分类：电子论文 时间：2022-04-02 热度：557
摘 要: 基于遥感影像，通过建立光谱信息与水质参数的相关关系，快 速、大范围的监测温州温瑞塘河主河道水体水质状况。研究结果表明，ETM + 影像的第 2 波段 ( ETM2) 能够最好地反映温瑞塘河水质状况，并且通过监测模型估测得到的电导率，氨氮，总氮和总有机碳 4 个水质参数与实测值的相对误差均 < 20% ，遥感技术作为一种经济、快速、有效的技术手段，可以应用于城市水体水质的监测。
关键词: 遥感; ETM + ; 城市水体; 水质监测
当前，环境问题特别是水环境问题越来越受到全世界各国人们的关注。随着经济的发展及人口的不断增长，地表水污染问题逐渐凸显出来。由于它和生态系统及人类健康密切相关，针对地表水污染的监测与研究也越来越多[1 - 6]。提供可靠的水质信息是政府及环境部门制定环境保护政策措施的前提。传统水质监测的方法是在水体实地设立水质监测点，通过定点取样分析获取水质指标。这种监测方法虽然可以获取较准确的水质参数数据，但费时费力，更重要的是这种方法无法提供空间上的水质分布特征信息。因此，快速准确并且大范围地获取区域内的水质状况就成了水质监测研究中的一个关键问题。遥 感 技 术 具 有 宏 观、快 速、周 期 性 等 优势，其中美国陆地卫星 Landsat 已经被广泛用于内陆水体的水质指标如叶绿素、浊度、悬浮物等参数的反演[7 - 12]。
在国内外遥感应用与水体水质监测的研究中，大多数的研究对象为较宽广的水域，如海岸，江河或是湖泊[12 - 17]，而对城市 水 体 的 研 究 较 少。流 经城区的河流因其水域面积相对较小且受到周围环境的影响较大，水质参数的空间分布及变化规律与较大水域存在区别，本研究的目的是基于最佳自变量以及 最 佳 回 归 方 程 建 立 水 质 参 数 与 Landsat-7 ETM + 遥感数据的相关关系，从而为研究区水体的水质监测工作提供一种快捷便利的方法。
1 材料与方法
1. 1 研究区域
温瑞塘河水域位于中国东南沿海的浙江省，发源于温州西部山区，最终经瑞安市流入飞云江。温瑞塘河位于温州城区的主河道全长 20. 4 km，流域面积 298. 7 km2 。自西向东流经农业区、温 州 市区，然后自北向南流经城乡结合部以及温州三垟湿地 ( 图 1) 。温瑞塘河主河道平均宽度为 50 m，温瑞塘河流域为典型亚热带海洋气候，平均年降雨量 1 685 mm，年平均径流量约为 9 亿 m3 。
在温瑞塘河主河道设置 8 个水质监测点，编号为 1 - 8 ( 图 1) 。
1. 2 方法
1. 2. 1 遥感数据预处理
采用 Landsat-7 ETM + 遥 感 影 像 ( 条 带 号 为 118，41) 。获取的遥感影像为 2009 年 1 月 14 日的 ETM + 影 像，ETM + 与 TM 影 像 在 前 5 个 波 段 没 有区别，波谱范 围 及 地 面 分 辨 率 两 者 均 一 致，ETM + 在热红外波段有所改进，地面分辨率由 TM 的 120 m 提高 到 ETM + 的 60 m。目 前 ETM + 影 像 可 以 在 USGS 的 网 站 下 载 ( http: / / glovis. usgs. gov / ImgViewer / Java2ImgViewer. html ) 。下载的 ETM +影像经过 了 几 何 校 正，校 正 到 WGS-84 坐 标 系 下。为了消除影像中包含的由于太阳位置和角度条件、薄雾等大气条件所引起的失真，对影像进行了辐射校正。辐射校正的目的是将遥感图像原始的 DN 值转换成地物的反射率。ENVI 软件中的 FLAASH 模块用于对本研究遥感影像进行辐射校正。
1. 2. 2 水质采样及分析方法
水样监测点的坐标由 GPS 确定，用于本研究的水质参数取样时间与卫星过境时间一致，为 2009 年 1 月 14 日。每一个监测点的水样由采集器采集后即刻用 YSI 6920 V2-1 多参数水质探头测量温度 ( temp ) 、电导率 ( EC ) 、pH 值、浊 度 以 及 溶 解氧 ( DO ) 5 项水质指标。用 YSI 测试完后，水样由 500 mL 聚乙烯瓶储存，放 入 冰 袋 箱 后 运 回 实 验室做室内分 析。水 样 先 用 孔 径 0. 45 mm 的 滤 纸 过滤，在 < 4 ℃ 下 冷 藏。AutoAnalyzer 3 用 于 测 试 水样中的氨 氮 ( NH + 4 -N ) ，硝 酸 盐 ( NO - 3 ) 浓 度， TOC-V CPH-CPN AutoAnalyzer 用于测试总氮 ( TN) 浓度以及总有机碳 ( TOC ) 浓度。
之 前 的 相 关 研 究 大 多 使 用 以 采 样 点 为 中 心 像元，提取 3 × 3 或是 5 × 5 像元数组的平均值代表取样点水体的 光 谱 数 据[15，18 - 19]。在 本 研 究 中，由 于河流的平均宽度只有 50 m，加上部分站点 GPS 定位出现误差，采样点的位置并没有落在河道中，因此本研究中提取的采样点光谱数据为采样点临近 4 个水体像元的平均值，水体在影像图上的区域由温瑞塘河水系矢量图叠加确定。
2 结果与分析
2. 1 监测结果
表 1 列出了 8 个监测点 ETM + 波段 1 至波段 5 的原始 DN 值 ( digital number，是遥感影像像元亮度值) 以及相应的光谱反射率值。
8 个监测点的水质参数值统计概要见表 2。
2. 2 监测模型
由于水温以及 pH 为常规水质指标，并且在本研究区没有显 示 水 质 的 污 染 与 温 度 和 pH 有 关 系，因此这 2 个参数没有与光谱数据建立回归方程。一元线性回归用于水质参数与遥感光谱数据的回归方程的建立，通用的一元线性方程如下: Y = aX + b。式中: Y 为水质参数; X 是遥感光谱数据; b 为经验常数。
自变 量 ETM1，ETM2，ETM3，ETM4，ETM5， ETM2 /ETM1 ( R21 ) ，ETM3 /ETM1 ( R31 ) ，ETM3 / ETM2 ( R32 ) ，ETM3 /ETM4 ( R34 ) 参与一元回归方程的 建 立，并 检 验 相 关 性 ( 取 显 著 性 水 平 P = 0. 05) 。SPSS 17. 0 统计软件用于本研究的统计分析以及回归方程建立。
表 3 列出了所有 P 值 < 0. 05 的一元 线 性 回 归方程及其相应的 R2 。其中，自变量 ETM1 和 EC 有着最为紧密的关系，对 EC 的变异有 79. 3% 的贡献率 ( P = 0. 003) 。ETM2 和 ETM3 也 可 与 EC 建 立显著 的 关 系，两者可以分别解释 75. 9% ( P = 0. 005) 以及 74% ( P = 0. 006 ) EC 的 变 异。R31 作为自 变 量 可 以 与 Turb 建 立 很 好 的 相 关 关 系，对 Turb 变异的贡献率到达 56. 8% ( P = 0. 031) 。自变量 R21和 R31可以与 DO 建立显著的关系，分别可以解释 DO 变 异 的 74. 5% ( P = 0. 006 ) 和 72. 9% ( P = 0. 007) 。ETM1，ETM2，ETM3 以及 R31作为独立变量 均 与 TOC 有显著的线性关 系，TOC 变 异 的 83% ( P = 0. 002 ) ，86. 5% ( P = 0. 001 ) ，83. 8% ( P = 0. 001) 和 59. 2% ( P = 0. 026) 可以分别被上述 4 个变量解释。其中，自变量 ETM2 建立的回归方程的 R2 最高，达到 0. 865。另外，ETM1，ETM2， ETM3 和 R31也可与 NH + -N 建立显著的关系，同样 ETM2 为回归方程中最好的变量，可以解释 NH + 4 -N 86. 9% 的变异 ( P = 0. 001) 。有 5 个自变量与 NO - 3 有显著的相关性，其中 R31可以建立与 NO - 3 极显著的关系，可以解释 NO - 3 变异中的 92. 6% 。其他自变量 ETM2，ETM3，R21，R32 可 以 解 释 NO - 3 变 异 中的 56. 5% ( P = 0. 032) ，65% ( P = 0. 016) ，59. 2% ( P = 0. 026) 和 52% ( P = 0. 043) 。自变量 ETM1， ETM2，ETM3 和 R31 可 以 与 TN 建 立 显 著 的 关 系， ETM1 可以最大程度解释 TN 中的变异，为 81. 4% ( P = 0. 002) ，ETM2 是第 2 好的预测因子，解释变异量 为 81. 2% ( P = 0. 002 ) 。ETM3、R31 对 TN 的变异量解释分别为 79. 9% ( P = 0. 003) 和 51. 5% ( P = 0. 045) 。
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水体污染状况可通过许多物理、化学和生物的参数来反映，水质的改变可以引起水体物理性状及光谱特征 的 变 化，这 是 遥 感 方 法 研 究 水 污 染 的 依据[20]。已有研究提出简单的线性模型最适合用于建立 TM 反射率数据与水质参数的相关性[18]，众多研究包括本研究在内也证明了这一观点。ETM + 影像的前 3 个波段 ETM1，ETM2 和 ETM3 的单波段或是波段组合建立的线性模型就可以反演出本研究区所有的水质 参 数，说 明 ETM + 可见光波段可以用于 水 质 监 测 的 研 究，这也与前人的研究成果符合[10]。研究中没有发现近红外波段与水质参数有较好的相关性可能是由于水体对近红外波段具有很强的吸收作用造成的。在通过对水质参数做一元回归分析时，发 现 EC、NH + 4 -N 以 及 TN 均 可 以 通 过 ETM1，ETM2，ETM3 以及 R31 构建回归方程，说明三者之间存在一定的相关性，SPSS 的 相 关 性 分 析也证 明 了 这 一 点，三 者 均 两 两 显 著 相 关 ( P < 0. 01) 。这表明温瑞塘河中的电导率主要受到 NH4 + 离子的影响，而 TN 中的 N 含量主要由 NH4 + - N 构成。
回归方程还显示出 ETM1，ETM2，ETM3 与除 NO - 3 外的其余的水质参数包括 EC、NH + 4 -N、TN 以及 TOC 均呈负相关关系，由于 NH + 4 -N、TN 和 TOC 的浓 度 可 以 作 为 水 质 状 况 的 参 考，这 表 明 通 过 ETM + 第 1，第 2 和第 3 波段的反射率值可以反映出水质状况，具有高反射率值区域意味着有较低浓度的 NH + 4 -N、TN 及 TOC，表 明 该 区 域 水 质 较 好，而越差 水 质 区 域 ETM1，ETM2，ETM3 值 就 越 小，相似的结 论 在 TM 影像应用与水质监测中被提出过[20]。尽管已有相关研究认为反映水质的最佳波长在 650 ～ 700 nm 附 近[21]，本 研 究 区 水 体 光 谱 ETM2 波段呈现很强的反射特性，能够较敏感地反映出 水 质 指 标 的 变 化，认 为 在 温 瑞 塘 河 研 究 区 ETM2 能够最好地反映水质状况。
2. 3 模型检验
为了检验监测模型的可靠性，位于研究区其他河流的 5 个水 质 监 测 点 N1 至 N5 的 水 质 实 测 数 据和模型预测值作对比 ( 图 2) 。EC 预测值与实测值的平均 相 对 误 差 为 16. 4% ，Turb 为 124. 2% ，DO 为 149. 2% ，NH + 4 -N 为 10. 89% ，NO - 3 为 92% ，TN为 15. 6% ，TOC 为 10. 35% 。根 据 相 对 误 差 的 结果，我们认 为 研 究 所 建 立 的 EC，TOC，NH + 4 -N 以及 TN 的预测模型具有较高的可靠性，可以用作本研究区水质参数的反演及空间分布模拟。基于温瑞塘河上的 8 个水质监测点，虽然可以建立起与 Turb，DO 以及 NO - 3 的水质监测模型，但在验证模型时，这些参数的计算结果与实测值的相对误差都 > 50% ，这可能与参与验证的 5 个点所在区域的土地利用类型有关。参与验证的 5 个点所在河流均位于农村区域，相对位于城区以及城郊建模所用的监测点，位于农村的监测点的 DO，Turb 以及 NO - 3 受到的影响因素与在城区与城郊有所不同，通过光谱反映出来的特征规律也不一样，因此所建立的水质模型可能并不适用于农村区域河流的水质监测。而研究区域内 TN，NH + 4 -N，TOC 的含 量 主要受农业面源污染以及生活污水的影响，因此在温瑞塘河主河道建立的 TN，NH + 4 -N 以及 TOC 监测模型同样可以较准确地反演农村地区河流水质。
另外，我们发现用于反演 DO，Turb 以及 NO - 3 的回归模型均以波段的比值为自变量，尽管已有研究表明，TM /ETM 相关波段的比值可以用以反演水质参数如 DO，Turb 等[15，17]，但是 2 个波段相除的处理有可能会使原本在单波段反射率上表现出显著差异的特征被缩小，这就导致比值所得到的光谱信息对水体的敏感性可能不如只基于 1 个波段构成的光谱信息，本研究的结果也表明，在反演同一水质参数时，用单一波段反射率构建的回归方程的相关系数要高于基于波段比值构建的方程。因此，对于 DO，Turb 以及 NO - 3 的回归模型相对误差较大另一种可能的解释是基于波段比值构建的水质监测模型由于其对水质参数较差的敏感性导致模型使用有一定的局限性。
2. 4 水质参数空间分布
图 3 - 4 显示了根据预测模型计算得到的温瑞塘河主河道 EC，NH + 4 - N，TN 以及 TOC 空间分布图。从分 布 图 中 可 以 看 出，温瑞塘河污染十分严重，根据国家地表水环境质量标准，V 类水体 NH + 4 - N 和 TN 的标 准 值 为 2 mg·L - 1 ，根 据 温 瑞 塘 河 NH + 4 - N 和 TN 的 空 间 分 布 图 显 示，大 部 分 水 体 的这 2 项水质指标远 > 2 mg·L - 1 水质为劣 V 类。根据水质状况可以将温瑞塘河明显区分成 2 个部分，上游至市区段以及市郊至下游。其中上游至市区段由于水面较宽、流速较大，再加上从 2000 年 开 始 实施的温瑞塘河综合整治使得中心城区排入温瑞塘河的污染得到了一定的控制，在城区部分的温瑞塘河水质要相对好于市郊至下游的第 2 段。当温瑞塘河流出市区进入城郊以及农村区域时，由于排污设施的不完善以及由于流速减小造成的上游汇入污染物在此段内的汇聚沉积，使得这段区域内污染状况更加严重，各水质参数均明显较第 1 段内浓度值有大幅度升高。因此，城郊及农村区域的污染整治工作应成为下一段温瑞塘河整治工作的重点区域。
3 小结
通过利 用 ETM + 光谱数据与温瑞塘河主河道水质参数建 立 相 关 关 系，表 明 ETM + 光 谱 数 据 可以很好地反演本研究区 EC，NH + 4 -N，TN 以及 TOC 水质参数，证明了遥感作为一项方便快捷的技术手段可以快速实时地反映水质的空间分布规律，满足大范围水质监测的需求。——论文作者：万风年1 ，纪晓亮1 ，朱元励1 ，梅 琨1 ，张明华1 ，2
参考文献:
[1] Mac Donald L R， Smart A W， Wissmar R C. Monitoring guidelines to evaluate effects of forestry activities on streams in the Pacific Northwest and Alaska [M]. Washengton: US EPA，1991: 166.
[2] National Resource Council. Assessing the TMDL approach to water quality management [M]. Washington D C: National Academy Press，2001: 109.
[3] 刘瑞民，何孟常，王秀娟. 大辽河流域上游非点源污染输出风险分析 [J]. 环境科学，2009，30 ( 3) : 663 - 667.
[4] 杜聪，王世新，周艺，等. 应用遥感数据评价蓝藻水华对太湖取水口的影响 [J]. 中 国 环 境 科 学，2009，29 ( 10 ) : 1041 - 1046.
[5] 马小雪，纪晓亮，李军，等. 基于 GIS 的平原河 网 走 航 在线水质 监 测 方 法 研 究 [J]. 浙 江 农 业 学 报，2012，24 ( 3) : 503 - 508.
[6] 杨阳，马小 雪，商 栩. 温州温瑞塘河水体黑臭评价 [J].浙江农业科学，2012 ( 4) : 566 - 569.
[7] Dwivedi R M，Narain A. Remote sensing of phytoplankton，an attempt from the Landsat Thematic Mapper [J]. International Journal of Remote Sensing，1987，8: 1563 - 1569.
[8] Ritchie J C，Cooper C M ，Schiebe F R. The relationship of MSS and TM digital data with suspended sediments， chlorophyll，and temperature in Moon Lake，Mississippi [J]. Remote Sensing of Environment，1990，33: 137 - 148.
[9] Lathropr G. Landsat Thematic Mapper monitoring of turbid inland water quality [J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1992，58: 465 - 470.
[10] Dekker A G，Peters S W M. The use of the Thematic Mapper for the analysis of eutrophic lakes: a case study in the Netherlands [J]. International Journal of Remote Sensing， 1993，14: 799 - 821.
[11] Ostlund C，Pierson D，Lindell T，et al. Mapping of the water quality of Lake Erken，Sweden，from imaging spectrometry and Landsat Thematic Mapper [ J ]. Science of the Total Environment，2001，268: 139 - 153.
[12] Chen C Q， Tang S L， Pan Z L， et al. Remotely sensed assessment of water quality levels in the Pearl River Estuary， China [ J ]. Marine Pollution Bulletin， 2007， 54: 1267 - 1272.
文章名称：应用遥感监测城市水体水质研究
