基于高分衛(wèi)星的遼寧省城市黑臭水體遙感監(jiān)測

張永紅

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護科技中心，遼寧 沈陽 110161）

引言

城市黑臭水體是指城市建成區(qū)內，呈現(xiàn)令人不悅的顏色和（或）散發(fā)令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱[1]。黑臭水體破壞了城市的生態(tài)和人居環(huán)境，對城市形象也會造成一定的負面影響。國務院2015年印發(fā)的《水污染防治行動計劃》明確提出到2030年要總體上消除城市建成區(qū)內的黑臭水體，城市黑臭水體治理工作已經成為地方各級政府環(huán)境保護工作的重要內容。

摸清黑臭水體的底數(shù)是進行相關治理的基礎，黑臭水體具有分布范圍分散、水體面積一般較小、部分黑臭水體會隨季節(jié)變化等特征，利用傳統(tǒng)方式調查難度較大。目前遼寧省城市黑臭水體的監(jiān)測和排查主要采取人工現(xiàn)場監(jiān)測調查為主，缺乏時空上的連續(xù)性，要對城市范圍內的黑臭水體進行全覆蓋調查，工作量大、費時費力、效率較低，亟需采取新的技術手段，以提高工作效率。遙感技術具有監(jiān)測成本低、覆蓋范圍廣、排查速度快等諸多優(yōu)勢，便于進行長期動態(tài)監(jiān)測，在環(huán)境保護領域應用廣泛，在黑臭水體的排查工作中具有極大的應用潛力。

近十幾年來，我國國產高分辨衛(wèi)星遙感的研究和應用發(fā)展較快，發(fā)射了多顆衛(wèi)星，搭載不同類型的荷載，能夠穩(wěn)定獲取遙感數(shù)據(jù)，相應的處理技術和分發(fā)渠道也逐漸完善，各省都成立了省級高分中心和相應的行業(yè)分中心來負責高分遙感數(shù)據(jù)的推廣并組織相關技術交流。利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行城市水環(huán)境遙感監(jiān)測的研究和應用也日益增多，城市黑臭水體的遙感識別與提取已經成為目前水環(huán)境遙感的研究熱點。

1 黑臭水體遙感識別研究現(xiàn)狀

由于黑臭水體和一般正常水體在顏色、氣味和所含物質等多個方面存在差異，因此其光譜特征也具有一定差異。研究表明，通過分析黑臭水體與正常水體在相關波段光譜的差異并進行對比，從可見光到近紅外波段可能導致兩者產生差異的指標入手，通過構建差值、比值等不同的黑臭水體遙感識別模型，再經實地調查，確定相應的閾值，可以實現(xiàn)對黑臭水體范圍的提取。

國內學者利用遙感方法對黑臭水體的識別進行了研究，提出一些模型和方法，在南京、太原、沈陽等地的城市區(qū)域范圍內進行了應用，取得了一定效果。申茜等[2]總結了黑臭水體遙感監(jiān)測亟需解決的問題，為城市黑臭水體的整治提供了技術支持；姚月等[3]分析了一般水體與黑臭水體的光譜特征，提出了一種基于反射率光譜指數(shù)BOI（Black and Odorous water Index）的黑臭水體識別模型，利用高分二號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對沈陽市的黑臭水體進行了識別研究；溫爽等[4]根據(jù)黑臭水體遙感反射率和光譜斜率與其他正常水體之間的區(qū)別，利用GF-2 PMS影像分別構建了多種遙感識別模型，對南京市黑臭水體進行了識別。

本文利用國產高分系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對遼寧省十六個縣級市建成區(qū)范圍內的黑臭水體進行了識別和提取。

2 研究區(qū)域

遼寧省十六個縣級市（新民市、瓦房店市、莊河市、海城市、東港市、鳳城市、凌海市、北鎮(zhèn)市、大石橋市、蓋州市、燈塔市、調兵山市、開原市、凌源市、北票市、興城市）市區(qū)建成區(qū)范圍，不包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3 遙感數(shù)據(jù)的選取和處理

城市黑臭水體一般情況下分布較為分散，面積比較小，對其進行遙感識別和監(jiān)測要求采用的遙感影像空間分辨率要比較高，我國目前已構建了資源、環(huán)境、高分等對地觀測系統(tǒng)，其中高分系列衛(wèi)星發(fā)展較快，影像數(shù)據(jù)空間分辨率高，適合進行城市黑臭水體的遙感識別。

我國于2010年啟動實施高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項以來，已發(fā)射了高分1號到高分14號共十幾顆衛(wèi)星，搭載多種遙感傳感器，應用領域涵蓋了光學、雷達、立體測繪、大氣監(jiān)測等多個應用場景。高分衛(wèi)星發(fā)射時間及類型見表1。

目前數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定供應且應用比較廣泛的普通光學遙感衛(wèi)星為高分一號、高分二號和高分六號衛(wèi)星，其中高分二號衛(wèi)星空間分辨率為全色0.8米，多光譜3.2米；高分一號和六號為全色2米，多光譜8米。本文在進行城市黑臭水體遙感識別時，主要選用高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，高分一號和高分六號作為補充。

4 黑臭水體遙感識別流程

4.1 技術流程

本文采用圖1所示技術流程進行遼寧省16個縣級市建成區(qū)范圍內的黑臭水體遙感識別。

圖1 黑臭水體遙感識別技術路線

4.2 遙感影像的預處理

本文按照以下標準選取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，共獲取2022年4月到10月高分衛(wèi)星影像54景。（1）優(yōu)先選擇國產GF2影像，無GF2數(shù)據(jù)時，依次選取GF1和GF6等衛(wèi)星影像。（2）影像沒有壞行、缺帶、條帶、斑點噪聲和耀斑，盡量保證云量少（優(yōu)先采用晴空影像，總云量不超過10%）。（3）影像頭文件齊全，包括影像拍攝時間、傳感器類型、太陽高度角、太陽輻照度、中心點經緯度等。

對所選取的衛(wèi)星影像進行輻射校正、幾何校正和大氣校正等相關預處理工作。

4.2.1 輻射定標

衛(wèi)星遙感影像的輻射定標是將影像的原始DN值轉換為大氣外層表面反射率，本文利用絕對輻射定標公式和中國資源衛(wèi)星應用中心官網公布的定標參數(shù)進行輻射定標，具體計算公式如式（1）：進行批量系統(tǒng)性正射校正，由于高分二號數(shù)據(jù)的模型數(shù)據(jù)并不是很準確，經系統(tǒng)校正后的影像精度難以滿足工作要求，因此再選用一定數(shù)量的地面控制點對系統(tǒng)處理后的遙感影像進行校正，控制點從經過幾何校正的已有衛(wèi)星影像上選取。

式中

L（λ）——λ波段的輻射亮度值

DN（λ）——λ波段的像元DN值

Gain（λ）——λ波段的增益值

Offset（λ）——λ波段的偏移值

本文采用ENVI軟件RadiometricCalibration工具進行衛(wèi)星影像的輻射定標。

4.2.2 大氣校正

大氣校正的目的是將輻射亮度或表面反射率轉換為地表實際反射率，常用的大氣校正模型有6S模型、LOWTRAN、ATCOR模型和FLAASH模型等，本文采用ENVI軟件大氣校正模塊中的FlAASH模型進行高分影像的大氣校正。

4.2.3 幾何校正

本文利用IDL語言調用ENVI軟件的相關函數(shù)編制自動處理程序，基于高分衛(wèi)星自帶的有理函數(shù)模型（RPC模型），對遙感數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性校正，由于高分二號衛(wèi)星影像經系統(tǒng)性校正后的精度無法滿足工作需求，再以經過精校正的遙感影像為基礎，選取一定數(shù)量的控制點進行校正。

4.3 城市建成區(qū)范圍的確定

根據(jù)國家質量技術監(jiān)督局和國家建設部發(fā)布的《城市規(guī)劃基本術語標準》，建成區(qū)定義為城市行政區(qū)內實際已成片開發(fā)建設、市政公用設施和公共設施基本具備的區(qū)域。利用高分辨率衛(wèi)星影像進行城市建成區(qū)范圍的提取是遙感應用研究的熱點，2020年清華大學宮鵬教授團隊利用30米遙感數(shù)據(jù)制作了全球不透水面范圍數(shù)據(jù)并對外發(fā)布。本文以該數(shù)據(jù)為基礎，裁剪了遼寧省內的十六個縣級市的城市建成區(qū)范圍，并基于高分影像數(shù)據(jù)，利用目視判讀的方式進行了修正。

進行黑臭水體的提取與識別，需要先對研究區(qū)域內的水體進行識別，采用光學遙感數(shù)據(jù)進行水體信息提取可以采取包括人工目視解譯、閾值法、深度學習等多種方法。目視解譯法的優(yōu)點是對水體范圍的提取準確率高，但是需要大量的人工干預，花費時間長，不適于大尺度范圍的水體識別；閾值法是基于水體的光譜特征，利用遙感數(shù)據(jù)的單個或多個不同波段構建各種模型算法，并設定閾值進行水體的提取，應用較多的有歸一化水體指數(shù)法（NDWI）和改進型歸一化水體指數(shù)法（MNDWI）。

本文首先利用改進型歸一化水體指數(shù)法（MNDWI）進行了遼寧省建成區(qū)水體的自動提取。MNDWI[5]指數(shù)的計算公式為式（2）：

式中Green為綠波波段、MIR為中紅外波段，高分數(shù)據(jù)無中紅外波段，本文次采用Sentinel2B衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行MNDWI計算，閾值設定為0.043。對水體自動提取結果利用目視解譯方法進行修正，獲得建成區(qū)水體數(shù)據(jù)。

4.4 疑似黑臭水體的遙感識別

4.4.1 模型選取

本研究基于不同的遙感數(shù)據(jù)構建了若干黑臭水體識別模型，主要包括單波段法、比值法、色度法、歸一化比值模型（BOI法）、光譜指數(shù)法、黑臭水體斜率指數(shù)（SBWI法）、黑臭水體判別指數(shù)（HCI）等[6]。本文主要采用歸一化黑臭水體指數(shù)對遼寧省城市黑臭水體進行識別。

歸一化黑臭水體指數(shù)（NDBWI）利用紅、綠波段的遙感反射率的差、和的比值來識別黑臭水體。其公式如式（3）：

式中

R（Green）——遙感影像綠波段遙感反射率值

R（Red）——遙感影像紅波段遙感反射率值

NDBWI值無量綱

閾值N可根據(jù)工作區(qū)域典型黑臭水體來確定，判別方法見表2。

表2 黑臭水體判別標準

4.4.2 模型閾值的確定

本文在沈陽和新民等地進行了野外調查，根據(jù)實地調查情況和模型計算結果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設定閾值為0.05。

4.5 提取結果

本研究根據(jù)以上方法和閾值，對遼寧省十六個縣級市建成區(qū)范圍內的黑臭水體進行遙感識別，共排查出疑似黑臭河段、坑塘共29處，制作了每個城市的黑臭水體分布圖，每個疑似黑臭水體制作了詳圖。圖2為北票市黑臭水體分布圖，圖3為北票市黑臭水體詳圖。

圖2 北票市黑臭水體分布圖

圖3 北票市黑臭水體詳圖

5 結語

城市黑臭水體的提取和識別是城市水環(huán)境治理和管理的重要基礎性工作，本文利用國產高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于遙感計算模型，識別和提取了遼寧省十六個縣級市建成區(qū)范圍內的疑似黑臭水體，制作了疑似黑臭水體圖件和清單。將遙感識別結果和野外實地調查相結合，可以極大提高工作效率，為確保城市黑臭水體“長制久清”提供信息支撐。