基于高分卫星数据的龙泉湖水质富营养化分析与评价

梁伟林，白金平，李玉霞，李海元，叶雪辉

(1.电子科技大学航空航天学院，成都　611731；2.电子科技大学自动化工程学院，成都　611731)



基于高分卫星数据的龙泉湖水质富营养化分析与评价

梁伟林1，白金平1，李玉霞2，李海元1，叶雪辉2

(1.电子科技大学航空航天学院，成都611731；2.电子科技大学自动化工程学院，成都611731)

摘要：为了研究成都市水质富营养化情况，选取了龙泉湖作为研究对象，通过对龙泉湖实地采集水样以及高分一号实时遥感影像数据进行处理，准确地评价出了龙泉湖水体所处的富营养级别。通过对龙泉湖实地数据进行水样参数浓度测量以及实地光谱曲线处理，获得相关的水质反演所需的敏感波段或者波段组合，得出了5个水质参数的反演公式，既而对校正预处理过的高分一号遥感数据进行富营养等级评价。在对各个评价的指标参数进行分析后，选择适合龙泉湖富营养状态评价的叶绿素chl_a、总磷TP、总氮TN、透明度SD、高锰酸盐CODmn五个参数指标,利用综合营养状态指数法对整体水域进行水质富营养化评价，得出龙泉湖目前处于中度营养状态，并初步进行了准确性分析论证。

关键词：龙泉湖；富营养化；遥感影像；高分一号卫星；浓度反演

龙泉湖位于四川省简阳西部龙泉山上，原名简阳石盘水库，是1979年建成的中型屯蓄型水库。其中心经纬度为东经104°24′15.75″、北纬30°30′33.09″。该湖水域面积5.5 km2，湖南北长约10 km，最大水深50 m，平均水深26 m，主要水源来自岷江水系[1]。通过查阅资料，在内陆二类水体研究中，利用遥感技术已经可以较为准确的反演出水体中水质参数的浓度[2-4]。迄今为止，对龙泉湖水体评价的研究几乎是空白的。本文通过实地采样数据测量以及光谱分析得出反演公式，然后使用该公式对龙泉湖高分一号实时遥感数据进行水质富营养评价具有十分重要的意义。

1材料与分析

1.1实地实验数据预处理

对龙泉湖进行水质评价的基础是获取单波段反演结果，而进行水质反演必然也离不开实验数据的采集、处理以及分析。

1.1.1采样点布局和水样处理

选用单点布设法对龙泉湖进行水样采集，预先设定的69个点如下图1所示，从预先选择好的点中选取了15个实验点，再从这15个点中选择了10个具有代表性的水样，用具有遮光性的玻璃瓶低温进行保存。

图1　采样点布局图

将采集到的水样送往四川省地质矿产勘查开发局综合岩矿测试中心进行检测，检测项目包括悬浮物、总磷、总氮、高锰酸盐、叶绿素a、pH、色度、浊度。野外实地试验中悬浮物的测量主要是采用重量法，总磷的测量方法采用的是钼酸铵分光光度法，总氮的测量方法采用的是碱性过硫酸钾消解紫外线分光光度法，高锰酸盐指数浓度的测试采用的是酸性法，叶绿素a浓度测量采用的是分光光度法。其检测结果见表1。

表1　水样检测结果

1.1.2光谱曲线处理

(1) 地物光谱曲线采集

采集光谱数据选用的地物光谱仪是PRS-1100便携式地物光谱仪，该仪器能够测量的光谱波长范围在320～1 100 nm之间，数据间的间隔为1.5 nm，光谱分辨率是3.2 nm。本次实验利用PRS地物光谱仪实际获取了15组(15个不同的采样分布点)光谱曲线数据，考虑到误差处理，每组数据又包含不均等的采样数。实际采样平台具体见图2。

图2　实测光谱数据采集图

获得的光谱曲线，需要完成平均、归一化以及一阶微分处理，以减少干扰因素对水质反演结果的影响。

(2) 平均处理

将筛选过的全部采样点的多个光谱样本曲线导出，并在MATLAB软件中进行平均处理，最终得到的平均值作为光谱反射率值。多次等精度的测量取其算术平均值不仅可以大幅减少测量中的随机误差，而且还可以让测量的结果代表性更强、可信性更高，信噪比也会因此得到可观地提升。从10个点中选取其中的6个较为稳定、噪声干扰小且悬浮物光谱特征显著的400～900 nm波段范围的光谱曲线做平均值处理，在MATLAB中处理的结果如下图3所示。

图3　平均值结果图

(3) 归一化处理

通过归一化处理可以很大程度上减少测量时采样点光谱测量时环境因素、人为因素变化的影响。收集采集过水样的10个采集点的光谱曲线数据，且这10个点均没有出现异常。且选择较为稳定、噪声干扰少且叶绿素a、悬浮物光谱特征显著的400～900 nm波段范围的光谱曲线，横坐标为波长(nm),纵坐标为归一化反射率，得到的归一化光谱曲线图如下图4所示。

图4　归一化光谱曲线图

(4) 一阶微分平滑处理

一阶微分可以突出实测反射率曲线包含的光学特性参数的信息，呈现反射率曲线的变化趋势并且最小化均值处理的负面影响，还可以弱化实测光谱中包含的线性(近线性)测量环境噪声的影响。本文在MATLAB环境下对已平均处理的光谱数据进行一阶微分平滑处理，并获得以下结果见图5。

图5　一阶微分反射率光谱图

1.2反演公式及反演结果

(1) 反演公式

基于上文对光谱曲线的预处理，通过半分析法获得了水质反演所需的敏感波段或者波段组合，得出5个水质参数的反演公式如下：

ss(mg/l)= 4.522+0.492 5×(Band2+Band4-Band1)

(1)

Chl_a(mg/m3)=-1.494×(Band 3)2+19.77×(Band3)-29.75

(2)

TN(mg/l)=3.166-0.034 79×Chl_a(mg/m3)

(3)

TP(mg/l)=-0.000 78×Chl_a(mg/m3)+0.041 7

(4)

CODmn(mg/l)=0.050×Chl_a(mg/m3)+4.543

(5)

(2) 遥感数据预处理及反演

用于反演的遥感影像(图6)必须先经过预处理，使用ENVI5.2对高分一号实时遥感数据进行校正预处理，包括多光谱数据的辐射定标、大气校正、正射校正和湖区掩膜提取，表2为进行辐射定标和大气校正时需要进行传感器参数值的部分选项设置。

表2　图像校正的部分参数设置表格

将进行过几何校正、大气校正、辐射定标后得到的图像进行掩膜处理。将波段4除以波段3后小于0.9数值的点保留下来，其他的区域赋值为0，即可以提取龙泉湖湖体，将提取到的湖体图片进行反演之后，得到的图像中的data值就是浓度信息，得到的图像如图7所示，此时就可以使用上面得到的反演公式(1)～(5)进行富营养评价。

图6　原始遥感图

图7　预处理后的影像

利用这些公式，对遥感数据进行波段运算，完成最终的水质反演，获取5个水质参数的单波段反演结果图如图8～12所示。

图8　悬浮物反演成果图

图9　叶绿素反演成果图

图10　总氮反演成果图

图11　总磷反演成果图

图12　高锰酸盐反演成果图

2水质评价

2.1评价方法

依据《湖泊富营养化评价方法及分级规定》以及对湖泊评价文献的大量查阅，可以得出综合营养状态指数法是比较适合龙泉湖这种湖体的富营养化评价方法[5-10]。选用具有代表性的叶绿素Chl_a、总磷TP、总氮TN、透明度SD、高锰酸盐CODmn五个水质参数对湖泊富营养等级进行评价。综合营养状态指数法的各个公式分别为：

TLI(Chl_a)=10×(2.5+1.086×lnChl_a)，Chl_a是叶绿素浓度

TLI(TP)=10×(9.436+1.624×lnTP)，TP是总磷浓度

TLI(TN)=10×(5.453+1.694×lnTN)，TN是总氮浓度

TLI(SD)=10×(5.118-1.94×lnSD)，SD是透明度(m)

TLI(CODmn)=10×(0.109+2.661×lnCODmn)，CODmn是高锰酸盐浓度

TLI(∑)=∑Wj×TLI(j)，(j=1,2,3,4,5)

式中，TLI(Σ)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)为代表第j种参数的营养状态指数。

对龙泉湖的水质富营养评价中所采用的参数包括叶绿素chl_a、总磷TP、总氮TN、透明度SD、高锰酸盐CODmn 5个参数的浓度信息，各个水质参数的权值分别为：W1(Chl_a)=0.266 3、W2(TP)=0.187 9、W3(TN)=0.179 0、W4(SD)=0.183 4、W5(CODmn)=0.183 4。分级标准范围判定表格见表3。

表3　富营养等级划分表格

2.2评价结果分析

2.2.1龙泉湖地面试验富营养评价

以龙泉湖为研究区，于2015年10月对龙泉湖进行了实地采样。分别监测了其中15个点的反射率数据，并且对其中具有代表性的10个点进行了水样采集分析，获得了水质参数中主要评价因子的浓度信息。本文中选取实地采集到的5组数据，使用综合营养状态指数法进行计算，选取的每个参数的浓度分别为：

Chl_a=[15.63,30.08,28.64,27.45,21.35]

TP=[0.024,0.030,0.022,0.017,0.030]

TN=[2.34,2.04,2.30,2.08,2.72]

ss=[7,8,9,11,8,10]

CODmn=[5.33,5.98,5.98,5.62,4.79]

根据综合营养状态指数法计算，可以得到5个采样点的综合营养状态指数值分别为45.6,48.28,47.53,45.95,47.08，实地采集点中选用的5个采集点的水体范围处于30～50之间。其中，悬浮物ss与透明度SD的浓度转换公式如下：

通过对龙泉湖实地采集到的反射率数据和水样送检报告进行对比分析，得出送检龙泉湖的整体营养等级为中度营养等级。

2.2.2基于高分一号多光谱数据的龙泉湖富营养评价

利用高分一号卫星数据收集到龙泉湖的实时遥感影像，对遥感影像进行大气校正、几何校正等预处理后对图像进行反演,既而获取带有整个龙泉湖湖体浓度的反演图像，进一步读取反演图像中带有的浓度值信息，进行综合营养状态指数运算，得出了整个湖区的综合营养状态指数大多分布在45～50之间。使用ENVI遥感软件将湖体富营养级别等级直观的表现出来，最终得出龙泉湖的整体富营养程度等级为中营养，如图13所示。

贫营养级别用黑色表示，中营养级别用蓝色表示，轻度富营养级别用绿色表示，中度富营养级别用黄色表示，重度富营养级别用红色表示。湖区的整体综合营养状态指数范围在45～50之间，属于中度营养级别。

图13龙泉湖富营养等级分布图

3结论

(1) 通过龙泉湖的实地数据采集报告分析与遥感影像的整体富营养化等级对比，得到的结论都是龙泉湖的水体营养级别处于中度营养范围。且实验所得龙泉湖的水体营养级别与实际了解到的水体级别基本相符。本文中分析得出的5个水质参数的浓度反演公式能够正确反映出龙泉湖的实际情况。

(2) 研究得到整个龙泉湖湖泊的综合营养状态指数值大概处于45～50之间，为中度营养级别，处于一个相对健康的状态。鉴于龙泉湖为旅游区，周边人类的活动比较频繁，生活污染极易导致水体指数值超过50，达到轻度富营养状态，应该对其进行长期的、系统的监测。

(3) 研究中采用的高分一号遥感影像能够较为准确的监测龙泉湖的富营养状况，在技术方面主要是攻破了多光谱与高空间、时间分辨率结合，高分辨率数据处理与应用等关键技术，相对传统的实地勘测方法具有更加高效、高速以及长期实时动态监测的优势。

参考文献

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WATER EUTROPHICATION QUALITY TEST AND EVALUATION OF LONGQUAN LAKE BASED ON THE GAOFEN-1 SATELLITE DATA

LIANG Wei-lin1，BAI Jin-ping1，LI Yu-xia2, LI Hai-yuan1, YE Xue-hui2

(1.School of Aeronautics and Astronautics,University Science and Technology of China,Chengdu611731,China;2.School of automation engineering, University of Electronic Science and technology of China,Chengdu611731,China)

Abstract:In order to study the eutrophication status of Chengdu water, we selected the Longquan Lake as the research object. Based on the field data collected from the Longquan lake,then we can accurately evaluate the eutrophication level of Longquan Lake water. Through measuring parameters’s concentration of Longquan Lake water and processing spectral curve in the field, we got the sensitive wave bands or band combination for relevant water inversion, five water quality parameters inversion formula is obtained. Then using these formulas to evaluate the eutrophication level of Gaofen-1 Satellite Data which have been pre processed. After the analysis in the evaluation of various parameters, we choose chlorophyll_a,Total phosphorus,total nitrogen,potassium permanganate and transparency as evaluation index that suitable for Longquan Lake Eutrophication status Evaluation .Using comprehensive nutrition state index method to assess the eutrophication of integral water.Then we get the conclusion is that Longquan Lake is currently in the moderate nutritional status, and preliminary analysis of the accuracy of the argument.

Key words：Longquan Lak;eutrophication;remote sensing image;Gaofen-1 Satellite;concentration inversion

文章编号：1006-4362(2016)02-0057-06

收稿日期：2016-03-12改回日期：2016-04-17

中图分类号：X52

文献标识码：A

作者简介：梁伟林(1992-)，女，硕士在读，研究方向或从事：遥感测量技术。E-mail:wl_liang@std.uestc.edu.cn