西安市曲江南湖富营养化遥感监测与评价

何红曼，米海存，霍艾迪，Xunhong Chen

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054;2.School of Natural Resources，University of Nebraska-Lincoln，Lincoln，NE68583-0996，USA)

城市景观水体是现代城市建设很重要的组成元素，随着城市发展与人们生活水平的提高，城市景观水体产生的污染及富营养化问题日益突出，景观水体治理工作亟待解决。水体富营养化是由于水体中氮、磷等营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，从而导致鱼类及其他生物大量死亡的现象［1］。

传统城市景观水体的水质监测采用实地采样分析，数据的数量有限，即使像实验室分析等方法在精度上有一定的准确性，但在点上进行时，容易受局部扰动影响，因而并不能全面反映整个水体生态环境在时空上的变化，且费时、费力、成本高，很难进行大尺度实时监测［2］。

遥感水质监测是通过研究水体的反射光谱特征与水质参数浓度间的关系，建立水质参数反演算法，对湖泊富营养化进行监测，这已经成为目前湖泊遥感技术应用的主要领域之一［3］。其具有快速、大范围、低成本和周期性等特征，可有效地监测水体表面水质参数在时空上的变化情况，与常规方法相比，可以发现一些难以揭示的污染源和污染物的迁移特征，具有不可替代的优越性［4］。

水体遥感监测的出现和发展，给水质的监测与评价提供了新的机遇与选择。国外的Thiemann和Kaufmann［5］利用多光谱传感器IRS-1C数据，对德国梅克伦堡州湖泊群水体中的叶绿素a进行反演，并结合卡尔森模型对该区水体富营养化程度进行了评价;国内张海林等［6］利用武汉东湖各子湖多年可靠的地面监测资料和1999年TM遥感数据，建立了营养状态指数与TM5影像上灰度值的线性关系模型，并运用建立的模型对武汉各主要湖泊进行了水体富营养化评价;吕恒等在SAS支持下分析了142种波段组合与水体叶绿素浓度之间的PEARSON相关系数，结果显示叶绿素浓度的对数值与TM4/TM3的相关性最好［7］。

本研究将地面实测资料与Landsat5 TM各波段的卫星遥感数据进行了对比。选择叶绿素a浓度(Chla)、水体透明度(SD)、总氮浓度(TN)、总磷浓度(TP)4个水质参数与TM波段比TM4/TM3之间的线性关系模型，并利用综合营养状态指数法对曲江南湖水体富营养化程度进行监测，以验证水质遥感监测的可行性，为曲江南湖富营养化程度遥感监测的进一步研究奠定基础。

1 研究数据和方法

1.1 研究区概况

西安曲江南湖位于西安市南约5 km的低洼地带，现为曲江池遗址公园内主要景点，分为南北两个湖区。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，气候温和，四季分明，雨量适中，年平均气温13.0～13.4℃，年降水量558～750 mm，7、9月份为两个明显的降水高峰期，年日照时数1 983～2 267 h。南湖水体水域面积约0.7 km2，湖底平坦，湖泊水质为偏酸性水，叶绿素含量高。

1.2 数据的获取

1.2.1 实测数据的获取

2012年4 月在研究区选取13个监测点，分别用GPS进行定位，同步测量水体透明度值，并采集水样用于实验室分析其他水质参数。采样当天天气晴朗，无风，湖面基本平静。采样后立即返回实验室测定水样的叶绿素a浓度。首先用0.45 μm的微孔滤膜进行过滤，然后用乙醇萃取，采用分光光度计法进行测定。透明度测定采用传统的塞氏盘法，TP采用分光光度法，TN采用紫外分光光度法，温度和pH值现场测试。参数分析按照国家标准(GB8538—1995)测定。

1.2.2 遥感数据获取及处理

目前，TM数据是内陆水体水质监测中使用最广泛的多光谱遥感数据。本次研究主要使用TM的前4个可见光和近红外波段，由中国资源卫星应用中心下载西安地区Landsat5 TM遥感影像图。根据GPS定位出的各采样点经纬度，利用ENVI软件从遥感影像图中获取13个采样点的波段值。

本研究对TM数据进行几何纠正和辐射纠正预处理后，进行水质参数与实测光谱数据波段相关分析得出与研究水体叶绿素a浓度相关性较好的最佳波段组合为TM4/TM3。

1.3 叶绿素a遥感估测模型

1.3.1 模型建立

选择波段组合TM4/TM3来建立线性回归模型。从13个样点中选择前6个样点(已知量如表1)用于模型的建立，其余7个样点用于对模型的验证。可建立如下线性方程

式中:chl-a为实测叶绿素a浓度，ug/L。

经对表1数据进行回归分析，得到R2=0.978 4，F=181.014＞F0.01=10.04，说明该线性关系是特别显著的，回归关系见图1。回归模型为

表1 叶绿素a浓度与TM4/TM3值

1.3.2 模型检验

由所建立的模型(2)，利用卫星影像对其余采样点进行chl-a反演，并将反演值同实测值比较，以验证其精度，比较结果见表2。

图1 chl-a实测值与遥感指标回归模拟关系

表2 验证结果

将所得的叶绿素a反演值与实测值做图进行对比，见图2。

图2 chl-a反演值与实测值对比

由于建立回归模型时假定两者之间为线性关系，而实际上两者之间并不完全呈线性关系，因此回归方程所得反演值与实测值必然存在误差。同时，遥感图像的分辨率、天气状况等都会影响试验结果的准确性，这也是误差产生的原因。

由表2及图2可以看出，9、11号采样点由于遥感图像校准时存在一定误差，致使相对误差较大;但整体来看，chl--a的模型反演值与实测值相对误差较小，多在13%以下，具有很好的吻合性。因此，线性回归模型中的TM4/TM3比值法对chl--a的定量反演效果较好，可用此模型对曲江南湖景观水体进行动态监测。

1.4 研究方法

1.4.1 数理统计方法

此次试验主要在Origin7.0软件平台下实现相关系数计算及线性相关分析，并构建相应模型。

1.4.2 单指标营养状态指数法

由TM影像中提取的各采样点TM4/TM3比值数据，根据反演模型(2)，得出反演的chl--a浓度值作为各采样点水体营养状态指数模型的输入变量，由公式(3)得出TSIC(chl-a)的值，即

TSIC(chl-a)为中国营养状态指数值，用0～100的连续数字表示。按富营养化评价等级将富营养化状态分为五级，即:TSIC≤20，贫营养;20＜TSIC≤40，中营养;40＜TSIC≤60，轻度富营养;60＜TSIC≤80，中度富营养;TSIC＞80，重度富营养［8］。

1.4.3 综合营养状态指数法

我国水体富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法〔卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TLI)等〕、营养度指数法和评分法［9］。

本文主要运用综合营养状态指数法(TLI)对水体富营养化状况进行评价分析。营养状态指数法最早由Carlson建立，其相关参数为chl-a、TP、TN、SD，选用基准参数为chl--a。

1.4.3.1 综合营养状态指数法公式［10］

式中:TLI(∑)为综合营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重;TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

以chl--a作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重计算公式为

式中:rij为第j种参数与基准参数chl-a的相关系数;m为评价参数的个数。

中国湖泊的chl--a和其他参数之间的相关关系rij和r2ij值见表 3。

表3 中国湖泊部分参数与chl-a的相关关系rij和r2ij值

营养状态指数计算式为

1.4.3.2 水体营养状态分级

Carlson营养状态指数TSI和修正的Carlson营养状态指数TSIM都是基于单参数，而且有评分而无分级，因此均不完善。而综合营养状态指数(TLI)法采用0～100的一系列连续数字对湖泊(水库)营养状态进行分级，具体的分级标准见表4。

表4 湖泊(水库)营养状态分级标准

2 结果与分析

2.1 基于Landsat5 TM影像的富营养化评价

根据单指标营养状态指数方法，经计算，各采样点水体状态分布见表5。

表5 遥感评价营养状态

2.2 综合营养状态指数评价

用综合营养状态指数法(TLI)对曲江南湖区13个采样点进行评价，得出如表6的评价结果。

表6 曲江南湖各采样点综合营养状态法评价结果

在ArcGIS软件的支持下，根据综合营养状态评价结果生成2012年4月份曲江南湖富营养化程度分布图，见图3。

图3 2012年4月曲江南湖富营养化程度分布

由表5和表6可以看出:曲江南湖水体呈现富营养化状态，且属轻度到中度富营养化。综合营养状态指数法结果显示湖区水体多呈轻度富营养化，而遥感监测结果多呈中度富营养化状态。

由图3分析得出:1号采样点临近喷泉口，水体得到循环，流动性较好，富营养化程度低。4号靠近石隔断、6号处于小桥位置，多有游人停留，10号处于湖中岛游艇停靠区，人流量较大，水面人为垃圾漂浮较多，水质明显偏差，富营养化程度高。而12号和13号点处于湖的边缘位置，水体回流，流动性较差，且有垃圾等漂浮物聚集，特别是13号靠近寒窑景点，游人聚集，富营养化程度偏高。

从总体上看，在南北方向上，北湖区设有人工喷泉且北口有水流向北流出，水体流动性较好，富营养化情况相对较轻。南湖区因石隔断阻隔水体的向北流动，造成水体流动较差，且游人观赏和游玩区域多设置在该区，人为污染偏重，富营养化程度偏高。在东西方向上差异并不明显。

两种方法相较而言，遥感反演技术与综合营养状态指数法对曲江南湖水体富营养化的评价结果整体趋势基本一致，均属轻度到中度富营养化状态。遥感监测因气象和精度等因素，结果略偏高。因此，叶绿素a遥感估测方法可用于城市景观水体富营养化监测。

3 结论

(1)利用综合营养状态指数法对曲江南湖景观水体进行评价，综合4个水质参数，综合营养状态指数TLI在50～70之间，说明曲江南湖属于轻度到中度富营养化状态，需要采取措施防止水质进一步恶化。

(2)利用叶绿素a遥感估测模型监测及评价曲江南湖景观水体富营养化程度，能获得较为理想的结果。

(3)TM4/TM3比值法对chl-a浓度的定量反演效果较好，具有很好的线性相关性，可用此模型对曲江南湖景观水体进一步进行时空上的动态监测。

［1］王淑芳.湖泊富营养化防治研究与展望［J］.江苏环境科技，2005，18(4):54-56.

［2］Warnock R E，Gieskes W W C，van Laar S.Regional and seasonal differences in light absorption by yellow substance in Southern Bight of the North Sea［J］.Journal of Sea Research，1999，42(3):169-178.

［3］王婷，黄文江，刘良云，等.鄱阳湖富营养化高光谱遥感监测模型初探［J］.测绘科学，2007，32(4):44-46.

［4］尹改，王桥，郑丙辉，等.国家环保总局对中国资源卫星的需求与分析(上)［J］.中国航天，1999(9):3-7.

［5］Thiemann S，Kaufmann H.Determination of chlorophyll content and trophic state of lakes using field spectrometer and IRS-1C satellite data in the Mecklenburg Lake District，Germany［J］.Remote Sensing of Environment，2000，73(2):227-235.

［6］张海林，何报寅，丁国平.武汉湖泊富营养化遥感调查与评价［J］.长江流域资源与环境，2002，11(1):36-39.

［7］吕恒，江南，罗潋葱，等.基于TM数据的太湖叶绿素A浓度定量反演［J］.地理科学，2006(4):472-476.

［8］金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国湖泊富营养化［M］.北京:中国环境科学出版社，1990.

［9］王明翠，刘雪芹，张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准［J］.中国环境监测，2002，18(5):47-49.

［10］中国环境监测总站.湖泊水库富营养化评价方法及分级技术规定［M］.北京:中国环境科学出版社，2001.