基于哨兵2号的白洋淀水质监测方法研究.pdf

DWRHE2023年第4 2 卷第3期水利水电工程设计46基于哨兵2 号的白洋淀水质监测方法研究赵琳韩婷婷董端索靖摘要要水质监测是水环境保护的重要工作内容，为水环境评价提供重要的参数指标信息，利用卫星遥感手段进行水质监测具有大范围、长时序、低成本、周期性、快速、动态监测等优势，利用哨兵2 号多光谱卫星遥感数据，结合白洋淀淀区水质国控断面实测数据，对白洋淀淀区的水质参数进行定量反演，获取淀区溶解氧、高锰酸盐指数、总磷和总氮4 种参数的空间分布图，掌握白洋淀水质整体情况。实验结果表明，利用少量的水质实测数据，建立遥感水质参数反演模型，可以快速获取淀区水质连续空间分布图，并依据未来近1 0 d内的哨兵2 号影像，预测淀区水质情况，通过模型精度验证可知，该方法可以取得较高的反演精度。关键词多光谱水质白洋淀美定量反演哨兵2 号中图分类号X87文献标识码B文章编号1007-6980(2023)03-0046-04随着社会快速发展，水质污染问题日渐严重，水环境保护成为社会经济可持续发展的重大问题，而水质的精细监测是水环境保护的重要工作内容。传统的水质监测通过在水域设置一些固定的监测点位，人工到实地进行水样采集，并将水样送到实验室进行化学分析，这种方法费时费力，工序复杂，成本高，且获取的水质监测结果是离散的，不具有代表性，无法反映水域整体水质状况。近年来，随着遥感科学技术的发展和应用研究的深人，基于遥感技术的水质监测方法研究逐渐从定性发展到了定量(1-。现有的水质遥感监测主要包括星载高光谱遥感监测和机载高光谱遥感监测2 种方法(4)。星载高光谱遥感监测的优点是便于对水环境进行周期性长时间的动态监测，全面掌握水质的动态变化情况 5-7；机载高光谱遥感的使用相对灵活，可以根据需要适时选择飞行时间和航线，适用于内陆水体或海湾的水质监测和水体污染的应急遥感监测 8，但是该方法成本较高，且数据获取的工序较复杂，不适合大范围水域的周期性观测本文利用星载多光谱遥感（哨兵2 号卫星）影像，结合少量点国控断面监测数据，建立水质多参数反演模型，水质参数包括溶解氧、高锰酸盐指数、总磷、总氮4 种参数，对整个白洋淀水域进行精细化的水质反演，获取淀区水质连续空间分布图，并通过不同时期的国控监测数据和遥感影像反演结果进行验证，从而探索一种成本低、适用性强、监测频次高的白洋淀水质监测方法，为白洋淀水环境保护提供有力的技术支撑。1研究区与研究数据1.1研究区概况白洋淀，属海河流域大清河南支水系湖泊，位于雄安新区，涉及安新县、雄县和容城县，是华北地区最大的湿地生态系统。淀内主要由白洋淀、马棚淀、烧车淀、藻淀等大小不等的1 4 3个淀泊和37 0 0 多条沟壕组成，总面积36 6 km。淀区面积中8 5%的水域在安新县境内，构成了淀中有淀，沟壕相连，园田和水面相间分布的特殊地貌。如图1 所示。多年来，由于上游城镇生活污水和工业污水排放，淀区百姓生活污水直排，淀区机械船只增多，加之生态流量减少等因素，白洋淀水质不断恶化，2 0 1 7 年4 月1 日，雄安新区设立，白洋淀生态环境治理和保护受到政府部门及社会各界的重视。利用多光谱卫星遥感手段，结合国控断面实测水质数据，快速反演淀区水质分布情况，可以全面掌握淀区水质的状况及发展趋势，为相关部门进行水环境保护和治理提供技术支撑。白N沟雄县A引河安新县县烧车淀光淀张庄府河赵王新河南刘庄圈头唐河采蒲台孝潴义龙国控断面一河流河地名白洋淀河图1白洋淀地理位置及国控断面分布示意图47基于哨兵2监测方法研究赵琳等1.2遥感数据本实验使用的遥感数据是欧空局提供的哨兵2号多光谱卫星遥感数据，可覆盖1 3个光谱波段，幅宽可达2 9 0 kml，地面分辨率分别为1 0、2 0、6 0 m，对白洋淀地区，重访周期为2 3d。本次使用的数据级别为L1C级，需要进行大气校正，获取DN值。数据具体波段参数信息见表1。成像日期分别为2021年1 0 月1 1 日和2 0 2 1 年1 0 月1 9 日。表1哨兵2 号高光谱卫星波谱基本信息中心波空间分波段波长/nm长/nm辩率/m1(Coastal)433453443602(Blue)458523490103(Green)543578560104(Red)650680665105(Red Edge)698713705206(Red Edge)733748740207(Red Edge)773793783208(NIR)785900842108a(Vegetation Red Edge)850880865209(Water Vapor)9359559456010(SWIR-cirrus)1 3601 39013756011(SWIR-1)1.5651 65516102012(SWIR-2)210022802190201.3国控断面水质监测数据白洋淀淀区及人（出）淀河流国控断面共有1 4个，现阶段，中国环境总站对断面开展逐日监测，且监测数据可通过官网查阅，从而为淀区水环境评估和预测提供数据支撑。本次实验采用其中的5个断面（如图1 所示），分别是烧车淀、光淀张庄、南刘庄、圈头和采蒲台，利用不同日期的水质监测数据作为多光谱卫星遥感水质反演模型建立的样本集及验证集。本次研究中用到的国控断面数据来源于国家地表水水质自动监测实时数据发布系统(https:/:8070/GJZ/Business/Publish/Main.html)，主要包括监测时间、水质类别、水温、pH、溶解氧、高猛酸盐指数、氨氮、总磷、总氮、叶绿素a等参数信息。该数据每天都会更新。2实验部分2.1数据预处理本次实验在欧空局网站(https:/scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下载的哨兵2 号多光谱卫星影像是L1C级的数据。仅经过正射校正以及几何精校正，并未进行大气校正。因此，需要使用哨兵2 大气校正插件Sen2Cor，对下载后的Sentinel-2L1C产品进行大气校正，获取影像的地表反射率，Sen2Cor是产品生成和格式化的工具集，对L1C数据进行大气、地形和卷云校正。大气校正后，获取L1A级数据，使用SNAP软件，对哨兵2 号的L1A级影像进行重采样，将1 3个波段的空间分辨率均重采样到10m。从而获取空间分辨率为1 0 m含有1 2 个波段的多光谱遥感数据，适用于白洋淀淀区内小水域面积水体的水质监测2.2水质参数建模方法利用遥感器观测得到的光谱数据反演水质参数通常有3种方法，即经验方法、半经验方法和基于生物光学模型（水中辐射传输模型）的分析方法1-1 。经验方法一般通过建立遥感数据与地面监测的水质参数值之间的统计关系来推算水质参数值，该方法理论基础简单，易于实现。半经验方法是将已知的水质参数的光谱特征与统计模型结合，例如选择特定的光谱区和合理的波段或波段组合的辐射值作为相关变量，该方法适用于一定的条件，应用于不同季节或地域的水体时需要进行参数校正。分析方法是基于水中辐射传输模型，具有明确的物理意义，适用性强。本次实验采用经验方法，目的是利用少量的国控断面实测水质数据，建立其与哨兵2 号多光谱影像之间的统计学关系，进而对每一种水质参演建立一个模型，实现白洋淀整个淀区的水质连续空间分布的快速反演以及未来近1 0 d内影像的水质反演，2.3水质参数反演模型精度评价方法利用2 0 2 1 年1 0 月1 1 日的国控断面监测数据与同一天的多光谱影像建立水质参数模型，基于该套模型，将2 0 2 1 年1 0 月1 9 日的哨兵2 号影像数据进行反演，并使用同一天的国控断面数据进行验证。在此基础上，采用统计参数对水质参数的反演精度进行检验，包括平均相对误差（meanrelativeerror，MR E)和均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)12,见式(1)和式(2)。之1IY-XIMRE=100%(1)ni=1X之(Y-X)1RMSE=(2)V3结果与评价3.1水质参数反演模型以2 0 2 1 年1 0 月1 1 日的5个国控断面监测数据DWRHE水利水电工程设计2023年第4 2 卷第3期48为已知建模集，求取其与多光谱影像中不同波段、波段倒数及波段比值之间的相关性，找出相关性最高的波段因子，以其为基础进行建模，不同水质参数对应的相关性最高的波段关系及相应的建模结果见表2。模型评价因子使用常见的模型决定系数R，其计算公式为式(3)1 3)R=i=1(3)3.2水质参数反演模型精度评价以上述建模结果为反演模型，以2 0 2 1 年1 0 月19日的多光谱影像为待反演影像，通过反演得到5个国控断面所在位置的水质参数值，作为检验集，以5个国控断面（位置分布如图1 所示）当天的实际监测值为准确值，进行模型检验和评价，具体检验结果见表3。表2水质参数对应的相关性最高的波段关系及其建模结果模型决定水质参数波段因子x反演模型系数R溶解氧b,/b1oy=-8.632 7x+12.3250.53高锰酸盐指数1/by=0.272 1x-5.01750.56总磷b./b4y=-0.116 1x+0.188 20.51总氮bi2/bsy=3.602 4x-0.613 50.50表3反演结果及评价mg/L溶解氧高锰酸盐指数总磷总氮水质参数反演值实测值反演值实测值反演值实测值反演值实测值烧车淀6.099.361.31.580.050.043.184.24圈头4.738.395.045.520.040.041.330.98采蒲台6.338.475.77.40.040.051.510.77光淀张庄4.925.993.62.40.020.022.083.63南刘庄3.744.552.143.190.060.051.261.92MRE0.280.260.170.47RMSE2.471.070.010.96根据以上验证法，对构建的4 种水质参数模型进行了精度验证。验证结果得出现溶解氧反演模型的平均相对误差为2 8%，均方根误差为2.4 7 mg/L；高锰酸盐指数的平均相对误差为2 6%，均方根误差为1.0 7 mg/L；总磷的平均相对误差为1 7%，均方根误差为0.0 1 mg/L；总氮的平均相对误差较高，为47%，均方根误差为0.9 6 mg/L。说明构建的模型可以用来反演白洋淀淀区的水体溶解氧、高锰酸盐指数、总磷和总氮等水质参数。3.3白洋淀水质参数反演结果根据上述水质参数反演模型，对2 0 2 1 年1 0 月19日的哨兵2 号多光谱影像进行反演，得到当天的水质连续空间分布图（如图2 所示）。由图可知，白洋淀西部和西南部的水质较差，这与人淀河流府河、孝义河的废水排人有关，这与赵黔伟等1 4 的研究结果“由府河进人淀内的污染物是白洋淀湖水氮、磷和重金属的主要来源”的结论一致；淀心区水质整体较优，分析其原因在于该区域属于纯水村，受外部环境影响较小，村内主要以农业种植、水产养殖为主，工业面源污染对其影响较小，这与以往研究成果 1 5 及官方公布结果较一致。4 结语哨兵2 号多光谱卫星影像含有1 3个波段，且空间分辨率可达1 0 m，对于水体面积较大的湖泊水质监测具有很大的应用潜力。本文通过使用2 期哨兵2号影像，以白洋淀为研究区，定量反演了淀区的溶解氧、高锰酸盐指数、总磷和总氮，对反演数据进行了验证，并制作了淀区水质连续空间分布图。通过研究可以得出如下结论：（1）白洋淀整体水质呈东部优于西部、淀心区优于人淀河流与白洋淀连接处的特点，这种分布情况的原因是人淀河流将污染物带人淀区，而淀心区受外界影响较小，污染源较少。（2）利用哨兵2 号多光谱影像及少量的国控断面水质监测数据（或实地采样数据）进行水质参数反演建模，能够取得精度较高且符合应用需求的水质反演结果，这将大大降低水质监测的成本且实现水质高频次监测，为白洋淀水环境治理保驾护航。本次实验取得较好的结果，但也有需要改进和完善的地方，比如实验数据较少，说服力有待继续验证，未来需进一步研究哨兵2 号影像与国控断面水质监测数据（或实地采样数据)之间的关系，建立物理意义明确且适用性强的基于水中辐射传输模型的分析方法，从根本上解决水质反演过程中遇到的模型不稳定、适用性差的问题。2023-05-30)（收稿日期49基于哨兵2监测方法研究赵琳等A图例图例溶解氧高猛酸盐指数高：2 0.32 1 5高：1 7.2 1 2 7低：0低：0(a)溶解氧(b)高锰酸盐指数图例图例总磷总氮高：0.1 534 7 4高：1 2.1 58 2低：0低：0(c）总磷(d)总氮图2基于1 0 月1 9 日哨兵2 号影像反演的水质连续空间分布图参考文献1童庆禧，张兵，郑兰芬.高光谱遥感原理、技术与应用 M.北一京：高等教育出版社，2 0 0 6.2齐峰，王学军.内陆水体水质监测与评价中的遥感应用 J.环境科学进展，1 9 9 9，7(3）：9 0-9 9.3 Dekker A G.,Detection of optical water quality parameters foreutrophic waters by high resolution remote sensing,PhD ThesisD.Amsterdam,Netherlands:Vrije University,1993.4冯天时，庞治国，江威，等.高光谱遥感技术及其水利应用进展 地球信息科学学报，2 0 2 1,2 3（9）：1 6 4 6-1 6 6 1.5王歆晖，巩彩兰,胡勇，等.水质参数遥感反演光谱特征构建与敏感性分析 J.光谱学与光谱分析，2 0 2 1,4 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