基于湖北省12個中小型湖泊的水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范

張 媛，張 琍，陳 楠，黃 丹，望志方

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072 2.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022 3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079

基于湖北省12個中小型湖泊的水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范

張 媛1，張 琍2，3，陳 楠1，黃 丹1，望志方1

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072 2.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022 3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079

以《湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)》為數(shù)據(jù)處理平臺，對2012—2014年湖北省大東湖水網(wǎng)、梁子湖水系和湯遜湖水系共計12個湖泊的水質(zhì)類別以及營養(yǎng)狀態(tài)級別進行遙感監(jiān)測，并對比實測數(shù)據(jù)進行精度評價。結(jié)果表明：遙感監(jiān)測的梁子湖、豹澥湖和嚴西湖水質(zhì)相對較好，楊春湖、北湖和南湖水質(zhì)相對較差且富營養(yǎng)化狀況較為嚴重。該系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)對水質(zhì)優(yōu)良達標湖泊以及富營養(yǎng)化湖泊的識別。對示范區(qū)域各湖泊水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別的遙感監(jiān)測，基本上能滿足業(yè)務(wù)化運行的需求。個別湖泊遙感監(jiān)測精度較低，主要表現(xiàn)為遙感監(jiān)測的湖泊水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別均要優(yōu)于實測的結(jié)果。系統(tǒng)對于面積相對較大的湖泊遙感監(jiān)測精度更高。

湖北；湖泊；水環(huán)境；遙感

近年來，湖泊水體污染和富營養(yǎng)化問題越來越嚴重，對人們的日常生活和身體健康造成很大影響，因此快捷準確地監(jiān)測湖泊水質(zhì)十分必要。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測方法耗時耗力，難以實現(xiàn)湖泊水質(zhì)長時間連續(xù)觀測，且監(jiān)測的結(jié)果只能反映局部點范圍內(nèi)的污染情況，不能反映大區(qū)域的污染信息[1]。遙感具有大范圍、多時相和快速監(jiān)測的優(yōu)勢，利用遙感技術(shù)監(jiān)測水質(zhì)可以快速、及時地提供整個湖泊的水質(zhì)狀況，不僅能提高監(jiān)測效率并降低監(jiān)測成本，還可以反映常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物遷移特征[2]，因此國內(nèi)外許多學(xué)者在水質(zhì)遙感監(jiān)測方面進行了大量研究[3-8],并開展了一系列集監(jiān)測與管理為一體的水質(zhì)遙感監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研究工作[9-11]。

隨著湖泊資源開發(fā)利用的加劇，湖北省湖泊數(shù)量銳減，面積持續(xù)萎縮，“千湖之省”已不再是擁有湖泊最多的省份[12]。據(jù)統(tǒng)計，2012年湖北省現(xiàn)存湖泊面積約為2 706 km2,只有20世紀50年代的31.7%；面積大于1 km2以上的湖泊為231個，比20世紀50年代的679個減少了一大半[13]。此外，湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀也不容樂觀，根據(jù)2013年湖北省環(huán)境保護廳對《湖北省首批湖泊保護名錄》中98個城中湖泊及82個水面面積大于5 km2的重點湖泊水域(共180個)的水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果，水質(zhì)劣于Ⅲ類的湖泊平均比例分別為94%和60%，總體為中度污染；富營養(yǎng)化的湖泊平均比例為72%[14]。

“湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)”以環(huán)境一號衛(wèi)星(HJ-1A/1B)CCD影像為主要數(shù)據(jù)源，以湖北省大東湖水網(wǎng)、梁子湖水系和湯遜湖水系共計12個湖泊為示范區(qū)域，結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)連續(xù)動態(tài)地監(jiān)測湖泊水環(huán)境質(zhì)量，探索對湖北省湖泊水質(zhì)更有效的監(jiān)測和管理方式[15]。本文主要對“湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)”的遙感監(jiān)測結(jié)果進行精度評價，從而為下一步優(yōu)化系統(tǒng)提供改進建議，進一步挖掘系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)介紹

“湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)”由3個子系統(tǒng)構(gòu)成：遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，水環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，水環(huán)境遙感可視化子系統(tǒng)。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)負責完成具體的監(jiān)測工作，其主要功能模塊如圖1所示。由于原始影像不能直接用于水質(zhì)參數(shù)反演，需要先進行地理坐標校準和輻射定標等處理，從而生成表達地物反射率和亮度溫度的中間產(chǎn)品，因此水環(huán)境遙感監(jiān)測的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能包括輻射定標、幾何校正、大氣校正、投影變換、湖區(qū)提取等。水環(huán)境監(jiān)測功能主要包括水環(huán)境指標提取和水環(huán)境評價。本系統(tǒng)提供了2種水環(huán)境指標提取方法，分別是模型法和分割法。模型法是基于水環(huán)境指標實測數(shù)據(jù)與相關(guān)波段光譜數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合得到的反演模型，通過波段間的組合運算，反演得到湖區(qū)12個單項水環(huán)境指標，包括五日生化需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、汞、揮發(fā)酚、鉛、溶解氧、石油類、透明度、葉綠素a、總氮、總磷。分割法是從圖像處理和空間分析的角度進行水環(huán)境指標反演，通過對遙感影像進行預(yù)處理，并選擇與監(jiān)測指標相關(guān)程度高的波段組合構(gòu)造新的特征影像，采用均值漂移算法對特征影像進行對象分割，針對分割后形成的圖斑，進行反距離加權(quán)內(nèi)插，得到整個湖區(qū)的12個單項水環(huán)境指標。

水環(huán)境評價主要是根據(jù)環(huán)境保護部公布的水環(huán)境狀況評價標準，對遙感反演獲得的12個單項水環(huán)境指標進行分級評價，包括富營養(yǎng)化程度分級、水質(zhì)分級和水污染程度分級。水質(zhì)現(xiàn)狀類別評價采用單因子水質(zhì)評價方法，評價標準執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838—2002)》。湖泊富營養(yǎng)化評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，評價標準執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號)。

2 應(yīng)用示范

2.1 示范區(qū)域

以武漢城市圈大東湖水網(wǎng)、梁子湖水系、湯遜湖水系共計12個湖泊為示范區(qū)域來進行湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范。大東湖水網(wǎng)是長江中游最大的城市湖泊水系，以東湖為中心，主要由東湖、沙湖、楊春湖、北湖、嚴西湖和嚴東湖等6個湖泊組成，面積分別約為33、3、0.1、3、13、7 km2；梁子湖水系主要包括梁子湖、豹澥湖、鴨兒湖和保安湖，面積分別約為335、20、8、44 km2，其中梁子湖是湖北省第二大淡水湖；湯遜湖水系主要包括湯遜湖和南湖，面積分別約為45 km2和8 km2。示范區(qū)域各湖泊如圖2所示。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

下載示范區(qū)域各湖泊清晰無云的HJ-1A/1B CCD遙感影像每月各一景，每月監(jiān)測1次，全年共監(jiān)測12次。首先在系統(tǒng)中實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、輻射定標、幾何校正、大氣校正、投影變換、水域提取等預(yù)處理。然后采用基于實測數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合建立的反演模型，反演得到12個單項水環(huán)境指標的分級圖，并在這些單項指標分級圖的基礎(chǔ)上進行綜合評價，最終形成遙感監(jiān)測水質(zhì)分級專題圖和營養(yǎng)狀態(tài)級別專題圖，圖3所示分別為梁子湖水系2013年8月水質(zhì)分級專題圖和營養(yǎng)狀態(tài)級別專題圖。

注：底圖源自中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站(http://218.247.138. 121/DSSPlatform/index.html)下載的HJ-1A CCD2遙感影像 (HJ1A-CCD2-457-80-20130809-L20001034709)，影像分辨率30 m， 成像時間2013年8月9日。下同。圖2 湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范區(qū)域Fig.2 Demonstration area of water environment remote sensing monitoring

圖3 2013年8月梁子湖水系遙感監(jiān)測水質(zhì)分級專題圖和營養(yǎng)狀態(tài)級別專題圖Fig.3 Thematic map of water quality classification and nutritional status level monitored by remote sensing of Liangzi lake system in August, 2013

對2012—2014年示范區(qū)域各湖泊進行水質(zhì)遙感監(jiān)測，每月監(jiān)測1次，共監(jiān)測36次。遙感監(jiān)測結(jié)果表明：梁子湖水系各湖泊水質(zhì)相對較好，其中梁子湖、豹澥湖主要為II類水質(zhì)，保安湖、鴨兒湖主要為III類水質(zhì)；除保安湖為輕度富營養(yǎng)化外，梁子湖水系各湖泊均未見明顯富營養(yǎng)化現(xiàn)象，其中梁子湖以中營養(yǎng)化為主，鴨兒湖和豹澥湖以貧營養(yǎng)化為主。

大東湖水網(wǎng)各湖泊出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，其中沙湖、東湖、嚴東湖以輕度富營養(yǎng)化為主；楊春湖和北湖以中度富營養(yǎng)化為主；嚴西湖以中營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)化為主。大東湖水網(wǎng)各湖泊水質(zhì)狀況參差不齊，其中沙湖和嚴西湖以II類水體為主，嚴東湖以III類水體為主，東湖以IV、V類水體為主，楊春和北湖以V類水體為主。

湯遜湖水系中，南湖全湖為劣V類水體，營養(yǎng)狀態(tài)級別為中度富營養(yǎng)化；湯遜湖以III類水體為主，營養(yǎng)狀態(tài)級別主要為輕度富營養(yǎng)化。

遙感監(jiān)測的梁子湖、豹澥湖和嚴西湖水質(zhì)相對較好；楊春湖、北湖和南湖遙感監(jiān)測水質(zhì)相對較差，且富營養(yǎng)化狀況較為嚴重。

對比2012—2014年的監(jiān)測結(jié)果表明，對示范區(qū)域各湖泊采用遙感方法監(jiān)測的水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別年際間差異不大。對各湖泊水質(zhì)類別及營養(yǎng)狀態(tài)級別進行季節(jié)性變化分析，梁子湖、保安湖、東湖和湯遜湖等面積相對較大的湖泊，出現(xiàn)了略微的季節(jié)性變化，表現(xiàn)為第二、三季度水質(zhì)相對較差、營養(yǎng)狀態(tài)級別相對嚴重，其余湖泊水質(zhì)類別以及營養(yǎng)狀態(tài)級別無明顯季節(jié)性變化。

2.3 精度評價

示范區(qū)域各湖泊中，梁子湖有國控監(jiān)測點位，保安湖、沙湖、東湖、南湖和湯遜湖有省控監(jiān)測點位，每月都會公布實測水質(zhì)類別以及營養(yǎng)狀態(tài)級別數(shù)據(jù)。由于當前社會關(guān)注的是水質(zhì)類別以及營養(yǎng)狀態(tài)級別，各單項指標值均是用于評價水質(zhì)類別以及營養(yǎng)狀態(tài)級別，單項指標只要未超標，具體值都不是關(guān)注的重點。因此，以環(huán)境保護部門公布的上述湖泊2012—2014年實測水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別為基礎(chǔ)，對遙感監(jiān)測的結(jié)果進行精度評價，結(jié)果見表1。

表1 湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測精度評價

從表1可以看出：①2012—2014年，梁子湖各月遙感監(jiān)測水質(zhì)類別主要以II類為主，營養(yǎng)狀態(tài)級別為中營養(yǎng)化，與實測結(jié)果一致，監(jiān)測精度均為100%。沙湖遙感監(jiān)測水質(zhì)類別為II類，優(yōu)于實測的劣V類水體；遙感監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)級別為輕度富營養(yǎng)化，優(yōu)于實測的中度和重度富營養(yǎng)化，因此遙感監(jiān)測的水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別精度較低。②2012—2014年，南湖各月遙感監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)級別均為中度富營養(yǎng)化，而實測營養(yǎng)狀態(tài)級別以重度富營養(yǎng)化為主，部分月份為中度富營養(yǎng)化。因此，南湖營養(yǎng)狀態(tài)級別遙感監(jiān)測精度不高。③2012年和2013年，保安湖各月遙感監(jiān)測水質(zhì)類別均為III類，要優(yōu)于部分月份實測的IV、V類水體；2012—2014年，湯遜湖各月遙感監(jiān)測水質(zhì)類別主要為III類，而實測水質(zhì)類別以IV、V類為主。因此，保安湖和湯遜湖遙感監(jiān)測水質(zhì)類別精度較低。

有研究表明，遙感方法對貧營養(yǎng)和腐蝕化的湖泊不適用[16], HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD遙感影像在葉綠素含量較高的中小型湖泊水環(huán)境遙感監(jiān)測中的應(yīng)用潛力還需要進一步挖掘[17]，對于小型內(nèi)陸湖泊水體的遙感監(jiān)測，需要時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率更高的傳感器[16-18]。而實測數(shù)據(jù)表明：沙湖為劣V類水體，保安湖和湯遜湖以IV、V類水體為主；沙湖和南湖營養(yǎng)狀態(tài)級別為中度和重度富營養(yǎng)化，因此，遙感監(jiān)測水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別精度相對較低。

綜上所述，系統(tǒng)對示范區(qū)域各湖泊水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別的遙感監(jiān)測，基本上能滿足業(yè)務(wù)化運行的需求。部分區(qū)域遙感監(jiān)測精度較低，主要表現(xiàn)為遙感監(jiān)測的湖泊水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別均要優(yōu)于實測結(jié)果。系統(tǒng)對于面積較大的湖泊的遙感監(jiān)測精度更高。如果將II類水質(zhì)歸為水質(zhì)優(yōu)良級別，III、IV類水質(zhì)歸為一般，V、劣V類水質(zhì)認為極差，將輕度富營養(yǎng)化、中度富營養(yǎng)化和重度富營養(yǎng)化之間的分類統(tǒng)一歸為富營養(yǎng)化，對梁子湖、保安湖、東湖、南湖和湯遜湖遙感監(jiān)測結(jié)果重新進行精度評價(沙湖不納入精度評價范圍)，則2012—2014年共計180個監(jiān)測頻次中，遙感監(jiān)測水質(zhì)類別總體精度為91.67%，營養(yǎng)狀態(tài)級別分類精度約為95.6%。若將沙湖也納入精度評價范圍，則在2012—2014年共計216個監(jiān)測頻次中，水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別遙感監(jiān)測精度分別為82.6%和97.7%，遙感監(jiān)測精度較高。因此，該系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)對水質(zhì)優(yōu)良達標湖泊以及富營養(yǎng)化湖泊的識別。

3 結(jié)論

基于湖北省12個中小型湖泊，以《湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)》為數(shù)據(jù)處理平臺，進行湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范，并對監(jiān)測結(jié)果進行精度評估。總體上來看，遙感監(jiān)測水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)級別精度較高，但也存在部分湖泊精度不理想的情況。因此，在后續(xù)工作中，要繼續(xù)對系統(tǒng)進行改進：嘗試用更高時間、空間和光譜分辨率的遙感影像來進行反演；)季節(jié)分水域建立模型，發(fā)展一種可以考慮季節(jié)和空間變化的遙感水質(zhì)模型；加強實測光譜與同步點位的水質(zhì)參數(shù)測量，建立普適性更強的反演模型

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Application Demonstration of Water Environment Remote Sensing Monitoring for Small to Medium-sized Lakes in Hubei Province

ZHANG Yuan1, ZHANG Li2, 3, CHEN Nan1, HUANG Dan1, WANG Zhifang1

1.Hubei Environment Monitoring Center, Wuhan 430072, China 2.Key Laboratory of Lake Poyang Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China 3.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan 430079, China

Based on the platform of water environment remote sensing monitoring demonstration system in Hubei Province, the water quality level and eutrophication level of Big East Lake water system, Liangzi Lake water system, and Shang Xunhu water system were monitored in 2012-2014, with the technique of space-ground monitor system, and the results monitored by remote sensing were evaluated with the measured results. Results showed that: Water quality of Liangzi Lake, Baoxie Lake, and Yanxi Lake was relatively well, and it had a poor water quality and a bad nutritional status for Yangchun Lake, North Lake and South Lake. There was little annual variation and seasonal variation of water quality and nutritional status level in each lake. The system has high recognition accuracy for lakes with good water quality, or with eutrophication phenomenon. And it can basically meet the demand of operational monitoring for the results of water quality category and nutritional status level monitored by remote sensing. Individual lake had a low monitoring accuracy, which was mainly because of the water quality category and nutrition status levels monitored by remote sensing was superior to that obtained through measuring. It has a higher accuracy of remote sensing monitoring for lakes with larger area.

Hubei; lakes; water environment; remote sensing

2015-09-21；

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(41331174)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(20161BAB213074)

張 媛(1988-)，女，湖北孝感人，碩士，助理工程師。

望志方

X87

A

1002-6002(2017)01- 0131- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.20