广州市河网水体总悬浮物变化的遥感分析

速云中，唐世林，史合印

(1. 广东工贸职业技术学院，广州 510510；2.中国科学院南海海洋研究所 热带海洋环境国家重点实验室，广州 510301)

0 引言

广州市经济发达、人口稠密、市区内河网密布，河道水质状况不仅影响本地生态环境，突发性的水质污染事件甚至直接威胁到生活供水安全，因此准确掌握河网水质状况及其动态变化，对水环境监测具有重要的意义。改革开放以来，珠江的水质开始变得较差，在90年代末开始得到政府的重视，并逐步加大投入对珠江的水质进行整治。2002年年底政府开始提出珠江的整治目标，即“一年初见成效、三年不黑不臭、八年江水变清”。但整治的整体效果如何以及水质变化的整体趋势等情况尚待评价。

目前国内外水质监测以传统的布点采样方式为主，尽管在线监测技术已有较大进步，但传统监测方法仍存在较多缺陷：监测站点数量有限，且站点空间分布对监测结果影响很大；物理化学和生物分析手段耗时长；监测仪器多为接触式，维护成本高；药品和试剂的使用会在环境监测的过程中产生新的污染等。遥感技术在水体环境监测方面具有空间信息全面、快速、低成本等优势，且本身也是一种符合环保理念的“清洁”技术，水质遥感正成为世界许多科研机构研究、开发的新技术。

水体中的总悬浮物含量是表征水质优劣的一个重要参数，其包含不溶于水的有机颗粒物和悬浮泥沙等无机物。总悬浮物含量是水体生态系统的重要组成部分。同时，悬浮物对进入水体的光具有吸收或散射作用，也是水体“清洁度”的重要指示剂。

悬浮物遥感已经做了相当多的工作，并发展了较多的区域化算法，包括近海区域及河口等区域[1-2]。但利用遥感监测河道泥沙含量的研究较少。常规海洋水色卫星空间分辨率较低，无法满足城市河网监测要求。陆地卫星系列(Landsat)分辨率较高且时间序列长，但波段设置及信噪比等没有根据水体光谱特征进行设计，且在水体中大气校正困难，限制了水质遥感定量反演。本文利用短波红外和红外波段的大气校正算法，成功对陆地卫星传感器进行了大气校正，在此基础上建立了珠江广州河段的总悬浮物遥感模型，获得了珠江广州段河道总悬浮物变化特征。遥感反演结果可为政府有关部门提供高效、直观的珠江水质参考资料，具有现实的环境意义和重要的社会意义。

1 数据与方法

1.1 现场观测

本研究以珠江广州段5个航次的现场观测(图1)数据为基础，航次执行时间分别为2012年9月、2012年12月、2013年1月、2013年11月和2014年9月。观测指标包括：高光谱表观光学量、悬浮物浓度、叶绿素浓度、CDOM吸收系数、溶解氧、无机氮、无机磷、总氮、总磷、PH值、盐度、温度和风速风向等。以2012年12月航次所测得的水体光谱反射率特征(图2)为例，总体而言，观测水体都存在典型的二类水体光谱特征：在580 nm有明显的反射峰，在700 nm左右存在一个荧光峰以及在760 nm左右有一个明显的反射峰。光谱测量表明，珠江广州段水体光谱同时受到叶绿素、CDOM以及悬浮泥沙影响，整个研究水域旱季(12月和1月)遥感反射比明显高于雨季(9月)。

图1 珠江广州段水质及光谱观测站位置图

图2 2012年12月实测水体遥感反射比

1.2 遥感数据处理

考虑到研究水域部分河段宽度仅数百米以及水体中光学组分的复杂性，对卫星数据空间分辨率以及光谱分辨率均有较高要求，本研究选择Landsat-7及Landsat-8卫星数据对水体中总悬浮物进行反演。

本研究采用短波红外加红外波段进行大气校正。采用6S(second simulation of satellite signal in the solar spectrum)辐射传输模型，计算图像瑞利散射。利用该程序模拟无云条件下卫星传感器在太阳反射波段(0.4～2.5 μm)的信号。模型从大气顶部的总反射率减掉瑞利反射率，得到瑞利校正后的反射率。然后逐个像元利用短波红外波段构建瑞利校正反射率和中心波长之间的指数关系(这里假定短波红外波段反射率不受水体悬浮物质的影响)，通过这一关系式外推到近红外波段，可以去掉近红外波段反射率受到悬浮泥沙影响部分;利用近红外波段不受悬浮泥沙影响的反射率以及短波红外反射率，计算大气校正中的气溶胶校正指数ε，并用e指数外推方法，计算所有可见光及近红外波段的气溶胶反射。

1.3 总悬浮物反演算法

基于高光谱的悬浮物反演算法[3-10]不适用于Landsat卫星，因此本文考虑利用前人研究的简单经验算法来建立模型[11-12]。在简单经验算法中，利用四分之三的数据来建立模型，用剩余四分之一的数据来验证模型的精度(数据从高到低排列后每4个选取第3个数)。根据实测数据建立了算法公式：TSM=10^(2.50*R4/R3-0.749)，其相关系数R2达到0.820 55(图3)。利用验证数据对结果进行验证，其平均相对误差MAE=22.8%(图4)，可以满足水质反演精度要求，因此可以采用该算法进行建模。

图3 利用波段比值法建立的基于Landsat卫星提取TSM遥感反演算法

图4 TSM遥感反演算法验证

2 总悬浮物浓度的提取

利用上述算法对1999年至2014年珠江广州河网段数据进行处理(图5)。考虑到广州夏季遥感影像受云层覆盖影响很难有连续性的数据，因此本文以11月和12月份总悬浮物浓度为代表，研究总悬浮物浓度变化特征。研究结果显示，1999年到2002年，珠江广州段总悬浮物持续增长，在2002年左右达到最高。2002年至2008年总悬浮物浓度不断降低。2011年相对2008年有所增加，随后又开始减少，2014年是所有年份中悬浮泥沙浓度最低的一年。

图5 利用Landsat卫星提取的1999—2014年珠江广州段水体总悬浮物分布特征

3 结束语

河道水色遥感是一个比较困难的课题，目前报道的成功案例不多。遥感数据源(分辨率、信噪比)和大气校正限制了河道水色遥感的定量反演。本研究利用短波红外和红外波段的大气校正算法，处理了珠江广州段的 Landsat数据，同时遥感建模相对误差在35% 以下，比较成功地进行了珠江广州河段的悬浮泥沙遥感建模，并获得了研究区域的水质遥感产品。以云量较少的11月、12月的总悬浮物为例，分析了自1999年以来的悬浮物浓度变化。结果表明，2002年左右珠江河网总悬浮物浓度最高，2002年以来珠江河网总悬浮物呈现不断降低的趋势，到2014年冬季总悬浮物的含量最低。珠江广州段水体变得更加清澈，由于研究区域的水域承载了上游的来水及其携带的物质，因此除了广东实施珠江综合整治促进经济环境协调发展外，珠江流域包括广西等地的治理也具有重要的贡献。从分布图上看，整个珠江水系，包括西江、北江和东江以及三角洲的河流，其来源的总悬浮物都有一定程度的降低，这印证了近年来各地对珠江流域协同整治的效果。