張永紅

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽 110161）

引言

城市黑臭水體是指城市建成區(qū)內(nèi)，呈現(xiàn)令人不悅的顏色和（或）散發(fā)令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱[1]。黑臭水體破壞了城市的生態(tài)和人居環(huán)境，對城市形象也會造成一定的負(fù)面影響。國務(wù)院2015年印發(fā)的《水污染防治行動計(jì)劃》明確提出到2030年要總體上消除城市建成區(qū)內(nèi)的黑臭水體，城市黑臭水體治理工作已經(jīng)成為地方各級政府環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容。

摸清黑臭水體的底數(shù)是進(jìn)行相關(guān)治理的基礎(chǔ)，黑臭水體具有分布范圍分散、水體面積一般較小、部分黑臭水體會隨季節(jié)變化等特征，利用傳統(tǒng)方式調(diào)查難度較大。目前遼寧省城市黑臭水體的監(jiān)測和排查主要采取人工現(xiàn)場監(jiān)測調(diào)查為主，缺乏時(shí)空上的連續(xù)性，要對城市范圍內(nèi)的黑臭水體進(jìn)行全覆蓋調(diào)查，工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低，亟需采取新的技術(shù)手段，以提高工作效率。遙感技術(shù)具有監(jiān)測成本低、覆蓋范圍廣、排查速度快等諸多優(yōu)勢，便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在黑臭水體的排查工作中具有極大的應(yīng)用潛力。

近十幾年來，我國國產(chǎn)高分辨衛(wèi)星遙感的研究和應(yīng)用發(fā)展較快，發(fā)射了多顆衛(wèi)星，搭載不同類型的荷載，能夠穩(wěn)定獲取遙感數(shù)據(jù)，相應(yīng)的處理技術(shù)和分發(fā)渠道也逐漸完善，各省都成立了省級高分中心和相應(yīng)的行業(yè)分中心來負(fù)責(zé)高分遙感數(shù)據(jù)的推廣并組織相關(guān)技術(shù)交流。利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行城市水環(huán)境遙感監(jiān)測的研究和應(yīng)用也日益增多，城市黑臭水體的遙感識別與提取已經(jīng)成為目前水環(huán)境遙感的研究熱點(diǎn)。

1 黑臭水體遙感識別研究現(xiàn)狀

由于黑臭水體和一般正常水體在顏色、氣味和所含物質(zhì)等多個(gè)方面存在差異，因此其光譜特征也具有一定差異。研究表明，通過分析黑臭水體與正常水體在相關(guān)波段光譜的差異并進(jìn)行對比，從可見光到近紅外波段可能導(dǎo)致兩者產(chǎn)生差異的指標(biāo)入手，通過構(gòu)建差值、比值等不同的黑臭水體遙感識別模型，再經(jīng)實(shí)地調(diào)查，確定相應(yīng)的閾值，可以實(shí)現(xiàn)對黑臭水體范圍的提取。

國內(nèi)學(xué)者利用遙感方法對黑臭水體的識別進(jìn)行了研究，提出一些模型和方法，在南京、太原、沈陽等地的城市區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一定效果。申茜等[2]總結(jié)了黑臭水體遙感監(jiān)測亟需解決的問題，為城市黑臭水體的整治提供了技術(shù)支持；姚月等[3]分析了一般水體與黑臭水體的光譜特征，提出了一種基于反射率光譜指數(shù)BOI（Black and Odorous water Index）的黑臭水體識別模型，利用高分二號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對沈陽市的黑臭水體進(jìn)行了識別研究；溫爽等[4]根據(jù)黑臭水體遙感反射率和光譜斜率與其他正常水體之間的區(qū)別，利用GF-2 PMS影像分別構(gòu)建了多種遙感識別模型，對南京市黑臭水體進(jìn)行了識別。

本文利用國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對遼寧省十六個(gè)縣級市建成區(qū)范圍內(nèi)的黑臭水體進(jìn)行了識別和提取。

2 研究區(qū)域

遼寧省十六個(gè)縣級市（新民市、瓦房店市、莊河市、海城市、東港市、鳳城市、凌海市、北鎮(zhèn)市、大石橋市、蓋州市、燈塔市、調(diào)兵山市、開原市、凌源市、北票市、興城市）市區(qū)建成區(qū)范圍，不包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3 遙感數(shù)據(jù)的選取和處理

城市黑臭水體一般情況下分布較為分散，面積比較小，對其進(jìn)行遙感識別和監(jiān)測要求采用的遙感影像空間分辨率要比較高，我國目前已構(gòu)建了資源、環(huán)境、高分等對地觀測系統(tǒng)，其中高分系列衛(wèi)星發(fā)展較快，影像數(shù)據(jù)空間分辨率高，適合進(jìn)行城市黑臭水體的遙感識別。

我國于2010年啟動實(shí)施高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)以來，已發(fā)射了高分1號到高分14號共十幾顆衛(wèi)星，搭載多種遙感傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了光學(xué)、雷達(dá)、立體測繪、大氣監(jiān)測等多個(gè)應(yīng)用場景。高分衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間及類型見表1。

目前數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定供應(yīng)且應(yīng)用比較廣泛的普通光學(xué)遙感衛(wèi)星為高分一號、高分二號和高分六號衛(wèi)星，其中高分二號衛(wèi)星空間分辨率為全色0.8米，多光譜3.2米；高分一號和六號為全色2米，多光譜8米。本文在進(jìn)行城市黑臭水體遙感識別時(shí)，主要選用高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，高分一號和高分六號作為補(bǔ)充。

4 黑臭水體遙感識別流程

4.1 技術(shù)流程

本文采用圖1所示技術(shù)流程進(jìn)行遼寧省16個(gè)縣級市建成區(qū)范圍內(nèi)的黑臭水體遙感識別。

圖1 黑臭水體遙感識別技術(shù)路線

4.2 遙感影像的預(yù)處理

本文按照以下標(biāo)準(zhǔn)選取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，共獲取2022年4月到10月高分衛(wèi)星影像54景。（1）優(yōu)先選擇國產(chǎn)GF2影像，無GF2數(shù)據(jù)時(shí)，依次選取GF1和GF6等衛(wèi)星影像。（2）影像沒有壞行、缺帶、條帶、斑點(diǎn)噪聲和耀斑，盡量保證云量少（優(yōu)先采用晴空影像，總云量不超過10%）。（3）影像頭文件齊全，包括影像拍攝時(shí)間、傳感器類型、太陽高度角、太陽輻照度、中心點(diǎn)經(jīng)緯度等。

對所選取的衛(wèi)星影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正和大氣校正等相關(guān)預(yù)處理工作。

4.2.1 輻射定標(biāo)

衛(wèi)星遙感影像的輻射定標(biāo)是將影像的原始DN值轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率，本文利用絕對輻射定標(biāo)公式和中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心官網(wǎng)公布的定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，具體計(jì)算公式如式（1）：進(jìn)行批量系統(tǒng)性正射校正，由于高分二號數(shù)據(jù)的模型數(shù)據(jù)并不是很準(zhǔn)確，經(jīng)系統(tǒng)校正后的影像精度難以滿足工作要求，因此再選用一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)對系統(tǒng)處理后的遙感影像進(jìn)行校正，控制點(diǎn)從經(jīng)過幾何校正的已有衛(wèi)星影像上選取。

式中

L（λ）——λ波段的輻射亮度值

DN（λ）——λ波段的像元DN值

Gain（λ）——λ波段的增益值

Offset（λ）——λ波段的偏移值

本文采用ENVI軟件RadiometricCalibration工具進(jìn)行衛(wèi)星影像的輻射定標(biāo)。

4.2.2 大氣校正

大氣校正的目的是將輻射亮度或表面反射率轉(zhuǎn)換為地表實(shí)際反射率，常用的大氣校正模型有6S模型、LOWTRAN、ATCOR模型和FLAASH模型等，本文采用ENVI軟件大氣校正模塊中的FlAASH模型進(jìn)行高分影像的大氣校正。

4.2.3 幾何校正

本文利用IDL語言調(diào)用ENVI軟件的相關(guān)函數(shù)編制自動處理程序，基于高分衛(wèi)星自帶的有理函數(shù)模型（RPC模型），對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性校正，由于高分二號衛(wèi)星影像經(jīng)系統(tǒng)性校正后的精度無法滿足工作需求，再以經(jīng)過精校正的遙感影像為基礎(chǔ)，選取一定數(shù)量的控制點(diǎn)進(jìn)行校正。

4.3 城市建成區(qū)范圍的確定

根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和國家建設(shè)部發(fā)布的《城市規(guī)劃基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》，建成區(qū)定義為城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的區(qū)域。利用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行城市建成區(qū)范圍的提取是遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，2020年清華大學(xué)宮鵬教授團(tuán)隊(duì)利用30米遙感數(shù)據(jù)制作了全球不透水面范圍數(shù)據(jù)并對外發(fā)布。本文以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，裁剪了遼寧省內(nèi)的十六個(gè)縣級市的城市建成區(qū)范圍，并基于高分影像數(shù)據(jù)，利用目視判讀的方式進(jìn)行了修正。

進(jìn)行黑臭水體的提取與識別，需要先對研究區(qū)域內(nèi)的水體進(jìn)行識別，采用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水體信息提取可以采取包括人工目視解譯、閾值法、深度學(xué)習(xí)等多種方法。目視解譯法的優(yōu)點(diǎn)是對水體范圍的提取準(zhǔn)確率高，但是需要大量的人工干預(yù)，花費(fèi)時(shí)間長，不適于大尺度范圍的水體識別；閾值法是基于水體的光譜特征，利用遙感數(shù)據(jù)的單個(gè)或多個(gè)不同波段構(gòu)建各種模型算法，并設(shè)定閾值進(jìn)行水體的提取，應(yīng)用較多的有歸一化水體指數(shù)法（NDWI）和改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)法（MNDWI）。

本文首先利用改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)法（MNDWI）進(jìn)行了遼寧省建成區(qū)水體的自動提取。MNDWI[5]指數(shù)的計(jì)算公式為式（2）：

式中Green為綠波波段、MIR為中紅外波段，高分?jǐn)?shù)據(jù)無中紅外波段，本文次采用Sentinel2B衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行MNDWI計(jì)算，閾值設(shè)定為0.043。對水體自動提取結(jié)果利用目視解譯方法進(jìn)行修正，獲得建成區(qū)水體數(shù)據(jù)。

4.4 疑似黑臭水體的遙感識別

4.4.1 模型選取

本研究基于不同的遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建了若干黑臭水體識別模型，主要包括單波段法、比值法、色度法、歸一化比值模型（BOI法）、光譜指數(shù)法、黑臭水體斜率指數(shù)（SBWI法）、黑臭水體判別指數(shù)（HCI）等[6]。本文主要采用歸一化黑臭水體指數(shù)對遼寧省城市黑臭水體進(jìn)行識別。

歸一化黑臭水體指數(shù)（NDBWI）利用紅、綠波段的遙感反射率的差、和的比值來識別黑臭水體。其公式如式（3）：

式中

R（Green）——遙感影像綠波段遙感反射率值

R（Red）——遙感影像紅波段遙感反射率值

NDBWI值無量綱

閾值N可根據(jù)工作區(qū)域典型黑臭水體來確定，判別方法見表2。

表2 黑臭水體判別標(biāo)準(zhǔn)

4.4.2 模型閾值的確定

本文在沈陽和新民等地進(jìn)行了野外調(diào)查，根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況和模型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)定閾值為0.05。

4.5 提取結(jié)果

本研究根據(jù)以上方法和閾值，對遼寧省十六個(gè)縣級市建成區(qū)范圍內(nèi)的黑臭水體進(jìn)行遙感識別，共排查出疑似黑臭河段、坑塘共29處，制作了每個(gè)城市的黑臭水體分布圖，每個(gè)疑似黑臭水體制作了詳圖。圖2為北票市黑臭水體分布圖，圖3為北票市黑臭水體詳圖。

圖2 北票市黑臭水體分布圖

圖3 北票市黑臭水體詳圖

5 結(jié)語

城市黑臭水體的提取和識別是城市水環(huán)境治理和管理的重要基礎(chǔ)性工作，本文利用國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于遙感計(jì)算模型，識別和提取了遼寧省十六個(gè)縣級市建成區(qū)范圍內(nèi)的疑似黑臭水體，制作了疑似黑臭水體圖件和清單。將遙感識別結(jié)果和野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，可以極大提高工作效率，為確保城市黑臭水體“長制久清”提供信息支撐。