基于GF-1的佛山市水污染时空分布研究

谢 东 储芳芳 汪 涛 徐 丹

（佛山科学技术学院环境与化学工程学院 广东佛山 528000）

引言

自改革开放以来，我国经济蓬勃发展，GDP总量居全球第二，然而，当时这种仅仅追求发展速度而轻视环境污染问题的做法在目前已经产生了不良的后果，在水环境污染方面更是与人民生活息息相关。佛山作为中国重要的制造业生产基地，同时又是制造业升级转型综合试点城市，环境污染日益加剧，特别是水污染，与人民生活息息相关，是关乎民生的重大事项。

地表水中的二类水体与人类的生产生活息息相关，国内外学者利用水质遥感的原理对二类水体进行监测做了大量研究邓孺孺等人在2002年基于水体反射光谱成像的物理过程，建立了遥感数据与污染物浓度的函数关系，对珠江口海域进行了定量提取并用实测数据进行了验证[1]。李海元在半经验法的水质反演模型基础上，结合混合遗传算法在水质反演中的应用进行研究，并经统一检验，显示混合遗传算法的确可以提升反演精度[2]。付海军利用高分一号和Landsat-8数据，基于地面实测数据，构建多种浊度反演模型，分析两个传感器反演浊度的能力差异，得出，利用高分一号进行水质反演具有较高的精度[3]。

我国的高分一号卫星的分辨率达到16米，满足了城市内部进行水污染研究的基础，可以进行大面积的宏观监测，从二维监测上升为空间上的监测，具有针对性、精确性、大区域性的特点。目前，佛山市水污染防治依然任重道远，水环境污染突出。因此，对佛山市进行水污染程度分布的研究，十分有必要，旨在对佛山市进行宏观监控，从而让相关单位有目的性、紧迫性地对水污染进行治理。

1 数据预处理

本研究是通过遥感影像定量反演水中污染物的含量，因此就要获取水体的反射率信息，基于大气辐射传输理论，需要去除大气分子、气溶胶以及其他因素的影响。数据预处理包括辐射定标、大气校正、正射校正和图像镶嵌与裁剪。辐射定标后得到的是大气外层表面反射率；在本研究中，采用的是ENVI中FLAASH大气校正工具；在进行图像拼接前，需要对大气校正后的影像进行正射校正处理；为了能够对下一步工作更好地进行统一处理、解译、分析和研究，利用无缝镶嵌工具和软件自带的全国高分辨率DEM影像对两幅图像进行拼接处理，再利用佛山市行政边界对拼接后的影像进行掩膜裁剪，形成一幅完整的佛山市影像图。

2 水体信息提取及精度验证

本研究需要对水体信息进行提取，然后才可以下一步的研究。而对于影像数字化来说，工作量大，且不实际。根据高分一号卫星影像4个波段的光谱特性，结合水体本身在可见光和近红外波段的反射率的吸收作用，本文通过研究三种常用水体提取方法的提取效果，并最选择最好的结果进行模型反演。高分一号的第四波段对水体比较敏感，因此用其来进行阈值分析，经过多次反复试验，确定阈值在0.124-0.130之间，其对水体信息的提取较为有利；使用最大似然法对高分一号影像进行分类，结果中掺杂了少量城镇用地、山体阴影等信息；归一化水体指数法是通过影像中水体的最强与最弱反射波段进行比值运算，以扩大水体与其它地物之间的差异，突出水体信息的方法。对高分一号影像进行NDWI运算，结果中，NDWI>0的值为水体信息，经反复试验确认，当阈值为0.034左右为区别水体和非水体的界线。

经过对三种水体提取方法的结果进行对比分析，结合本文的研究对象，综合各方面的因素，本文采用水体指数法提取的水体作进一步研究。

3 模型构建以及反演

3.1 模型构建

水体的反射光谱来自水分子和水中悬浮颗粒物的散射光和水底反射光：

式中，Rwo为去除镜面反射后的水体总反射率；Sw为出水反射率；Rg是指水底反射率。整个佛山市地区主要的水色因子为水中悬浮泥沙和其他污染物，其中，悬浮泥沙的含量较少，而水中污染物主要污染源为工业废水污水、生活污水和农业生产污水。若只考虑水中悬浮泥沙和污染物的影响，设水深为H，该厚度的水的散射对出水反射率的贡献为：

式中，为去除镜面反射后的太阳光入射到水中的能量；β=βw+Duβu+Dvβv+Dsβs为水体散射系数，其中，βv为浮游植物为主的其它物质的散射系数，βw，βs，βu分别为水分子、水中悬浮泥沙和水中污染物质的散射系数；α=αw+Dsαs+Duαu+Dvαv为水体吸收系数，αw，αs，αu，αv分别为水、水中泥沙、污染物质和其它杂质的吸收系数；h为水深；Du、Ds、Dv分别为污染综合浓度、泥沙浑浊度和其它物质的浓度；p(θ)为散射相函数；θ为光入射角。整层H厚度的出水反射率Sw(λ)为：

而水底反射光为：

将(4-3)、(4-4)式代入(4-2)、(4-11)式得：

式中，R(λ)为经过预处理后的影像像元数据。根据影像头文件中，天顶角θ已知，式中所有的吸收率和散射率均可测试或者参考其他学者获得，因此，未知数只剩下Du和Ds，将蓝、绿光2个波段的预处理后的影像数据代入模型，得到一个一元一次方程组，可求出污染物综合浓度Du。

3.2 模型反演

在本文中，参考Pope和Fry[4]测得的纯水散射和吸收系数进行反演，其参数如下表：

?

而综合污染物吸收系数是通过遥感数据计算得到，在真彩色图像上选取影像特征为均一深灰色的较深水区，读取其三波段亮度值，有：

据此式计算出的αu'=αuDu0。

?

将第n波段的数据TMn代入6式并忽略，αsn，βun，令x=Ds/Dsa，y=Du/Du0得：

将第3波段带入可得一个一元一次方程组，可求解出对应的y值，利用ENVI中的band math工具进行求解，可求出综合污染指数y。将上述得到的结果转成TIFF格式的文件，在ARCMAP中进行分类符号化、整饰出图，得到2013年-2016年四年的佛山市水体综合污染物的定量反演结果图。

3.3 结果验证

本文是基于辐射传输理论对佛山市水体污染浓度进行反演，为了验证整个反演结果的正确性，一般需要通过实测数据来进行对比，但由于缺乏实际条件，因此本文通过对比其他学者或单位对佛山市水体污染的研究成果来验证本次的反演结果。根据佛山市环境保护局的江河水环境年报的数据显示，2015年中，三水区曲河段、禅城区的汾江河、南海区的大部分河段等都没有达到V类标准，与反演的结果较为相似，2016年的水环境年报中，禅城区的汾江河和佛山水道、南海区的官窖涌、雅瑶水道、顺德区的容桂水道等水质未能达到标准，从反演结果中看出，污染浓度较高的分布在禅城区和南海区，潭洲水道和顺德水道最为严重，与年报数据基本相似。

4 反演结果分析

4.1 综合污染时空分布规律

佛山市水资源的总体特征可以概括为时空分配不均，西南部较多，东北部较少。从图可以看出，2013年，佛山市水体污染较为严重的区域分布在南部区域，汾江河、佛山水道、潭洲水道、鹤山市与南海区交接的西海水道，容奇大桥西侧的顺德支流等河流的水质污染浓度比其他地区要高，在佛山市的西江河段，浓度较高的一岸位于靠近南海区一侧；2014年，整体的分布特点为三水区和顺德区的水质污染浓度较低，而中部南海区顺德区的污染浓度较高，西江流段、东平水道和潭洲水道的水质污染浓度较高；2015年，东平水道、汾江河、佛山水道以及三水区北江南段的水质污染浓度为最高的，西江河段次之，西江河段的水质污染浓度较高的区域主要分布在两岸处，顺德区的河流污染浓度整体较低，整体呈现中部较低，四周较低的分布；2016年，污染浓度偏高的区域主要分布在思贤窖附近、东平水道、汾江河、佛山水道以及西海水道，南海区的里水河、吉利水道、潭洲水道和顺德水道污染浓度依然较高，顺德支流、东海水道相对较好，污染浓度较低。佛山市水体综合污染的时空分布规律为：禅城区中的汾江河和佛山水道污染浓度一直偏高，南海区域内的河段水质污染浓度较高，一般为靠岸浓度比河流中部要高，北江与西江交汇处思贤窖周围地区在15-16两年的浓度偏高，而顺德的河流整体比禅城区南海区的水质要好。

4.2 影响因素分析

本研究使用的数据中，其中2013年、2014年、2016年均处于丰水期，2015年处于枯水期。据部分学者研究，大部分污染物不会在丰水期出现超标现象，从图中看出，丰水期年份的反演结果污染浓度整体要比枯水期年份的要低。据调查，全国的河流污染有50%都存在不同程度的污染，一般下游的污染程度较为严重，对于整个西江和北江，在佛山市境内，属于中下游河段，在反演的结果中，西江和北江整体的浓度偏高。影响城市水质污染的因素主要还有各种污染源，包括工业污染、城市生活污水和农业污染。佛山的经济结构为轻工业为主，部分地区第三产业比较发达，佛山轻工业业态主要包括有纺织业、造纸和纸制品业、有色金属冶炼等行业，这些业态往往污染物排放比较严重，从产业布局上看，佛山有色金属加工业和五金加工业集中在南海北部，纺织业集中在南海西部，家电、家具业主要集中在顺德。由于这些产业的集聚，工业排放较多，对河流水质的影响较大，特别是经南海区的东平河以及西海水道，四个年份的反演浓度均比较高。佛山市人口密集，水域两岸的居民点和工业点密度较高，沿岸有大量的生活污水排放，加上农村缺乏科学正确的规划，大部分农村都没有集中处理农村污水的地方，因此造成大量农村生产生活污水排放到江河中去，同时，还有部分是来自于流动船舶的污染物排放，使河流中有机污染物更多。

结语

本文主要使用阐述了大气辐射传输理论和影响水体反射率的因素，通过水体与遥感数据之间的关系，构建了基于辐射传输的水体污染反演模型，引用了其他学者的水体散射和吸收系数，同时，通过遥感像元数据计算出悬浮泥沙的吸收系数，利用2013-2016年高分一号影像中的蓝红波段对佛山市水体综合污染物进行了定量反演，得到了2013-2016年四年间佛山市水体综合污染分布图。分析了佛山市四年间水体污染的时空分布规律，得出，汾江河、东平河、西海水道和潭洲水道呈现的浓度要高于其他区域的河段，根据影响河流水质污染的因子结合四年污染浓度分布图分析了佛山市江河的是指污染成因，佛山市产业布局、产业结构均对水质有一定的影响，主要是以工业废水、城市生活污水和农村生产生活污水等污染源的方式影响。南海区的金属加工业、纺织业等业态污水排放量较大，而这些工业分布在河流两岸，特别是南海区东平河段和西海水道河段，对这段的水质影响较大。