基于GF-1 WFV影像的渾河懸浮物濃度和濁度遙感反演研究

許 鵬, 杜 萍, 申 茜, 徐智邦

(1. 蘭州交通大學 測繪與地理信息學院, 蘭州 730070; 2. 甘肅省地理國情監測工程實驗室, 蘭州 730070; 3. 中國科學院遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室, 北京 100094)

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基于GF-1 WFV影像的渾河懸浮物濃度和濁度遙感反演研究

許 鵬1,2, 杜 萍1,2, 申 茜3, 徐智邦1,2

(1. 蘭州交通大學 測繪與地理信息學院, 蘭州 730070; 2. 甘肅省地理國情監測工程實驗室, 蘭州 730070; 3. 中國科學院遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室, 北京 100094)

綜合利用高分一號(GF-1)衛星WFV影像和地面同步水質實測數據,以沈陽渾河為實驗區,分別建立懸浮物濃度和濁度反演經驗模型。經驗證分析GF-1WFV數據可有效反映渾河懸浮物濃度和濁度,且反演精度較好,結果均符合常規水質監測規律。同時基于濁度數據模擬的懸浮物濃度也具有較高的精度,擬合度達到0.68,可為今后簡化渾河懸浮物濃度反演流程提供經驗。將反演模型應用于GF-1衛星WFV數據,得到2016年9月渾河懸浮物濃度和濁度分布圖,反映了渾河流域懸浮物濃度和濁度的空間變化規律。對GF-1衛星WFV數據和Thermo便攜式濁度計綜合運用進行中小尺度河流水質遙感監測有一定的參考價值。

GF-1; 懸浮物濃度; 濁度; 渾河

0 引 言

渾河位于沈陽市東南部,自東向西流貫遼寧省全境,干流全長415.4 km,流域面積12 216.4 km2,流域內年平均降水量686.4 mm,年均徑流量為28.5億m3[1]。渾河是沈陽市重要的水源地,其流域是遼寧省重要的農牧業生產基地,對渾河水質的監測一直都是國家水質監測的重點。常規的水質監測方法簡單,包括人工采樣結合實驗室檢測、自動站點監測等,但無法同步獲得整個區域的水質信息且人力成本巨大。遙感水質監測具有監測范圍廣、速度快、成本低,便于長期動態監測等優勢[2-4],因此,利用遙感手段對渾河進行水體要素反演及空間分布研究具有較大的應用價值和現實意義。懸浮物濃度和濁度是水質評價的重要指標[5-6],對水質監測及治理具有重要意義,因此,本研究選取這2種水體指標來進行渾河水質的反演。

高分一號衛星(GF-1)是中國航天科技集團公司于2013年4月26日發射的一顆高分辨率對地觀測衛星,搭載了2臺分辨率為2 m的全色相機和8 m的多光譜相機,以及4臺16 m分辨率的多光譜寬幅相機[7]。以往的水環境遙感監測研究區主要集中在太湖、巢湖、杭州灣等大型湖泊及南方近海,利用GF-1數據對北方水體及分布流域較長的河流區域懸浮物濃度和濁度的研究分析很少[8-10]。本研究利用測定的水質參數數據與GF-1衛星的WFV多光譜數據進行相關反演,得到沈陽境內渾河流域懸浮物濃度和濁度空間分布,并對渾河濁度數據模擬懸浮物濃度進行探究。相關性比較結果表明,將高分一號影像用于北方地區中小尺度河流水質遙感監測是可行的。

1 數據的獲取與預處理

1.1 樣品采集與處理

2016年9月19日10∶00—12∶00時GF-1衛星過境前后,對渾河流域水體進行樣品采集,采樣點分布如圖1所示。采樣點按照河流下游至上游依次編號,每個采樣點采集水樣1 L,置于清洗過的乙烯瓶中,放入帶有冰塊的保溫箱內保存。

圖1 研究區與實測樣點分布Fig.1 Location and distribution map of HunheRiver,China

懸浮物含量目前主要的測量方法是稱重法[3]。研究方法利用改進的海洋懸浮物濃度測量法對采集的樣品進行測量,主要步驟包括:1)利用純水清洗直徑47 mm、孔徑0.7 μm(Whatman GF/F)玻璃纖維濾膜并用定性濾紙吸干水分;2)將濾膜放入上下鋪有鋁箔的坩堝上,置入馬弗爐中,550 ℃煅燒4 h;3)待溫度降至150 ℃時,取出濾膜放入干燥皿冷卻至室溫后,用精度為0.000 1 g的電子天平依次對濾膜稱重;4)濾膜依次順序放入用純水清洗過的過濾器,選擇合適體積水樣進行過濾;5)將過濾后的濾紙放入鼓風干燥箱中,設置105 ℃烘干6 h;6)烘干后的濾膜放入干燥皿冷卻至室溫后對濾膜依次稱重;7)計算平行樣和樣本懸浮物質量,誤差小于10%后取均值。

樣品的濁度是通過將搖晃均勻的水樣放入定標后的Thermo濁度計進行測量得到的。測定濁度時,水樣一定要輕緩搖晃,避免氣泡影響濁度測定的準確度。

1.2 遙感數據預處理

研究數據選取2016年9月19日上午11時12分過境,側擺角-11.64度的GF-1衛星WFV2多光譜遙感影像數據,影像獲取當日天氣狀況良好,通過衛星影像可以清楚觀測到沈陽城區渾河水體試驗區。

利用GF-1衛星WFV數據反演渾河水體懸浮物濃度和濁度,需要對衛星影像進行預處理,主要步驟包括區域裁剪、幾何精校正、輻射定標和大氣校正等。幾何精校正采用一副已經經過精校正的沈陽地區GF-1影像,在ENVI5.3軟件中進行校正,采用三次卷積內插法,總誤差控制在1個像元內;輻射定標采用2016年中國資源衛星應用中心網站獲取的絕對輻射定標系數對影像進行定標;大氣校正使用ENVI5.3軟件的FLAASH輻射傳輸模型對輻射定標后的GF-1 WFV影像進行大氣校正,并得到校正后的反射率數據。

2 遙感信息模型建立

2.1 懸浮物濃度遙感信息模型的建立

水體的反射主要集中在藍綠光波段,其他波段吸收較強,但當水體中含有其他物質時,會改變反射光譜曲線。當懸浮物增多時,水體由暗變亮,同時會發生"紅移"現象,即反射峰向長波長方向移動[10]。

懸浮物濃度反演精度檢驗主要是利用各波段的比值建立遙感因子與懸浮物濃度之間的關系,求解模型的擬合系數和反演值與實測值之間的誤差,作為其模型檢驗的依據。首先對渾河實驗區實測懸浮物濃度值與波段像元組合值進行分析。

本文實驗模擬得到如下懸浮物濃度遙感信息模型:

表1 懸浮物經驗估算模型

式中:y為懸浮物濃度(mg/L);b1、b2、b3和b4分別為GF-1 WFV數據藍、綠、紅、近紅外波段的反射率。

經分析,以藍、綠、紅波段為自變量的方程擬合度較高,其中紅波段擬合懸浮物相關系數較高,已有的理論研究成果也驗證了該分析的合理性與科學性[11]。因而,基于b3波段構建渾河水體懸浮物濃度定量反演模型為y=4 940.5x+0.017 9。

由懸浮物實測數據檢驗實驗模型得,基于b3波段的遙感反射率模型反演的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度的擬合度達到0.53,說明基于反演模型的懸浮物濃度與實測數據間已有較好的精度,其反演結果基本符合人工實測懸浮物濃度。

2.2 濁度遙感信息模型的建立

在近紅外和可見光波段范圍內,水體濁度增加,光譜反射率增加,水體濁度等級和光譜反射率在紅光波段呈線性相關的關系[12]。通過對GF-1WFV數據的4個波段反射率與水體的渾濁程度進行相關性分析后,發現以藍、綠、紅波段為自變量的方程擬合度較高。

本文實驗模擬得到如下濁度遙感信息模型:

表2 濁度經驗估算模型

式中:y為濁度,單位:NTU;b1、b2、b3和b4分別為GF-1 WFV數據藍、綠、紅、近紅外波段的反射率。

由此可見,單波段紅光的反射率與濁度關系密切,是反演濁度的關鍵波段。因而,基于b3波段構建的渾河水體濁度定量反演模型為y=43 510x1.475。

由濁度實測數據檢驗實驗模型得,基于b3波段的遙感反射率模型反演的濁度與實測濁度相關性擬合度達到0.63,說明基于反演模型的濁度與實測數據已有較好的精度,其反演結果基本符合人工實測濁度。同時其濁度反演精度高于懸浮物濃度反演,經預測可能是由于濁度數據測量過程中受人為干擾較少,誤差較小。

2.3 濁度數據模擬懸浮物濃度模型的建立

圖2 濁度估測懸浮物與實測懸浮物比較散點圖Fig.2 Turbidity estimate suspended matter compared with the measured suspended matter scatter plot

濁度是指水中懸浮物對光線透過時發生的阻礙程度,其含義是指懸浮物所引起的光散射使透過的光束變暗。已有研究表明,當懸浮物濃度較低時,散射光強度和懸浮物濃度近似成比例[13]。由于水體濁度測量方便快速,其所具有的光譜特征也可以被傳感器所探測。因此,在需要及時了解水體懸浮物濃度時,可用濁度數據快速模擬懸浮物濃度。

將實驗室測的懸浮物濃度和濁度數據進行線性分析,發現2組數據具有很好的線性相關性,模擬模型為y=3.919 3x0.616 1。由圖2顯示了基于濁度數據模擬懸浮物濃度和實測懸浮物濃度的對比,模型擬合效果較好,其相關性顯著,相關性系數達到0.68。

3 渾河懸浮物濃度和濁度的空間分析

利用ENVI5.3軟件,將波段運算構建的懸浮物濃度和濁度模型應用于2016年9月19日的GF-1影像中,得到渾河水體懸浮物和濁度空間分布圖。

由圖3可知,2016年9月,渾河上游的懸浮物濃度較高,其他水域懸浮物濃度較上游略低。沈陽境內渾河流域懸浮物濃度不高,整體低于其他大型湖泊水質[3,7-9]。從實測統計結果來看,渾河上游懸浮物濃度最大值為17.2mg/L,最小值為11mg/L,平均值14.69mg/L;渾河下游的懸浮物濃度最大值為13.8mg/L,最小6mg/L,平均值為10.07mg/L。同時經反演統計得到上游懸浮物濃度最大值14.64mg/L,最小值為13.02mg/L,平均值13.85mg/L;下游懸浮物濃度最大值為13.55mg/L,最小8.34mg/L,平均值為10.58mg/L,反演懸浮物濃度結果穩定且符合實測數據規律。同時分析得,渾河上游懸浮物濃度偏高主要是因為夏季上游山區泥沙沖入河中引起的懸浮物濃度增大,下游地區由于有攔河壩的影響使水流速度變緩,水體泥沙沉淀,造成懸浮物濃度減小,郊區零星懸浮物濃度異常增高經推測可能是由于攔河壩造成郊區水量變小,水位下降,局部窄河流造成河岸陸地光譜干擾造成的。

圖3 2016年9月19日渾河水體懸浮物濃度空間分布圖

圖4 2016年9月19日渾河水體濁度空間分布圖

由圖4可知,2016年9月渾河上游濁度較高,其余水域濁度較低,且反演結果整體平穩。從實測統計結果來看,上游濁度最大值為10.355 NTU,最小值為5.095 NTU,平均值8.1289 NTU;下游的濁度最大值7.515 NTU,最小2.605 NTU,平均值為4.814 6 NTU。同時經反演統計得到上游濁度最大值8.101 NTU,最小值為6.816 NTU,平均值7.470 2 NTU;下游的濁度最大值為7.232 NTU,最小3.527 NTU,平均值為4.938 8 NTU。反演的濁度分布合理,與實測數據較為吻合。

從基于濁度模擬的懸浮物濃度統計結果來看,上游懸浮物濃度最大值為16.311 7 mg/L,最小值為10.688 mg/L,平均值14.134 3 mg/L;下游懸浮物濃度最大值為13.579 0 mg/L,最小7.069 5 mg/L,平均值為10.198 mg/L。經統計分析得模擬懸浮物濃度與實測懸浮物濃度單位點平均絕對誤差為1.59 mg/L,模擬結果與該河段現場實測數據情況吻合,基本符合上述懸浮物濃度空間分布,說明渾河濁度數據模擬懸浮物濃度已達到較高精度,其模擬結果在渾河水質快速監測、空間分布研究等方面具有較大的應用潛力。

4 結 語

本文選取典型北方內陸水體渾河為研究區,利用GF-1衛星準同步WFV多光譜數據和實測渾河水體懸浮物和濁度數據進行模型估算反演,結果表明:1)渾河水體懸浮物和濁度與GF-1 WFV數據的紅、綠、藍波段相關性高,且濁度模型的相關性高于懸浮物模型相關性,但二者模型均可以基本反映渾河水體懸浮物濃度和濁度分布情況;2)將建立的遙感模型應用于2016年9月渾河水體,從空間分布看,渾河上游懸浮物濃度和濁度高于下游懸浮物濃度和濁度,但整體數值較其他大型湖泊偏低,說明沈陽境內渾河水質狀況整體較好;3)基于濁度信息模擬的懸浮物濃度與實測懸浮物濃度擬合度達到0.68,可為今后渾河簡化懸浮物反演流程提供直接經驗。4)研究證明GF-1 WFV數據可以用于中小尺度河流水質參數的遙感研究,其結果可以補充渾河水質常規監測的不足,可為今后渾河水質遙感反演監測提供參考。

本研究也有不足之處,因渾河水質懸浮物濃度和濁度整體偏低,在最后選擇波段時只重點研究了單波段紅光波段,但由經驗總結得基于復合波段的反演精度將更高;由于渾河水質數據缺乏,本研究沒有對渾河水質進行懸浮物濃度、濁度長時間長序列動態研究。這些都是以后有待進一步研究的方向。

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Research on remote sensing inversion mode of suspended matter density and turbidity based on GF-1 WFV image data in Hunhe River

XU Peng1,2, DU Ping1,2, SHEN Qian3, XU Zhibang1,2

(1. Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China; 3. Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China)

The experimental models of the suspended solidsconcentration and turbidity inversion are based on the GF-1 WFV satellite images and the actual synchronous data from the Shenyang Hunheriver. The GF-1 WFV data effectively reflect the suspended solids concentration and turbidity in the Hunheriver well with better precision in the simulation with the fitting degree of 0.68. This result can simplify Hunhe river suspended solids concentration inversion process. The model to GF-1 WFV data given by the distribution diagram of Hunheriversuspended solids concentration and turbidity in September in 2016 reflects the spatial change law of suspended solids concentration and turbidity. This study offers a valuable example for remote monitoring of river water quality by GF-1 WFV and Thermo portable turbidimeter.

GF-1;suspended solids concentration;turbidity;Hunheriver

1673-5862(2017)02-0180-05

2016-12-01。

國家自然科學基金資助項目(41571361)。

許 鵬(1991-),男,陜西漢中人,蘭州交通大學碩士研究生; 通信作者: 杜 萍(1976-),女,四川營山人,蘭州交通大學副教授,博士。

X87

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.011