基于GF-1 WFV影像的浑河悬浮物浓度和浊度遥感反演研究

许 鹏, 杜 萍, 申 茜, 徐智邦

(1. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院, 兰州 730070; 2. 甘肃省地理国情监测工程实验室, 兰州 730070; 3. 中国科学院遥感与数字地球研究所 数字地球重点实验室, 北京 100094)



基于GF-1 WFV影像的浑河悬浮物浓度和浊度遥感反演研究

许 鹏1,2, 杜 萍1,2, 申 茜3, 徐智邦1,2

(1. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院, 兰州 730070; 2. 甘肃省地理国情监测工程实验室, 兰州 730070; 3. 中国科学院遥感与数字地球研究所 数字地球重点实验室, 北京 100094)

综合利用高分一号(GF-1)卫星WFV影像和地面同步水质实测数据,以沈阳浑河为实验区,分别建立悬浮物浓度和浊度反演经验模型。经验证分析GF-1WFV数据可有效反映浑河悬浮物浓度和浊度,且反演精度较好,结果均符合常规水质监测规律。同时基于浊度数据模拟的悬浮物浓度也具有较高的精度,拟合度达到0.68,可为今后简化浑河悬浮物浓度反演流程提供经验。将反演模型应用于GF-1卫星WFV数据,得到2016年9月浑河悬浮物浓度和浊度分布图,反映了浑河流域悬浮物浓度和浊度的空间变化规律。对GF-1卫星WFV数据和Thermo便携式浊度计综合运用进行中小尺度河流水质遥感监测有一定的参考价值。

GF-1; 悬浮物浓度; 浊度; 浑河

0 引 言

浑河位于沈阳市东南部,自东向西流贯辽宁省全境,干流全长415.4 km,流域面积12 216.4 km2,流域内年平均降水量686.4 mm,年均径流量为28.5亿m3[1]。浑河是沈阳市重要的水源地,其流域是辽宁省重要的农牧业生产基地,对浑河水质的监测一直都是国家水质监测的重点。常规的水质监测方法简单,包括人工采样结合实验室检测、自动站点监测等,但无法同步获得整个区域的水质信息且人力成本巨大。遥感水质监测具有监测范围广、速度快、成本低,便于长期动态监测等优势[2-4],因此,利用遥感手段对浑河进行水体要素反演及空间分布研究具有较大的应用价值和现实意义。悬浮物浓度和浊度是水质评价的重要指标[5-6],对水质监测及治理具有重要意义,因此,本研究选取这2种水体指标来进行浑河水质的反演。

高分一号卫星(GF-1)是中国航天科技集团公司于2013年4月26日发射的一颗高分辨率对地观测卫星,搭载了2台分辨率为2 m的全色相机和8 m的多光谱相机,以及4台16 m分辨率的多光谱宽幅相机[7]。以往的水环境遥感监测研究区主要集中在太湖、巢湖、杭州湾等大型湖泊及南方近海,利用GF-1数据对北方水体及分布流域较长的河流区域悬浮物浓度和浊度的研究分析很少[8-10]。本研究利用测定的水质参数数据与GF-1卫星的WFV多光谱数据进行相关反演,得到沈阳境内浑河流域悬浮物浓度和浊度空间分布,并对浑河浊度数据模拟悬浮物浓度进行探究。相关性比较结果表明,将高分一号影像用于北方地区中小尺度河流水质遥感监测是可行的。

1 数据的获取与预处理

1.1 样品采集与处理

2016年9月19日10∶00—12∶00时GF-1卫星过境前后,对浑河流域水体进行样品采集,采样点分布如图1所示。采样点按照河流下游至上游依次编号,每个采样点采集水样1 L,置于清洗过的乙烯瓶中,放入带有冰块的保温箱内保存。

图1 研究区与实测样点分布Fig.1 Location and distribution map of HunheRiver,China

悬浮物含量目前主要的测量方法是称重法[3]。研究方法利用改进的海洋悬浮物浓度测量法对采集的样品进行测量,主要步骤包括:1)利用纯水清洗直径47 mm、孔径0.7 μm(Whatman GF/F)玻璃纤维滤膜并用定性滤纸吸干水分;2)将滤膜放入上下铺有铝箔的坩埚上,置入马弗炉中,550 ℃煅烧4 h;3)待温度降至150 ℃时,取出滤膜放入干燥皿冷却至室温后,用精度为0.000 1 g的电子天平依次对滤膜称重;4)滤膜依次顺序放入用纯水清洗过的过滤器,选择合适体积水样进行过滤;5)将过滤后的滤纸放入鼓风干燥箱中,设置105 ℃烘干6 h;6)烘干后的滤膜放入干燥皿冷却至室温后对滤膜依次称重;7)计算平行样和样本悬浮物质量,误差小于10%后取均值。

样品的浊度是通过将摇晃均匀的水样放入定标后的Thermo浊度计进行测量得到的。测定浊度时,水样一定要轻缓摇晃,避免气泡影响浊度测定的准确度。

1.2 遥感数据预处理

研究数据选取2016年9月19日上午11时12分过境,侧摆角-11.64度的GF-1卫星WFV2多光谱遥感影像数据,影像获取当日天气状况良好,通过卫星影像可以清楚观测到沈阳城区浑河水体试验区。

利用GF-1卫星WFV数据反演浑河水体悬浮物浓度和浊度,需要对卫星影像进行预处理,主要步骤包括区域裁剪、几何精校正、辐射定标和大气校正等。几何精校正采用一副已经经过精校正的沈阳地区GF-1影像,在ENVI5.3软件中进行校正,采用三次卷积内插法,总误差控制在1个像元内;辐射定标采用2016年中国资源卫星应用中心网站获取的绝对辐射定标系数对影像进行定标;大气校正使用ENVI5.3软件的FLAASH辐射传输模型对辐射定标后的GF-1 WFV影像进行大气校正,并得到校正后的反射率数据。

2 遥感信息模型建立

2.1 悬浮物浓度遥感信息模型的建立

水体的反射主要集中在蓝绿光波段,其他波段吸收较强,但当水体中含有其他物质时,会改变反射光谱曲线。当悬浮物增多时,水体由暗变亮,同时会发生"红移"现象,即反射峰向长波长方向移动[10]。

悬浮物浓度反演精度检验主要是利用各波段的比值建立遥感因子与悬浮物浓度之间的关系,求解模型的拟合系数和反演值与实测值之间的误差,作为其模型检验的依据。首先对浑河实验区实测悬浮物浓度值与波段像元组合值进行分析。

本文实验模拟得到如下悬浮物浓度遥感信息模型:

表1 悬浮物经验估算模型

式中:y为悬浮物浓度(mg/L);b1、b2、b3和b4分别为GF-1 WFV数据蓝、绿、红、近红外波段的反射率。

经分析,以蓝、绿、红波段为自变量的方程拟合度较高,其中红波段拟合悬浮物相关系数较高,已有的理论研究成果也验证了该分析的合理性与科学性[11]。因而,基于b3波段构建浑河水体悬浮物浓度定量反演模型为y=4 940.5x+0.017 9。

由悬浮物实测数据检验实验模型得,基于b3波段的遥感反射率模型反演的悬浮物浓度与实测悬浮物浓度的拟合度达到0.53,说明基于反演模型的悬浮物浓度与实测数据间已有较好的精度,其反演结果基本符合人工实测悬浮物浓度。

2.2 浊度遥感信息模型的建立

在近红外和可见光波段范围内,水体浊度增加,光谱反射率增加,水体浊度等级和光谱反射率在红光波段呈线性相关的关系[12]。通过对GF-1WFV数据的4个波段反射率与水体的浑浊程度进行相关性分析后,发现以蓝、绿、红波段为自变量的方程拟合度较高。

本文实验模拟得到如下浊度遥感信息模型:

表2 浊度经验估算模型

式中:y为浊度,单位:NTU;b1、b2、b3和b4分别为GF-1 WFV数据蓝、绿、红、近红外波段的反射率。

由此可见,单波段红光的反射率与浊度关系密切,是反演浊度的关键波段。因而,基于b3波段构建的浑河水体浊度定量反演模型为y=43 510x1.475。

由浊度实测数据检验实验模型得,基于b3波段的遥感反射率模型反演的浊度与实测浊度相关性拟合度达到0.63,说明基于反演模型的浊度与实测数据已有较好的精度,其反演结果基本符合人工实测浊度。同时其浊度反演精度高于悬浮物浓度反演,经预测可能是由于浊度数据测量过程中受人为干扰较少,误差较小。

2.3 浊度数据模拟悬浮物浓度模型的建立

图2 浊度估测悬浮物与实测悬浮物比较散点图Fig.2 Turbidity estimate suspended matter compared with the measured suspended matter scatter plot

浊度是指水中悬浮物对光线透过时发生的阻碍程度,其含义是指悬浮物所引起的光散射使透过的光束变暗。已有研究表明,当悬浮物浓度较低时,散射光强度和悬浮物浓度近似成比例[13]。由于水体浊度测量方便快速,其所具有的光谱特征也可以被传感器所探测。因此,在需要及时了解水体悬浮物浓度时,可用浊度数据快速模拟悬浮物浓度。

将实验室测的悬浮物浓度和浊度数据进行线性分析,发现2组数据具有很好的线性相关性,模拟模型为y=3.919 3x0.616 1。由图2显示了基于浊度数据模拟悬浮物浓度和实测悬浮物浓度的对比,模型拟合效果较好,其相关性显著,相关性系数达到0.68。

3 浑河悬浮物浓度和浊度的空间分析

利用ENVI5.3软件,将波段运算构建的悬浮物浓度和浊度模型应用于2016年9月19日的GF-1影像中,得到浑河水体悬浮物和浊度空间分布图。

由图3可知,2016年9月,浑河上游的悬浮物浓度较高,其他水域悬浮物浓度较上游略低。沈阳境内浑河流域悬浮物浓度不高,整体低于其他大型湖泊水质[3,7-9]。从实测统计结果来看,浑河上游悬浮物浓度最大值为17.2mg/L,最小值为11mg/L,平均值14.69mg/L;浑河下游的悬浮物浓度最大值为13.8mg/L,最小6mg/L,平均值为10.07mg/L。同时经反演统计得到上游悬浮物浓度最大值14.64mg/L,最小值为13.02mg/L,平均值13.85mg/L;下游悬浮物浓度最大值为13.55mg/L,最小8.34mg/L,平均值为10.58mg/L,反演悬浮物浓度结果稳定且符合实测数据规律。同时分析得,浑河上游悬浮物浓度偏高主要是因为夏季上游山区泥沙冲入河中引起的悬浮物浓度增大,下游地区由于有拦河坝的影响使水流速度变缓,水体泥沙沉淀,造成悬浮物浓度减小,郊区零星悬浮物浓度异常增高经推测可能是由于拦河坝造成郊区水量变小,水位下降,局部窄河流造成河岸陆地光谱干扰造成的。

图3 2016年9月19日浑河水体悬浮物浓度空间分布图

图4 2016年9月19日浑河水体浊度空间分布图

由图4可知,2016年9月浑河上游浊度较高,其余水域浊度较低,且反演结果整体平稳。从实测统计结果来看,上游浊度最大值为10.355 NTU,最小值为5.095 NTU,平均值8.1289 NTU;下游的浊度最大值7.515 NTU,最小2.605 NTU,平均值为4.814 6 NTU。同时经反演统计得到上游浊度最大值8.101 NTU,最小值为6.816 NTU,平均值7.470 2 NTU;下游的浊度最大值为7.232 NTU,最小3.527 NTU,平均值为4.938 8 NTU。反演的浊度分布合理,与实测数据较为吻合。

从基于浊度模拟的悬浮物浓度统计结果来看,上游悬浮物浓度最大值为16.311 7 mg/L,最小值为10.688 mg/L,平均值14.134 3 mg/L;下游悬浮物浓度最大值为13.579 0 mg/L,最小7.069 5 mg/L,平均值为10.198 mg/L。经统计分析得模拟悬浮物浓度与实测悬浮物浓度单位点平均绝对误差为1.59 mg/L,模拟结果与该河段现场实测数据情况吻合,基本符合上述悬浮物浓度空间分布,说明浑河浊度数据模拟悬浮物浓度已达到较高精度,其模拟结果在浑河水质快速监测、空间分布研究等方面具有较大的应用潜力。

4 结 语

本文选取典型北方内陆水体浑河为研究区,利用GF-1卫星准同步WFV多光谱数据和实测浑河水体悬浮物和浊度数据进行模型估算反演,结果表明:1)浑河水体悬浮物和浊度与GF-1 WFV数据的红、绿、蓝波段相关性高,且浊度模型的相关性高于悬浮物模型相关性,但二者模型均可以基本反映浑河水体悬浮物浓度和浊度分布情况;2)将建立的遥感模型应用于2016年9月浑河水体,从空间分布看,浑河上游悬浮物浓度和浊度高于下游悬浮物浓度和浊度,但整体数值较其他大型湖泊偏低,说明沈阳境内浑河水质状况整体较好;3)基于浊度信息模拟的悬浮物浓度与实测悬浮物浓度拟合度达到0.68,可为今后浑河简化悬浮物反演流程提供直接经验。4)研究证明GF-1 WFV数据可以用于中小尺度河流水质参数的遥感研究,其结果可以补充浑河水质常规监测的不足,可为今后浑河水质遥感反演监测提供参考。

本研究也有不足之处,因浑河水质悬浮物浓度和浊度整体偏低,在最后选择波段时只重点研究了单波段红光波段,但由经验总结得基于复合波段的反演精度将更高;由于浑河水质数据缺乏,本研究没有对浑河水质进行悬浮物浓度、浊度长时间长序列动态研究。这些都是以后有待进一步研究的方向。

[ 1 ]张鸿龄,孙丽娜,罗庆,等. 浑河流域水体污染的季节性变化及来源[J]. 生态学杂志, 2011,30(1):119-125.

[ 2 ]田野,郭子祺,乔彦超,等. 基于遥感的官厅水库水质监测研究[J]. 生态学报, 2015,35(7):2217-2226.

[ 3 ]周晓宇,孙德勇,李云梅,等. 结合水体光学分类反演太湖总悬浮物浓度[J]. 环境科学, 2013,34(7):2618-2627.

[ 4 ]黄耀欢,王浩,肖伟华,等. 内陆水体环境遥感监测研究评述[J]. 地理科学进展, 2010,29(5):549-556.

[ 5 ]姜广甲,刘殿伟,宋开山,等. 基于半分析模型的石头口门水库总悬浮物浓度反演研究[J]. 遥感技术与应用, 2010,25(1):107-111.

[ 6 ]冯奇,程学军,沈欣,等. 利用Landsat-8进行汉江下游水体浊度反演[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2016,41(1):1-5.

[ 7 ]朱利,李云梅,赵少华,等. 基于GF-1号卫星WFV数据的太湖水质遥感监测[J]. 国土资源遥感, 2015,27(1):113-120.

[ 8 ]夏叡,李云梅,吴传庆,等. 基于HJ-1号卫星数据的太湖悬浮物浓度空间分布和变异研究[J]. 地理科学, 2011,31(2):197-203.

[ 9 ]刘忠华,李云梅,檀静,等. 太湖、巢湖水体总悬浮物浓度半分析反演模型构建及其适用性评价[J]. 环境科学, 2012,33(9):3000-3008.

[10]王繁,周斌,徐建明,等. 基于实测光谱的杭州湾悬浮物浓度遥感反演模式[J]. 环境科学, 2008,29(11):3022-3026.

[11]王昉,王巍,史明,等. 基于遥感的北京城区水体悬浮物浓度监测[J]. 水资源保护, 2013,29(4):82-86.

[12]林桂兰,方建勇,陈峰. 厦门同安湾滩槽演变趋势的遥感分析[J]. 国土资源遥感, 2004(4):63-67.

[13]WANG B B,CAO M H,ZHU H D,et al. Distribution of perfluorinated compounds in surface water from Hanjiang River in Wuhan,China[J].Chemos phere, 2013,93(3):468-473.

Research on remote sensing inversion mode of suspended matter density and turbidity based on GF-1 WFV image data in Hunhe River

XU Peng1,2, DU Ping1,2, SHEN Qian3, XU Zhibang1,2

(1. Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China; 3. Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China)

The experimental models of the suspended solidsconcentration and turbidity inversion are based on the GF-1 WFV satellite images and the actual synchronous data from the Shenyang Hunheriver. The GF-1 WFV data effectively reflect the suspended solids concentration and turbidity in the Hunheriver well with better precision in the simulation with the fitting degree of 0.68. This result can simplify Hunhe river suspended solids concentration inversion process. The model to GF-1 WFV data given by the distribution diagram of Hunheriversuspended solids concentration and turbidity in September in 2016 reflects the spatial change law of suspended solids concentration and turbidity. This study offers a valuable example for remote monitoring of river water quality by GF-1 WFV and Thermo portable turbidimeter.

GF-1;suspended solids concentration;turbidity;Hunheriver

1673-5862(2017)02-0180-05

2016-12-01。

国家自然科学基金资助项目(41571361)。

许 鹏(1991-),男,陕西汉中人,兰州交通大学硕士研究生; 通信作者: 杜 萍(1976-),女,四川营山人,兰州交通大学副教授,博士。

X87

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.011