基于高分影像遥感的城市黑臭水体提取研究

吴 阳 易 达 李逢清

(昆明理工大学津桥学院，云南 昆明 650101)

我国水资源由于污废水排放口直排、降水携带污染负荷、生物体污染、城镇污水厂尾水超标等原因造成水体及其周边生态环境污染严重，特别是城市的部分水体已成为黑臭水体。城市黑臭水体是百姓反应强烈的水环境问题，不仅损害了城市人居环境，也严重影响城市形象,水资源保护和水污染治理成为现代社会最关注的问题之一，城市黑臭水体的治理与保护更是重中之重。在对城市黑臭水体治理与保护之前，黑臭水体的识别与提取是基础与关键[1-3]。《城市黑臭水体整治工作指南》中对于城市黑臭水体给出了明确定义：一是明确范围为城市建成区内的水体；二是从“黑”和“臭”两个方面界定，即呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体，以百姓的感观判断为主要依据。黑臭水体的传统判断方法主要为开展水质检测，通过人工采集水样、实验室化验分析得到数据进行分析研判，遥感技术具有高效快速的优点，有效地弥补了传统调查方法的不足。因此，利用遥感技术对城市黑臭水体进行提取研究具有一定的研究价值，能够为城市黑臭水体的治理提供理论支撑。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

本次研究区域为江苏省苏州市相城区，研究区总面积为489.96km2，其中水域面积占总面积的40%左右，常住人口98.8万、户籍人口47.2万，境内共有湖泊10个，大小河流1101条。

1.2 遥感数据源及其预处理

1.2.1 遥感数据源

本次实验使用的遥感影像来自国产高分系列卫星的高分1号(GF-1)。影像共5个波段，包括1个全色波段和4个多光谱波段，其中GF-1 PMS相机全色波段的空间分辨率为2m，其余多波段的空间分辨率为8m，通过遥感影像的融合处理，可以获得该区域的2m真彩影像。具体参数见表1。

表1 GF-1波谱范围

1.2.2 遥感影像预处理

遥感影像预处理是城市黑水反演的第一步，主要包括辐射定标、大气校正、正射校正等操作步骤，具体的操作流程见图1。

图1 数据与处理技术路线

a.辐射定标：使用绝对定标系数将卫星图像DN值转换为辐亮度图像，在 Radiometric Calibration面板中，将自动选择符合 FLAASH大气校正要求的参数。

b.FLLAASH大气校正:对于已经完成辐射定标的数据需进行FLLAASH大气校正。在大气校正过程中成像中心点经纬度FLAASH自动从影像中获取；传感器高度(Sensor Altitude)设置为645km；像元大小(pixel Size)设置为8m；成像区域平均高度(Ground Elevation)可以通过统计DEM数据获取或忽略。校正结果见图2。

图2 FLLAASH大气校正结果

c.正射校正:对于完成大气校正的影像需进一步进行正射校正，正射校正所需的DEM数据选择高分1号(GF-1)数据自带的30m分辨率的DEM数据。

d.影像融合：由于本次使用的影像共5个波段，其中GF-1 PMS相机全色波段的空间分辨率为2m、其余多波段的空间分辨率为8m，为了提升影像的整体分辨率，本次实验通过遥感影像的融合处理，可以获得该区域的2m真彩影像。影像融合的方法较多，本次实验选择最为常用的Gram-Schmidt方法对遥感影像进行处理。

2 水体指标反演

2.1 水体指标反演模型

本次水体指标反演模型选择的水体指标主要包括叶绿素浓度(CChl_a)、总悬浮物浓度(CTSS)、透明度(Zsd)[4-5]。水体指标参数反演一般需要结合实测数据进行建模，在缺少卫星过境时实测数据的情况下，可采用以下经验模型[6-8]：

a.叶绿素浓度(CChl_a)反演模型：

式中:b3和b4分别为图像经过辐射校正和大气校正后的第3波段和第4波段图像像元DN值。

b.悬浮物浓度(CTSS)的反演模型:

式中：b2和b3分别为图像经过辐射校正和大气校正后的第2波段和第3波段图像像元DN值。

c.透明度(Zsd)的反演模型:

式中：Zsd为透明度，cm。

随后统计像元值的分布，利用(b1 ge a)a+(b1 lt a)b1对3个反演结果去除异DN值大于a的异常值。

2.2 黑臭水体判别

本次实验的黑臭水体判别基于叶绿素a和透明度的营养状态指数来间接评估水体的黑臭程度[9-10]，其估算模型为

TLIchl_a=25+10.86lnCchl_a

式中：TLIchl_a为叶绿素a营养状态指数；TLIsd为透明度营养状态指数。

利用ENVI归一化扩展工具Raster Normalization，对TLIchl_a和TLIsd进行归一化处理。结合多个水体的TLImax值域范围分析，采用自然断裂点法设定水体黑臭程度阈值。TLImax<0.64表示水体无黑臭；0.64≤TLImax≤0.72表示水体轻度黑臭；TLImax>0.72表示水体重度黑臭。

2.3 水体指标反演流程(ENVI)

2.3.1 水体提取

水体提取采用NDWI归一化水体指数，见图3。对NDWI图像进行阈值分割，识别水体覆盖范围，通常将NDWI阈值设定为0，大于0为水体，小于0为非水体，对于个别提取效果不理想的区域，根据目视提取效果，确定最终水体的阈值，提取效果见图4。

图3 苏州市相城区城市水体提取效果

图4 苏州市相城区城市黑臭水体提取效果

归一化水体指数公式为

式中：p(Green)为绿波段；p(NIR)为近红外波段。

波段运算表达式为

式中：float为浮点解；b2和b4分别为图像经过辐射校正和大气校正后的第2波段和第4波段图像像元DN值。

2.3.2 水体指标反演

按照确定的3种水体指标反演模型的计算公式进行波段运算，计算出叶绿素浓度(CChl_a)、悬浮物浓度(CTSS)和透明度(Zsd)3个指标，然后根据黑臭水体判别条件计算黑臭水体指数。黑臭水体指数波段，0值为正常水体区域，1值为黑臭水体。

2.4 水体指标归一化

为直观地表示多期数据间的变化，需要对反演结果进行归一化处理，使所有DN值范围统一到0～1之间，见图5。归一化的原理为

图5 归一化处理效果

式中：DN为原始像元值；DNmin、DNmax分别为波段的最小值、最大值。

3 实验结果验证与分析

3.1 实验结果验证

为了验证本次实验对于城市黑臭水体的提取效果，2020年1月，对研究区域内提取的黑臭水体进行了实地勘察调研。GF-1卫星影像彩红外合成显示时，可看出水体区域有一定的光谱反射。通过实地验证，实际情况与上述实验结果一致。

3.2 实验结果统计分析

对苏州市相城区的城市黑臭水体矢量数据进行提取与统计，统计结果见图6。

图6 苏州市相城区黑臭水体统计结果

由图6可知，苏州市相城区城市黑臭水体有88个，其中城市黑臭水体水域面积最小的为1195m2，最大的为105729m2，平均水域面积为11084m2，黑臭水体水域总面积为975457m2。

苏州市相城区境内共有湖泊10个，大小河流1101条，水域面积约为196km2。相城区黑臭水体数量占总河流数量的8.0%，黑臭水体水域面积仅占相城区总水域面积的0.5%。

4 结 语

本次实验以国产高分系列卫星的高分1号(GF-1)遥感影像为数据源，采用定量遥感的技术手段，通过建立水体指标反演模型，对苏州市相城区的城市黑臭水体进行了提取。结果表明，苏州市相城区城市黑臭水体共有88个，占相城区总河流数量的8.0%；相城区黑臭水体总水域面积为0.975km2，仅占总水域面积的0.5%。在苏州市相城区城市黑臭水体提取研究过程中发现，河流两岸的植被对于黑臭水体反演影响较大，为了提高黑臭水体的提取精度，城市水体矢量数据提取尤为重要，提取时应尽量精准。高分1号(GF-1)影像数据光谱分辨率较低，后期研究可以尝试利用高光谱影像进行进一步的研究。(云南省高校自然资源空间信息集成与应用科技创新团队)