基于Sentinel-2卫星数据的库塘型国家湿地公园水库总磷含量时空分布特征分析

李 敬，王 立，何 成，陈骁强，王 原

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241000； 2.上海栖星生态环境咨询有限公司，上海 200438； 3.复旦大学 环境与科学与工程系，上海 200438)

自我国2005年开始“国家湿地公园”建设以来，截至2018年底，我国已经有898个国家级湿地公园(试点).国家湿地公园类型多样，包括河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地以及人工湿地等全部的湿地类型.库塘湿地作为人工湿地中的重要湿地类型，也是国家湿地公园的重要组成部分，广泛分布于我国东北地区、长江中上游地区以及黄河中上游地区等广大区域.国内学者针对国家湿地公园展开了多方面的研究，主要研究内容包括生物多样性和资源评价、生态旅游、规划设计、生态服务功能等方面[1].目前国内关于国家湿地公园的研究主要集中在生态旅游、生物多样性调查等方面，对库塘型国家湿地公园所保护的库塘湿地水质监测研究较少.湖泊水质监测是有效开展湖泊水环境综合管理与水污染防治实施的基础，也是湖泊藻华风险评估与生态安全建设的重要依据[2].磷是湖泊水体生物生长和富营养化的一个重要指标，监测总磷(TP)的含量是水质监测的一项重要工作，传统的水质见监测方法主要依靠实地水样采集实验室分析的方法，往往时效性不高，而且采样方式耗时、费力、不经济，以采样点数据代替附近水域总磷含量的分布也存在不合理性，难以满足大尺度水质实时监测和快速响应的需求.

遥感定量反演水质的监测方法经过国内外研究学者的研究证明是今后湖泊水质监测发展的方向[3].Song等[4]利用高光谱遥感数据构建了基于遗传算法与偏最小二乘法相结合的水质估计模型,得出TP、Chl-a和SDT的空间分布图并利用利用卡尔森营养状态指数评价其富营养化状态.Harvey等[5]的研究表明，基于卫星的监测系统是可靠的，叶绿素-a含量的估计在精度和定量检索方面可与现场测量结果相媲美.刘瑶等[6]利用直接和间接遥感反演算法，结合MODIS数据反演鄱阳湖表层水体的总磷含量并分析其时空分布特征和变化规律.徐良将等[7]通过微分法和波段比值法对室内水样分析结果中的总氮和总磷含量进行反演，得出总磷最佳反演模型.Sentinel-2A和Sentinel-2B卫星分别于2015年6月和2017年3月成功发射，所搭载的MSI(Multi-Spectral Instrument)传感器共有13个光谱波段，可见光到近红外波段的空间分辨率为10 m，红边和短波红外波段空间分辨率为20 m，时间分辨率为10 d，空间分辨率、时间分辨率还是波段设置等是进行内陆水体遥感研究的有效数据源之一，具有较大的应用潜力[8].

以阿哈水库为主体建设的阿哈湖国家湿地公园是重要的库塘型湿地公园的代表，阿哈水库作为贵阳市重要的3个饮用水源地之一，在贵阳人民的生活中发挥着重要作用.通过对阿哈湖国家湿地公园中水库水质近十年的监测数据进行分析，可以看出阿哈水库面临着富营养化的趋势与风险[9].由于阿哈水库紧邻贵阳市中心区域，近年来，周边工农业生产的发展和城市化进程的加快，导致水库水体受污染压力日益加剧.本文基于遥感技术和数理统计基本理论，以贵阳阿哈湖国家湿地公园主体的阿哈水库为研究对象，利用高分辨率的Sentinel-2多光谱遥感数据和实测水质数据构建典型水质参数总磷的遥感反演模型，探究总磷含量的时空分布特征及其影响因素，以期为阿哈水库管理方管理提供科学、有效的参考.

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

阿哈水库(106 °39′E，26 °33′N)位于贵阳市南郊南明河支流小车河上，有5条主要入库河流，分别是白岩河、金钟河、小车河、游鱼河和蔡冲河.

水库水面面积为4平方公里(枯水季节水位仅为0.8平方公里)，是贵阳市3大饮用水源地之一，日供水量达21万m3，其流域面积为190 km2，多年平均径流量为10 187×104m3，正常库容5 450×104m3，设计正常水位高程达1 110 m，平均水深13 m，最大水深约30 m，阿哈水库是以供水为主，兼有防洪、灌溉、旅游等多种功能的水库,是当前贵阳市工农业生产及人民生活饮用水的重要水源.区域内地下水补给主要是大气降水的面状补给方式，地下水位约为1 126 m.公园处于黔中亚热带湿润、温和气候区，年均气温15.3 ℃，四季温差较小.雨量充沛，多年平均降雨量处于1 140～1 200 mm 之间，年降雨日数平均为178 d，雨量多集中在5—8月，约占全年降雨量的65%；日照时间较短，全年平均日照1 412.6 h，日照百分率为32%；该区湿度受季风环境影响，全年平均相对湿度81%，无霜期270～290 d.

1.2 实测数据的获取与处理

本次实验的采样点共布置15个，主要分布在库区与河流入库口处，能切实反映水库的水质现状.本次研究的实验数据主要是2017—2018年阿哈水库不同季节的三期水质检测数据，时间分别是2017年11月8日，2018年5月14日，2018年9月20日，共45组数据.每个水质采样点在水库水面下在每个水质采集点位，在水库水面下0.5～0.9 m之间并距水底不小于0.5 m处设置一取样点，采集容量在500 mL左右(不小于250 mL).粘贴标签(水样编码、日期、时间、经纬度、pH值等相关信息)，并在24 h内进行实验室分析得到总磷、总氮、叶绿素a等指数.监测及分析方法分别按照《湖泊生态系统观测方法》和《水和废水监测分析方法》进行.

1.3 影像数据的获取与处理

Sentinel-2遥感数据可以通过Sentinel数据分发平台(https:∥scihub.copernicus.eu)免费获取.本次研究选择与野外采样时间准同步的三景Sentinel-2B数据用于模型构建和验证，日期分别是2017年11月5日，2018年5月14日和2018年8月12日.另外，为了研究总磷含量的时空分布特征，再下载四期数据，日期分别是2017年12月25日、2018年3月10日、2018年4月9日、2018年6月8日.Sentinel-2卫星数据波段设置如表1所示.

表1 Sentinel-2卫星数据遥感波段

Sentinel-2卫星提供的数据产品为Lever-1C，它是经过辐射校正和几何校正的大气上层表观反射率，每幅Level-1C产品由一景100 km2的正射影像(UTM/WGS84)构成，影像的地图坐标经过数字高程模型(DEM)进行纠正，包括陆地、水、云掩模等数据.Sentinel-2 MSI传感器大气校正采用的是SNAP内置大气校正模块sen2cor，它采用的是基于影像的半经验大气校正方法，故用此模块算法进行大气校正时无需提供气象参数，大气校正所需的信息可以通过内置的查找表内插获取,通过数据处理得到Lever-1A级别数据[10].

对遥感数据进行预处理后，获得与水质采样点相对应的DN值数据，然后将总磷与DN值数据进行回归分析[11]，求出公式中的待定参数，得出总磷的反演模型.利用反演模型求得不同季节总磷含量分布图，然后在GIS软件中创建10 m×10 m的网格，属性关联总磷含量，获取每个网格中心点的总磷含量值，得出总磷在不同月份的平均含量，然后在SPSS统计分析软件中与不同气象因子数据进行相关性分析.

1.4 气象数据获取与处理

本研究所需气象数据是贵阳市气象日数据，包含主要天气指标： 平均风速、平均风向、平均温度、相对湿度、降雨量.数据来源自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，数据时间范围是从2017年10月1日至2018年9月30日.将贵阳市气象日数据在Excel中进行求平均值处理，得到主要天气指标的月平均值.

2 结果与分析

2.1 反演模型构建

本研究采用准同步Sentinel影像及同步实测总磷含量值对阿哈水库水体总磷含量进行反演.研究过程中，根据实验室水质测试的3次实验误差，将不符合质控标准的11个样本数据剔除，根据有效的34个样本的空间位置，将相近的两个样点数据选择其中一个作为验证样本.由此抽取24个样本进行模型构建，10个样本进行模型的验证，建立基于Sentinel遥感影像的经验回归模型，然后估算阿哈水库水体总磷含量的时空变化[12].

本研究采用平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,εMAP)和均方根误差(Root Mean Square Error,εRMS)检验总磷含量反演模型准确性，公式如下：

(1)

(2)

根据国内外学者关于总磷的遥感反演研究，在遥感影像中，水体中的TP含量(ρ(TP))与红光、绿光、蓝光等可见光波段波段关系密切，本研究参考Wu等的研究[14]，并根据文献[14]公式(6)中Landsat8蓝绿红3个波段的组合关系，找出与Sentinel-2B卫星中的相对应的波段，然后对24个样品数据进行回归分析，分析得出遥感反演模型.最后，对反演模型进行εMAP和εRMS检验，得到理想效果的线性回归方程.反演模型具体公式如式(3)所示：

(3)

式中：X=(band4/band3)-(band2/band4)+band2，band2表示光谱中的蓝色波段，band3表示光谱中的绿色波段，band4表示光谱中的红色波段；R2为决定系数.

由模型回归分析可以得出(表2)，以上回归方程决定系数R2达到0.89，表明总磷含量与(band4/band3)-(band2/band4)+band2的波段组合显著相关；通过预测值与实测值的误差分析可知，εRMS为0.010 8 mg/L,εMAP为28.80%(图2(b)).因此表明反演模型预测总磷含量的效果较为理想.

图2 (a) 模型拟合曲线、(b) 实测值与预测值的相关性Fig.2 (a) Model fitting curve、(b) Correlation between measured and predictive values

2.2 总磷含量时空分布特征

为了探究阿哈湖国家湿地公园中阿哈水库在不同季节的总磷含量空间分布状况，本文根据水库总磷遥感反演模型，从2017—2018年卫星遥感数据中筛选6期遥感数据对水库总磷含量进行反演，并制作总磷含量空间分布图.

如图3所示，在不同季节中，水库水体总磷含量与总磷的空间分布存在着显著差异： 水库与河流交汇的东北和南部的河流入库口区域含量比其他区域较高.金钟河和白岩河入湖的北部区域和蔡冲河入库区域的东南区域的总磷含量较高，水库中心区域总磷含量较低.

图3 总磷含量在秋季(a)、冬季(b)、春季(c)(d)(e)和夏季(f)的分布Fig.3 Distribution of total phosphorus concentration in autumn(a), winter(b), spring(c)(d)(e), and summer(f)

由表2可知，在秋冬季节，阿哈水库总磷含量平均值分别是0.013 mg/L和0.020 mg/L，最大值低于0.06 mg/L.空间分布上自水库东北部向南部逐渐降低，西北部的沙河入库口和东北部水域含量最高，水库中心总磷含量最低.春季阿哈水库进入多雨季节，支流入湖河流加大，易携带富含磷元素的物质进入水库，此时水库中总磷含量显著提升，3—5月的总磷含量最大值分别是0.061 mg/L，0.076 mg/L、0.093 mg/L；在空间分布上，与秋冬季节呈现明显差异，3月水库东南部烂泥沟河入库区域总磷含量较高，4月水库大部分区域总磷含量均较高，水库大坝出水口区域含量较小，5月水库总磷含量都较高，相较于3月、4月总磷含量显著提升，最大值为0.093 mg/L.6月，总磷含量最大值为0.091 mg/L，空间分布上，水库西北部区域沙河入库区总磷含量明显高于其他区域，可能是因为5月下旬为了迎接降雨高峰，水库开闸放水，导致水库大部分区域水域总磷含量较低.

表2 不同季节总磷含量的均值与最大值

2.3 总磷含量影响因素分析

(1) 气象因素.水文气象因子对水体理化指标有直接或间接的影响[15].由上文分析可以得到，阿哈水库总磷含量在春夏季节比秋冬季节显著增高，为了研究此种变化的原因，本研究对总磷含量与平均降水量和平均温度建立进行相关性分析，从气象角度探讨总磷含量变化的原因.

本文选取2017—2018年中的6个月份中的5个气象因子分别与模型反演的总磷含量结果进行相关性分析，具体气象因子包括： 平均风速、平均风向、平均温度、相对湿度、降雨量.经分析所得(如图4所示)，阿哈水库总磷含量与平均降水量和平均温度之间具有显著的正相关性，随着降水量与温度的逐渐升高，总磷含量也逐渐提升.平均风速、平均风向、相对湿度等3个气象因子与总磷含量没有明显相关性.此外，温度对阿哈水库总磷含量的相关性要高于平均降水量与总磷含量的相关性，可以推断出，温度是总磷含量升高的主要影响因素.

图4 总磷含量与平均降水量和平均温度的相关性分析图Fig.4 Correlation analysis of total phosphorus concentration with average precipitation and average temperature

(2) 土地利用因素.快速城市化进程带来的土地利用的变化对水体富营养化水平具有一定影响，农业生产过程中使用的化肥、农药以及农村排放的生活污水以及城市生产生活产生的废水等均会对水库水体中的总磷增加起到较大影响[16].贵阳阿哈湖国家湿地公园自2015年正式建立以来，公园在合理利用区持续建设，土地利用方式发生较大变化，公园范围内存在旱地耕田以及农村聚落，这些土地利用方式的存在与变化对水库水质产生直接影响.根据阿哈湖国家湿地公园土地利用的相关研究可知[17]，阿哈水库东南部区域主要是旱地为主的耕地，东北部区域自1998年至2017年建设用地面积显著增加，阿哈水库周边土地利用的空间格局和类型变化，白岩河、金钟河和蔡冲河会将流经区域的农业和城市生产产生的污水带到阿哈水库，导致水库水体总磷含量总体上是南部和东北部含量较高.

3 结论与建议

本文在阿哈湖国家湿地公园的主体阿哈水库的3期实测总磷含量数据基础上，基于遥感技术和数理统计基本理论，结合Sentinel-2卫星的遥感数据，建立阿哈水库的总磷反演模型，分析了不同季节总磷含量的空间分布总体情况，并探讨了总磷含量与气象因子之间的相关性.研究结果表明：

1) 基于Sentinel-2卫星的总磷反演模型其决定系数在0.8以上，相对误差在30%以内，取得了较为理想的总磷含量反演效果.

2) 在不同季节中，水库水体总磷含量与总磷的空间分布存在着显著差异： 水库与河流交汇的东北和南部的河流入库口区域含量比其他区域较高.秋冬季节，水库东北部与沙河入库口出含量较高，水库中心含量较低；春季3—5月，随着月份增加，总磷含量从东南部烂泥沟河入库区域含量较高发展为水库大部分区域内含量均较高；夏季，由于五月份水库开闸放水的原因，水库西北部区域总磷含量明显高于其他区域.

3) 温度、降水和土地利用变化对总磷含量具有一定影响.随着降水量与温度的逐渐升高，总磷含量也逐渐升高.此外，阿哈湖国家湿地公园的建设与发展以及周边城镇用地的影响，主要入库河流将水库周边的农业和建设用地产生的污水带入阿哈水库，也会导致总磷含量的增加.

本文研究主要是采用实测水质与Sentinel卫星基于统计学原理的模型构建，其中由于研究区常年多雨少晴，对遥感监测产生很大影响，导致满足研究需求、可利用的遥感数据相对较少，因此本文根据遥感数据的可获性，选择了6期数据.对于不同季节的总磷含量反演研究，尤其是夏季，还有待进一步探讨和验证.在反演模型分析选择上，经验方法比较简单而且实用，但是具有区域局限性，可移植性差，在以后的研究中选取半经验的方法进行研究，与经验方法进行对比，得到更加精确的模型.此外，公园管理方应该采用何种策略降低甚至消除土地利用方式变化带来的水体水质富营养化压力，接下来还需要对这些方面的内容进一步深入研究与探讨.