基于Landsat8數(shù)據(jù)的巢湖懸浮物濃度分析

陳婉佳，何政偉，高孝杰，滕 靖

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；

2.國土資源部 國土資源信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

基于Landsat8數(shù)據(jù)的巢湖懸浮物濃度分析

陳婉佳1,2，何政偉1,2，高孝杰1，滕 靖1,2

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；

2.國土資源部 國土資源信息技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

利用4景Landsat8數(shù)據(jù)，以巢湖為研究對象，獲得2013-05-12巢湖懸浮物的質(zhì)量濃度特征。利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云對遙感帶來的干擾。通過MNDWI指數(shù)提取水體信息，對深藍(lán)波段與藍(lán)光波段進(jìn)行歸一化指數(shù)計(jì)算，然后進(jìn)行密度分割得到懸浮物濃度分級圖，分析其空間變化。

Landsat8；巢湖；懸浮物濃度；空間變化

1 研究區(qū)概況

巢湖位于安徽省中部，是中國五大淡水湖之一。它資源豐富，氣候溫和，在農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。然而，80年代以來,受生態(tài)環(huán)境惡化影響，上游水土流失，將大量土壤帶入湖內(nèi)，加之周圍城市污染物的注入, 使得懸浮物濃度含量高，水質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞[1]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

美國于2013-02-11發(fā)射的Landsat8衛(wèi)星攜帶兩個(gè)主要載荷：陸地成像儀OLI和熱紅外傳感器TIRS。與Landsat7的ETM+相比，OLI /TIRS有很大改進(jìn)[2,3]。本文采用的Landsat8影像獲取時(shí)間為2013-04-12，下載于USGS網(wǎng)站。

2.2 數(shù)據(jù)處理

影像為UTM/WGS84 投影/坐標(biāo)系，處理格式為Level 1T，即已進(jìn)行基于地形的幾何校正。其處理均利用ENVI5.1軟件進(jìn)行，主要包括：

1）輻射定標(biāo)和大氣校正。輻射定標(biāo)將DN值轉(zhuǎn)化為表觀大氣反射率[4]。大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對地物反射的影像，本文對Landsat8的多光譜波段進(jìn)行FLASSH大氣校正。校正時(shí)輸入OLI卷云波段。由于該波段光譜范圍位于強(qiáng)烈的水汽吸收帶，大部分地面反射的電磁波信息無法穿過大氣層，所以卷云波段的信息量很低[2]。它可有效剔除強(qiáng)烈反射太陽輻射的卷云對遙感帶來的干擾，消除云、太陽耀斑等影響。

2）水體信息提取。考慮到巢湖的湖岸線有水泥道路、裸露的基巖以及植被覆蓋，本文采用徐涵秋提出的改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)MNDWI來提取水體[5]。其表達(dá)式為：

其中，Green和MIR分別為綠光波段和中紅外波段，對應(yīng)于Landsat8的3和6波段。

需要指出的是，巢湖內(nèi)部有小島存在，需要繪制矢量圖層進(jìn)行掩膜。對提取出的水體計(jì)算其均值，統(tǒng)計(jì)如表1，其反射光譜曲線如圖1。

表1 不同時(shí)間影像水體的均值

3）波段選擇。清水的反射率隨著波長的升高而降低，而含懸浮物水體的反射率則會(huì)呈現(xiàn)先升高后降低[2]。由圖1可見，水體均值的反射光譜曲線從OLI 1到OLI 4先升高后下降，可知懸浮物濃度較高。徐涵秋提出將1、2波段進(jìn)行減法運(yùn)算以增強(qiáng)圖像，突出懸浮物濃度差[2]。這樣做雖然能夠反映懸浮物的濃度含量，但在沒有實(shí)測資料的情況下，用差值影像的灰度值來直接代替懸浮物的濃度含量稍欠科學(xué)性。在本文中，選取第1、2波段，通過計(jì)算懸浮物濃度歸一化指數(shù)NDSI，將灰度值的絕對值轉(zhuǎn)換為相對值，便于歸納懸浮物信息的統(tǒng)計(jì)分布性。其公式如下：

式中， B2為藍(lán)光波段；B1為深藍(lán)波段。

圖1 4個(gè)時(shí)間水體的反射光譜曲線

3 結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)NDSI指數(shù)值。為避免噪聲影響，用線性拉伸的方法去除直方圖兩端各0.5%的數(shù)據(jù)，使大部分的懸浮物信息得到增強(qiáng)。為了能夠進(jìn)行統(tǒng)一的閾值劃分，進(jìn)行以下運(yùn)算使得范圍固定在0～1之間：

式中，x為NDSI指數(shù)值；max、min分別為其最大值、最小值。

計(jì) 算 得 到2013-05-12的Y值 范 圍 依 次為：0.008 204～0.049 909；0.024 102～0.052 424；0.013 648～0.057 217；0.018 782～0.049 179。對運(yùn)算后的影像進(jìn)行密度分割處理，影像越紅的地方，濃度差越大。將水中懸浮物信息從低到高分為5級：0～0.2為低；0.2～0.4為較低；0.4～0.6為中；0.6～0.8為較高；＞0.8為高。得到4個(gè)時(shí)間懸浮物濃度的分級圖（圖2），統(tǒng)計(jì)每個(gè)級別的信息（表2），從而顯示2013年度巢湖懸浮物濃度的時(shí)空變化。

表2 不同時(shí)相懸浮物濃度信息統(tǒng)計(jì)

圖2 4個(gè)時(shí)間懸浮物濃度分級圖

由表2可見，4個(gè)時(shí)間段懸浮物中等以下濃度的面積在增加，中等濃度的面積在減少，而較高及高濃度的面積呈現(xiàn)先增加后減少。如圖2，2013-05-14的分級圖上，高濃度區(qū)域集中在西半湖北部、西南部邊緣、湖心島四周以及東半湖東緣；而2013-08-18的高濃度區(qū)域明顯增多，散布于巢湖北、西、東邊緣；2013-10-21高濃度區(qū)域范圍明顯下降；2013-12-24高及較高濃度范圍有上升趨勢。

巢湖周圍共有大小入湖河流 33 條，在西半湖北部的匯流湖灣區(qū)域，所分布的3 條重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受來自合肥市的地表徑流水體，受到了嚴(yán)重污染[6,7]。而東半湖北部為巢湖市，隨著城市化進(jìn)程加快以及土地利用類型變化，造成陸上泥沙被帶入湖中。同時(shí)，人類活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬污染物，在西半湖北部3個(gè)重污染河道的遷移、匯集下，堆積在距河口700 m 以上的湖灣低洼區(qū)，導(dǎo)致該處濃度相對較高[8]。

巢湖在長江、淮河兩大河流之間，屬亞熱帶和暖溫帶過渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季降水較多。巢湖市與肥西縣交界處，夏季多暴雨，影響湖內(nèi)底泥而產(chǎn)生攪動(dòng)，增加了懸浮物濃度。在夏季汛期，長江水位高于巢湖，也使得湖水不能下泄長江，濃度從而增加。一到夏季，巢湖藍(lán)藻開始大量繁殖，受微生物影響，懸浮物的濃度也明顯增強(qiáng)。不同的季節(jié)，巢湖上方盛行的風(fēng)向不同，加上湖體自身的水流方向也不一致，綜合導(dǎo)致了懸浮物濃度空間分布具有季節(jié)性。

4 結(jié) 語

本文利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云對遙感帶來的干擾；利用MNDWI指數(shù)對巢湖水體進(jìn)行提取；通過Landsat8深藍(lán)和藍(lán)光波段計(jì)算懸浮物濃度歸一化指數(shù)，可較好反映水體懸浮物分布；利用密度分割，分級后可直觀定量地反映懸浮物濃度在時(shí)間和空間分布上的變化。

研究結(jié)果顯示，巢湖懸浮物分布有以下特點(diǎn)：① 受降雨和風(fēng)力的影響，懸浮物濃度具有季節(jié)性特征，表現(xiàn)為春夏懸浮物濃度高于秋冬；②北部入湖口懸浮物濃度較高；③西半湖懸浮物濃度總體高于東半湖，北部高于南部；④西半湖的北部位于合肥市南部，東半湖的東北部位于巢湖西部，均受城市氣候和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響，懸浮物濃度總體較高；⑤在西半湖的湖灣低洼處，懸浮物濃度整體較周圍區(qū)域高。

[1] 管義國,王心源,吉文帥,等. 巢湖水體懸浮物的遙感分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2007(5):38-43

[2] 徐涵秋,唐菲. 新一代Landsat系列衛(wèi)星:Landsat 8遙感影像新增特征及其生態(tài)環(huán)境意義[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(11):3 249-3 257

[3] 李旭文,牛志春,姜晟,等. Landsat8衛(wèi)星OLI遙感影像在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2013,5(6):1-5

[4] 韋玉春,湯國安,楊昕,等. 遙感數(shù)字圖像處理教程[M].北京:科學(xué)出版社,2011

[5] 徐涵秋. 利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI) 提取水體信息的研究[J].遙感學(xué)報(bào), 2005, 9(5) : 589-595

[6] 徐康,劉付程,安宗勝,等. 巢湖表層沉積物中磷賦存形態(tài)的時(shí)空變化[J].環(huán)境科學(xué), 2011,32(11):3 255-3 263

[7] 劉成,邵世光,范成新,等. 巢湖重污染匯流灣區(qū)沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(4):1 031-1 037

[8] 余輝,余建平. 洪澤湖表層沉積物重金屬分布特征及其風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].環(huán)境科學(xué), 2011,32(2):437-444

圖2 系統(tǒng)功能界面（審圖號：SN(2013)074號）

3 結(jié) 語

根據(jù)當(dāng)前監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)模式，分析了GIS應(yīng)用在監(jiān)管系統(tǒng)中的局限性，并以山東測量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管信息系統(tǒng)為例，基于公共服務(wù)平臺(tái)，重點(diǎn)研究分布式共享、工作流、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了測量標(biāo)志巡查信息未能及時(shí)更新同步、申請審核流程運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下、分級管理存在的數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)等問題，促進(jìn)了測量標(biāo)志管理的規(guī)范化、巡查的信息化、服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化、信息更新的準(zhǔn)實(shí)時(shí)化，從而保證了測量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳劍峰，曾云甫. 分布式GIS 關(guān)鍵技術(shù)淺析[J].測繪通報(bào)，2011(9):70-73

[2] 梁乾宇.分布式共享技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010

[3] 周樂欽.數(shù)據(jù)交換平臺(tái)中消息中間件的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2013

[4] 李文菲.基于中間件技術(shù)的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2006

[5] 張毓鯤.支持面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（SOA）的中間件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) [D]. 上海：華東師范大學(xué)，2006

[6] 陶坤旺.工作流技術(shù)在政府地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].北京：中國測繪科學(xué)研究院，2006

[7] 李玉琳，曲筱筱，張穎.山東省測量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東國土資源.2014,30(5):72-74

[8] 史世龍.基于分布式的海洋數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009

[9] 王正海，張紅軍.WebGIS實(shí)現(xiàn)技術(shù)及關(guān)鍵問題研究[J].軟件導(dǎo)刊，2006(7):30-32

作者簡介：葉曉卿，碩士，研究方向?yàn)镚IS開發(fā)與應(yīng)用。

P237.9

B

1672-4623（2015）03-0101-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.036

陳婉佳，碩士，主要從事測繪、遙感地質(zhì)與地理信息系統(tǒng)工作。

2014-07-17。

項(xiàng)目來源：教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20095122110003）。