珠海一號高光譜衛(wèi)星在內(nèi)陸湖泊監(jiān)測中的應(yīng)用

文|洪韜 珠海歐比特宇航科技股份有限公司

一、引言

湖泊是地球上最重要的淡水資源之一，是人類生產(chǎn)、生活的重要來源。同時農(nóng)業(yè)化、工業(yè)化和城市化等人類活動方式也影響著內(nèi)陸湖泊環(huán)境。如今湖泊水面縮減、湖泊污染和富營養(yǎng)化等問題日益嚴重，加強對湖泊水質(zhì)的監(jiān)測和管理刻不容緩。衛(wèi)星遙感具有快速、廣泛、周期性、一次成像、成本相對低廉等特點，在內(nèi)陸湖泊監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。除了能及時反映湖泊水域和湖泊水質(zhì)的變化以外，還能發(fā)現(xiàn)常規(guī)方法無法揭示的污染源及污染物遷移的空間特征。20世紀80年代初光學(xué)遙感開始從多光譜掃描成像階段進入高光譜遙感，傳統(tǒng)多光譜遙感只能接收個別波段的地物反射信息，而高光譜遙感數(shù)據(jù)能夠捕捉內(nèi)陸水體精細的光譜特征。對湖泊水體(或小面積水體)水質(zhì)(污染)監(jiān)測而言，在選擇衛(wèi)星傳感器時，如果不能同時滿足高時間分辨率、高空間分辨率和高光譜分辨率的要求，首先要考慮的是時間分辨率，其次是空間分辨率，然后才是光譜分辨率。

2018年4月26日，4顆珠海一號高光譜衛(wèi)星成功發(fā)射升空，國內(nèi)首次實現(xiàn)多顆高光譜衛(wèi)星組網(wǎng)，開啟了商業(yè)航天定量遙感的新時代。每顆珠海一號高光譜衛(wèi)星的空間分辨率為10m，幅寬為150km，信噪比優(yōu)于300，光譜范圍為400～1000nm，具有32個波段，光譜分辨率為2.5nm，4顆珠海一號高光譜衛(wèi)星組網(wǎng)的重訪周期為2天。珠海一號高光譜衛(wèi)星具有的高空間分辨率（10m）、高光譜分辨率（2.5nm，32個波段）、高時間分辨率（2天），非常符合內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測的需求，因為監(jiān)測小型的水庫和河流需要高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，反演光學(xué)特性復(fù)雜多變的內(nèi)陸水體的水質(zhì)參數(shù)需要高光譜分辨率，捕捉水體污染的快速變化需要高時間分辨率。珠海一號高光譜衛(wèi)星在內(nèi)陸水體遙感監(jiān)測中具有較大潛力。

二、內(nèi)陸湖泊監(jiān)測應(yīng)用

1.湖泊水質(zhì)監(jiān)測實例

對湖南省洞庭湖2018年9月28日珠海一號高光譜衛(wèi)星影像進行葉綠素a濃度反演，結(jié)果如圖1所示，相關(guān)分析如下。

圖1 OHS數(shù)據(jù)反演的葉綠素a濃度空間分布

地面高光譜建模方法是在研究區(qū)上取采樣點，利用高光譜儀獲取采樣點上的水體反射光譜值和各水質(zhì)參數(shù)值，建立水質(zhì)參數(shù)值與水體反射光譜之間的定量模型。一旦模型建立，以后就只需獲取采樣點的水體反射光譜值，將這些反射光譜值輸入得出的定量模型就可得到各水質(zhì)參數(shù)值，無需實測，就可達到對湖泊監(jiān)測的目的。利用地物光譜儀ASD測量研究區(qū)域水體的反射率，結(jié)合同步采樣的水樣水質(zhì)參數(shù)濃度進行回歸分析，選擇估算水環(huán)境指標(biāo)的最佳波段或波段組合，然后選用合適的數(shù)學(xué)方法建立遙感數(shù)據(jù)和水環(huán)境指標(biāo)間的定量經(jīng)驗性算法。通過建立珠海一號高光譜衛(wèi)星的反射率值與實測的葉綠素a數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，從而對洞庭湖的葉綠素a濃度分布情況進行有效的反演。700nm左右的反射率和670nm左右的反射率比值已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于估算高生物量水體中的葉綠素濃度，葉綠素濃度和700nm/670nm比值相關(guān)性很高的原因是基于浮游植物的后向散射和水的強吸收之間的相互作用，兩者都向紅外線增加。

葉綠素是藻類重要的組成成分之一，存在于所有的藻類中,而且所有的藻類都含有葉綠素a，水體葉綠素a起著中心傳遞體的作用，其濃度多少是表征光能自養(yǎng)生物量的重要指標(biāo)。葉綠素a含量的高低與該水體藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)，也與水環(huán)境質(zhì)量有關(guān)，是水體理化性質(zhì)動態(tài)變化的綜合反映指標(biāo)，為水生生態(tài)系統(tǒng)測定中必選項目之一。

2.湖泊富營養(yǎng)化評價實例

對湖南省洞庭湖2018年9月28日珠海一號高光譜衛(wèi)星影像進行水體營養(yǎng)狀態(tài)評價，結(jié)果如圖2所示，相關(guān)分析如下。

圖2 OHS數(shù)據(jù)水體富營養(yǎng)化評價結(jié)果

采用國家環(huán)境保護部環(huán)境監(jiān)測總站頒布的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定(總站生字[2001]090)》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（Trophic Level Index,TLI）來計算湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和分級。根據(jù)富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)，采用0-100的數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分成5級: 貧營養(yǎng)( 0,30 )，中營養(yǎng)[30,50]，輕度富營養(yǎng)( 50,60]，中度富營養(yǎng)( 60,70]，重度富營養(yǎng)( 70,100 )。湖泊(水庫)富營養(yǎng)化狀態(tài)評價的指標(biāo)為葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。其中Chla濃度是衡量水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化的基本指標(biāo)，所以被當(dāng)作基準(zhǔn)富營養(yǎng)化狀態(tài)評價參數(shù)。

從圖2可以看出，洞庭湖富營養(yǎng)化情況較嚴重的地區(qū)主要集中在大小西湖、東洞庭湖的西部。這些地區(qū)水流交換相對緩慢，湖水中的泥沙含量較低，湖水透明度較大，水循環(huán)周期較長，TP、TN等營養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)大導(dǎo)致營養(yǎng)程度高。而在廣大外湖區(qū)域總體處于輕營養(yǎng)、中營養(yǎng)階段。因為外湖屬于過水性湖泊，年徑流量大，水體擾動力大，湖水泥沙含量高，流速較快，水循環(huán)周期短，TP、TN等營養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)小，營養(yǎng)物質(zhì)來不及被藻類所充分利用即被水流帶走。同時，高含量的泥沙阻礙水體藻類的光合作用，從而抑制了富營養(yǎng)的發(fā)生發(fā)展。大通湖是洞庭湖面積最大的內(nèi)湖，也是湖南省最大的內(nèi)陸?zhàn)B殖湖泊，其水體基本處于富營養(yǎng)狀態(tài)，以中度、重度富營養(yǎng)為主，可能是由于長期集約化養(yǎng)殖，導(dǎo)致總氮、總磷含量增加有關(guān)。

3.水華水草識別

對江蘇省太湖2018年8月23日珠海一號高光譜衛(wèi)星影像進行水華和水草分布提取，結(jié)果如圖3所示，相關(guān)分析如下。

基于高光譜數(shù)據(jù)提取水華和水草，首先要確定可以區(qū)分水華、水草和普通水體的合適的光譜指數(shù)。由于水體在近紅外有強烈的吸收，而水華和水草都屬于植物，在近紅外是高反射平臺，所以利用近紅外與紅光波段的反射率比值或歸一化比值能夠區(qū)分普通水體、水華與水草。我國長江中下游淺水湖泊水華主要是由藍藻形成的，藍藻中含有藻藍蛋白色素，藻藍蛋白色素在630nm左右存在反射谷，在655nm左右存在反射峰。水草中不含藻藍蛋白，因此可以利用這個反射峰和反射谷構(gòu)建光譜指數(shù)來區(qū)分水華和水草。計算葉綠素a光譜指數(shù)（CSI）藻藍蛋白基線（PBL），其中CSI的兩個波段分別選用珠海一號高光譜影像的17、14波段，中心波長分別為716 nm、670nm，PBL的3個波段分別為波段6、11、13，中心波長分別為550 nm、626 nm、656nm。

使用基于葉綠素a光譜指數(shù)CSI和藻藍蛋白基線PBL的水華、水草高光譜遙感識別模型對太湖水域進行遙感反演，從反演的結(jié)果來看，水草主要分布于貢湖灣、東部沿岸區(qū)和西部沿巖區(qū)，水華主要分布于竺山灣和梅梁灣。分析太湖往年的水華水草分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，水草通常位于太湖東部湖區(qū)，水華通常位于西部和北部湖區(qū)，水草分布區(qū)域一般不易發(fā)生水華。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果與太湖水華水草分布規(guī)律一致。

圖3 OHS數(shù)據(jù)水華水草識別結(jié)果

三、結(jié)束語

利用選取的珠海一號高光譜衛(wèi)星影像，對湖南省洞庭湖、江蘇省太湖進行了應(yīng)用評價，結(jié)果表明：珠海一號高光譜衛(wèi)星空間分辨率為10m、幅寬為150km能夠很好地滿足內(nèi)陸湖泊監(jiān)測對尺度上的需求，其時間分辨率和光譜分辨率（2.5nm，32個波段）能夠滿足內(nèi)陸湖泊監(jiān)測對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求。歐比特公司計劃后續(xù)再發(fā)射6顆珠海一號高光譜衛(wèi)星，完成10顆珠海一號高光譜衛(wèi)星組網(wǎng)，屆時對同一地區(qū)可以實現(xiàn)更高的重訪周期觀測。

使用珠海一號高光譜數(shù)據(jù)實施水環(huán)境監(jiān)測，主要是對影像數(shù)據(jù)進行處理和運算，得到可以反映水質(zhì)狀況的遙感特征參數(shù)，通過構(gòu)建反演模型或利用空間分析方法，提取水體目標(biāo)中的各項水質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)水環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，綜合多種水質(zhì)參數(shù)對監(jiān)測水體的富營養(yǎng)化程度、污染程度、水質(zhì)類別等做出判別。珠海一號高光譜衛(wèi)星憑借其高光譜分辨率、高空間分辨率、大覆蓋范圍和高時間分辨率的優(yōu)勢，在時間和空間上為我國內(nèi)陸湖泊監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持，為管理者提供一定的決策依據(jù)，同時為內(nèi)陸湖泊的水體生態(tài)環(huán)境保護提供重要的理論基礎(chǔ)。