qū)域地表水資源提取、地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)及河湖藍(lán)線區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)地物變化監(jiān)測(cè)。昆山市位于江蘇省東南部、蘇州市與上海市之間的太湖流域，水資源豐富，河流密布，大小河流共計(jì)2000余條。昆山市內(nèi)吳淞江、婁江橫穿東西，境內(nèi)較大的湖泊有淀山湖、陽澄湖、澄湖、傀儡湖等?；诶ド绞兴祻?fù)雜、河道細(xì)小的特點(diǎn)，在地表水資源提取應(yīng)用中，本文使用吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像，所用影像分別為2018年4月、2018年8月、2019年1月、2019年5月；在藍(lán)線內(nèi)地物變化監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，使用2018年4月與2019年5月吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像。圖1為2019年1月的昆山地區(qū)吉林一號(hào)高分辨率示例影像。

圖1 昆山地區(qū)2019年1月吉林一號(hào)視頻07星影像（真彩色合成）

水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要較豐富的光譜信息，因此采用吉林一號(hào)多光譜衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所用影像為2019年5月多光譜衛(wèi)星遙感影像，如圖2所示。

圖2 昆山地區(qū)2019年5月的吉林一號(hào)光譜02星影像 （標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成）

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

為監(jiān)測(cè)昆山市2018年與2019年兩年間的地表水情況，對(duì)昆山市影像進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理使用PCI軟件進(jìn)行，預(yù)處理包含以下步驟。

（1）數(shù)據(jù)輸入

將覆蓋昆山市的多景衛(wèi)星遙感影像輸入，轉(zhuǎn)換成PCI軟件可讀取的格式，便于影像后續(xù)的預(yù)處理操作。

（2）幾何校正

遙感影像成像過程中，會(huì)受到多種因素影響，如衛(wèi)星飛行速度、地球自轉(zhuǎn)等因素，導(dǎo)致原始圖像上地物位置與真實(shí)地面地物的位置有所偏差。故需要通過一組地面標(biāo)準(zhǔn)控制點(diǎn)，建立影像目標(biāo)位置與目標(biāo)實(shí)際位置的坐標(biāo)關(guān)系，通過坐標(biāo)變化將影像變形空間進(jìn)行校正。

（3）輻射校正

衛(wèi)星遙感器在測(cè)量過程中，受太陽位置、太陽角度、薄霧等大氣條件影響，測(cè)量值會(huì)有所失真，為消除這些失真，正確評(píng)價(jià)地物的反射值，需要建立遙感圖像輻射誤差校正模型，進(jìn)行系統(tǒng)輻射校正。

（4）正射校正

在衛(wèi)星遙感影像成像過程中，由于傳感器姿態(tài)、拍攝角度等因素影響，存在影像柵格傾斜等幾何形變問題，利用影像的RPC文件及已有的基礎(chǔ)地形圖，建立圖像與地形之間投影關(guān)系，建立整體映射函數(shù)，消除幾何誤差，獲得正射后的影像。本文正射校正過程使用了全球30m地表高程數(shù)據(jù)。

（5）影像鑲嵌

在遙感應(yīng)用中，存在單景影像無法完全覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū)域的情況，此時(shí)需要對(duì)多景衛(wèi)星遙感影像文件無縫拼接成一幅完整的包含研究區(qū)的影像。通過PCI軟件對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌預(yù)處理，預(yù)處理后進(jìn)行勻光勻色處理，在達(dá)到鑲嵌要求后進(jìn)行鑲嵌處理。

3.地表水資源提取

由于昆山市內(nèi)地表水域復(fù)雜，河流分布密集且細(xì)小河流較多，運(yùn)用傳統(tǒng)的水體指數(shù)方法進(jìn)行地表水資源提取誤差較大，因此本文采用深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行昆山市內(nèi)鎮(zhèn)級(jí)及以上河流、湖泊的水體提取。深度學(xué)習(xí)算法是目前衛(wèi)星遙感影像地物分類中常用的方法，最大的優(yōu)勢(shì)是不需要人工設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行特征提取，通過自主學(xué)習(xí)得到水體特征，對(duì)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。本文通過建立高分辨率衛(wèi)星遙感地表水體樣本庫，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行模型訓(xùn)練與模型應(yīng)用，對(duì)多期預(yù)處理后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行地表水提取?；谏疃葘W(xué)習(xí)提取的地表水資源成果精度在70%左右，通過人機(jī)交互修正，本文中昆山市地表水資源提取成果精度提高到90%以上。昆山市地表水資源提取成果如圖3所示。

圖3 2018年、2019年昆山市地表水資源提取成果

2018年4月提取昆山境內(nèi)鎮(zhèn)級(jí)及以上水體水域面積96.15km2， 2018年8月提取水域面積95.65 km2，2019年1月提取水域面積94.93 km2， 2019年5月提取水域面積95.22 km2。水域面積大小主要隨著季節(jié)波動(dòng)變化，變化圖表如圖4所示。

4.地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

由于不同地物具有不同的波譜特征，使得利用遙感光譜特征進(jìn)行地物識(shí)別成為可能。對(duì)水體來說，水的光譜特征主要是由水本身的物質(zhì)組成決定，同時(shí)又受到各種水狀態(tài)的影響[8]。水質(zhì)遙感實(shí)質(zhì)上是利用遙感技術(shù)獲取水體中水質(zhì)的光譜特征，基于遙感譜段信息和水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，建立了水質(zhì)參數(shù)的估測(cè)模型。被污染水體的光譜特征與清潔水體的光譜特征有所區(qū)別，主要體現(xiàn)在水質(zhì)參數(shù)特定波長(zhǎng)光的吸收特性或反射特性的差別。

影響水體光譜特征的物質(zhì)有很多，葉綠素 a濃度是水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。葉綠素 a含量的高低與水體藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)，其含量影響水色、水質(zhì)及水中初級(jí)生產(chǎn)力，是水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的表征參數(shù)。葉綠素 a的光學(xué)特性表現(xiàn)為在可見光譜段，反射率較低，在近紅外譜段，反射率明顯升高，利用這一光學(xué)特性，使用遙感技術(shù)對(duì)水體葉綠素a濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文對(duì)2019年5月昆山市鎮(zhèn)級(jí)及以上水體葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果如圖5所示，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，昆山市鎮(zhèn)級(jí)及以上水域的水體葉綠素a濃度大部分均處于低濃度區(qū)間，在圖上表現(xiàn)為綠色；陽澄湖的部分區(qū)域水體葉綠素a濃度處于較高濃度區(qū)間，較大可能是隨著氣溫的升高，藻類生長(zhǎng)過剩，導(dǎo)致的水體葉綠素a濃度含量較高。

圖4 昆山境內(nèi)鎮(zhèn)級(jí)及以上水體地表水面積統(tǒng)計(jì)圖

圖5 葉綠素a濃度監(jiān)測(cè)成果圖

水體懸浮物指不能通過孔徑為0.45μm 濾膜的懸浮在水中的固體顆粒物質(zhì)，包括不溶于水的無機(jī)物、懸浮泥沙、黏土等可沉降的、人眼可見的固體顆粒物質(zhì)，懸浮物指水體中呈固態(tài)的不溶解物質(zhì)[9]。水體中的懸浮物會(huì)阻礙光進(jìn)入水體，使水體變得渾濁，嚴(yán)重的會(huì)造成污泥淤塞，是水體的主要污染物之一。本文對(duì)2019年5月昆山市鎮(zhèn)級(jí)及以上水體懸浮泥沙濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果如圖6所示，水體總懸浮泥沙濃度由低到高表現(xiàn)的顏色為藍(lán)→黃→紅，圖中有大部分區(qū)域顏色表現(xiàn)為藍(lán)綠色，表示水體總懸浮泥沙濃度較低，總體水質(zhì)較好，只有白蓮湖部分區(qū)域懸浮泥沙濃度相對(duì)較高。

5.藍(lán)線內(nèi)地物變化監(jiān)測(cè)

圖6 懸浮泥沙濃度監(jiān)測(cè)成果圖

河道藍(lán)線是指河道工程的保護(hù)范圍控制線，藍(lán)線范圍包括河道水域、灘地、堤防等，以及因河道拓寬整治、綠化、生態(tài)景觀等目的而規(guī)劃預(yù)留的河道控制保護(hù)范圍。河道藍(lán)線是指導(dǎo)河道建設(shè)和管理的重要依據(jù)，也是水務(wù)等部門依法執(zhí)政的重要基準(zhǔn)。根據(jù)《昆山市河道藍(lán)線保護(hù)規(guī)劃》繪制昆山市鎮(zhèn)級(jí)及以上河道藍(lán)線，基于2018年4月與2019年5月的吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像，對(duì)藍(lán)線范圍內(nèi)的重點(diǎn)地物變化進(jìn)行衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，變化類型主要涵蓋水域增加、水域減少、建設(shè)用地變化等類型。本文中，變化監(jiān)測(cè)采用了自動(dòng)和人工相結(jié)合的方法提取變化信息。自動(dòng)變化監(jiān)測(cè)主要是應(yīng)用分類后變化檢測(cè)方法，人工提取變化監(jiān)測(cè)信息則主要依賴目視解譯，最終提取精度優(yōu)于90%。經(jīng)過變化監(jiān)測(cè)處理后得到變化圖斑，建立河道藍(lán)線內(nèi)地物變化數(shù)據(jù)庫。

四、總結(jié)

地表水資源提取是地表水遙感應(yīng)用中的基礎(chǔ)，本文中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)昆山市鎮(zhèn)級(jí)及以上的地表水資源進(jìn)行提取，最終提取精度可達(dá)到90%以上。針對(duì)昆山市地表水水質(zhì)中的葉綠素濃度及懸浮泥沙濃度兩個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從評(píng)價(jià)結(jié)果看，昆山市整體水質(zhì)情況良好，只有部分區(qū)域水質(zhì)稍差。針對(duì)昆山市河湖藍(lán)線內(nèi)地物，采用了自動(dòng)和人工相結(jié)合的方法進(jìn)行地物變化監(jiān)測(cè)，主要進(jìn)行水域增加、水域減少、建設(shè)用地變化等類型監(jiān)測(cè)，地物變化監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于90%。本文中應(yīng)用吉林一號(hào)衛(wèi)星遙感影像完成了昆山市的地表水遙感監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)方法中結(jié)合了深度學(xué)習(xí)算法，總體結(jié)果良好。總的來說，吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星在昆山地表水遙感應(yīng)用中取得較為理想的效果，由于江南地區(qū)雨水較多、天氣情況不甚理想，對(duì)此類區(qū)域的監(jiān)測(cè)需要較高的時(shí)間分辨率與靈活性以適應(yīng)當(dāng)?shù)靥鞖獾淖兓療o常，同時(shí)昆山水體復(fù)雜而細(xì)小，吉林一號(hào)高分辨率衛(wèi)星遙感影像無論在空間分辨率與時(shí)間分辨率上均可滿足監(jiān)測(cè)要求，吉林一號(hào)衛(wèi)星星座未來在地表水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用中將向提高監(jiān)測(cè)精度、縮短監(jiān)測(cè)周期方向發(fā)展。