基于Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的庫塘型國家濕地公園水庫總磷含量時空分布特征分析

李 敬，王 立，何 成，陳驍強(qiáng)，王 原

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000； 2.上海棲星生態(tài)環(huán)境咨詢有限公司，上海 200438； 3.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境與科學(xué)與工程系，上海 200438)

自我國2005年開始“國家濕地公園”建設(shè)以來，截至2018年底，我國已經(jīng)有898個國家級濕地公園(試點(diǎn)).國家濕地公園類型多樣，包括河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地以及人工濕地等全部的濕地類型.庫塘濕地作為人工濕地中的重要濕地類型，也是國家濕地公園的重要組成部分，廣泛分布于我國東北地區(qū)、長江中上游地區(qū)以及黃河中上游地區(qū)等廣大區(qū)域.國內(nèi)學(xué)者針對國家濕地公園展開了多方面的研究，主要研究內(nèi)容包括生物多樣性和資源評價、生態(tài)旅游、規(guī)劃設(shè)計(jì)、生態(tài)服務(wù)功能等方面[1].目前國內(nèi)關(guān)于國家濕地公園的研究主要集中在生態(tài)旅游、生物多樣性調(diào)查等方面，對庫塘型國家濕地公園所保護(hù)的庫塘濕地水質(zhì)監(jiān)測研究較少.湖泊水質(zhì)監(jiān)測是有效開展湖泊水環(huán)境綜合管理與水污染防治實(shí)施的基礎(chǔ)，也是湖泊藻華風(fēng)險(xiǎn)評估與生態(tài)安全建設(shè)的重要依據(jù)[2].磷是湖泊水體生物生長和富營養(yǎng)化的一個重要指標(biāo)，監(jiān)測總磷(TP)的含量是水質(zhì)監(jiān)測的一項(xiàng)重要工作，傳統(tǒng)的水質(zhì)見監(jiān)測方法主要依靠實(shí)地水樣采集實(shí)驗(yàn)室分析的方法，往往時效性不高，而且采樣方式耗時、費(fèi)力、不經(jīng)濟(jì)，以采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)代替附近水域總磷含量的分布也存在不合理性，難以滿足大尺度水質(zhì)實(shí)時監(jiān)測和快速響應(yīng)的需求.

遙感定量反演水質(zhì)的監(jiān)測方法經(jīng)過國內(nèi)外研究學(xué)者的研究證明是今后湖泊水質(zhì)監(jiān)測發(fā)展的方向[3].Song等[4]利用高光譜遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建了基于遺傳算法與偏最小二乘法相結(jié)合的水質(zhì)估計(jì)模型,得出TP、Chl-a和SDT的空間分布圖并利用利用卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價其富營養(yǎng)化狀態(tài).Harvey等[5]的研究表明，基于衛(wèi)星的監(jiān)測系統(tǒng)是可靠的，葉綠素-a含量的估計(jì)在精度和定量檢索方面可與現(xiàn)場測量結(jié)果相媲美.劉瑤等[6]利用直接和間接遙感反演算法，結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)反演鄱陽湖表層水體的總磷含量并分析其時空分布特征和變化規(guī)律.徐良將等[7]通過微分法和波段比值法對室內(nèi)水樣分析結(jié)果中的總氮和總磷含量進(jìn)行反演，得出總磷最佳反演模型.Sentinel-2A和Sentinel-2B衛(wèi)星分別于2015年6月和2017年3月成功發(fā)射，所搭載的MSI(Multi-Spectral Instrument)傳感器共有13個光譜波段，可見光到近紅外波段的空間分辨率為10 m，紅邊和短波紅外波段空間分辨率為20 m，時間分辨率為10 d，空間分辨率、時間分辨率還是波段設(shè)置等是進(jìn)行內(nèi)陸水體遙感研究的有效數(shù)據(jù)源之一，具有較大的應(yīng)用潛力[8].

以阿哈水庫為主體建設(shè)的阿哈湖國家濕地公園是重要的庫塘型濕地公園的代表，阿哈水庫作為貴陽市重要的3個飲用水源地之一，在貴陽人民的生活中發(fā)揮著重要作用.通過對阿哈湖國家濕地公園中水庫水質(zhì)近十年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出阿哈水庫面臨著富營養(yǎng)化的趨勢與風(fēng)險(xiǎn)[9].由于阿哈水庫緊鄰貴陽市中心區(qū)域，近年來，周邊工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致水庫水體受污染壓力日益加劇.本文基于遙感技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本理論，以貴陽阿哈湖國家濕地公園主體的阿哈水庫為研究對象，利用高分辨率的Sentinel-2多光譜遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建典型水質(zhì)參數(shù)總磷的遙感反演模型，探究總磷含量的時空分布特征及其影響因素，以期為阿哈水庫管理方管理提供科學(xué)、有效的參考.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

阿哈水庫(106 °39′E，26 °33′N)位于貴陽市南郊南明河支流小車河上，有5條主要入庫河流，分別是白巖河、金鐘河、小車河、游魚河和蔡沖河.

水庫水面面積為4平方公里(枯水季節(jié)水位僅為0.8平方公里)，是貴陽市3大飲用水源地之一，日供水量達(dá)21萬m3，其流域面積為190 km2，多年平均徑流量為10 187×104m3，正常庫容5 450×104m3，設(shè)計(jì)正常水位高程達(dá)1 110 m，平均水深13 m，最大水深約30 m，阿哈水庫是以供水為主，兼有防洪、灌溉、旅游等多種功能的水庫,是當(dāng)前貴陽市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活飲用水的重要水源.區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給主要是大氣降水的面狀補(bǔ)給方式，地下水位約為1 126 m.公園處于黔中亞熱帶濕潤、溫和氣候區(qū)，年均氣溫15.3 ℃，四季溫差較小.雨量充沛，多年平均降雨量處于1 140～1 200 mm 之間，年降雨日數(shù)平均為178 d，雨量多集中在5—8月，約占全年降雨量的65%；日照時間較短，全年平均日照1 412.6 h，日照百分率為32%；該區(qū)濕度受季風(fēng)環(huán)境影響，全年平均相對濕度81%，無霜期270～290 d.

1.2 實(shí)測數(shù)據(jù)的獲取與處理

本次實(shí)驗(yàn)的采樣點(diǎn)共布置15個，主要分布在庫區(qū)與河流入庫口處，能切實(shí)反映水庫的水質(zhì)現(xiàn)狀.本次研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是2017—2018年阿哈水庫不同季節(jié)的三期水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，時間分別是2017年11月8日，2018年5月14日，2018年9月20日，共45組數(shù)據(jù).每個水質(zhì)采樣點(diǎn)在水庫水面下在每個水質(zhì)采集點(diǎn)位，在水庫水面下0.5～0.9 m之間并距水底不小于0.5 m處設(shè)置一取樣點(diǎn)，采集容量在500 mL左右(不小于250 mL).粘貼標(biāo)簽(水樣編碼、日期、時間、經(jīng)緯度、pH值等相關(guān)信息)，并在24 h內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析得到總磷、總氮、葉綠素a等指數(shù).監(jiān)測及分析方法分別按照《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》和《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行.

1.3 影像數(shù)據(jù)的獲取與處理

Sentinel-2遙感數(shù)據(jù)可以通過Sentinel數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(https:∥scihub.copernicus.eu)免費(fèi)獲取.本次研究選擇與野外采樣時間準(zhǔn)同步的三景Sentinel-2B數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建和驗(yàn)證，日期分別是2017年11月5日，2018年5月14日和2018年8月12日.另外，為了研究總磷含量的時空分布特征，再下載四期數(shù)據(jù)，日期分別是2017年12月25日、2018年3月10日、2018年4月9日、2018年6月8日.Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)波段設(shè)置如表1所示.

表1 Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)遙感波段

Sentinel-2衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為Lever-1C，它是經(jīng)過輻射校正和幾何校正的大氣上層表觀反射率，每幅Level-1C產(chǎn)品由一景100 km2的正射影像(UTM/WGS84)構(gòu)成，影像的地圖坐標(biāo)經(jīng)過數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行糾正，包括陸地、水、云掩模等數(shù)據(jù).Sentinel-2 MSI傳感器大氣校正采用的是SNAP內(nèi)置大氣校正模塊sen2cor，它采用的是基于影像的半經(jīng)驗(yàn)大氣校正方法，故用此模塊算法進(jìn)行大氣校正時無需提供氣象參數(shù)，大氣校正所需的信息可以通過內(nèi)置的查找表內(nèi)插獲取,通過數(shù)據(jù)處理得到Lever-1A級別數(shù)據(jù)[10].

對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，獲得與水質(zhì)采樣點(diǎn)相對應(yīng)的DN值數(shù)據(jù)，然后將總磷與DN值數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[11]，求出公式中的待定參數(shù)，得出總磷的反演模型.利用反演模型求得不同季節(jié)總磷含量分布圖，然后在GIS軟件中創(chuàng)建10 m×10 m的網(wǎng)格，屬性關(guān)聯(lián)總磷含量，獲取每個網(wǎng)格中心點(diǎn)的總磷含量值，得出總磷在不同月份的平均含量，然后在SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中與不同氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.

1.4 氣象數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究所需氣象數(shù)據(jù)是貴陽市氣象日數(shù)據(jù)，包含主要天氣指標(biāo)： 平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、平均溫度、相對濕度、降雨量.數(shù)據(jù)來源自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，數(shù)據(jù)時間范圍是從2017年10月1日至2018年9月30日.將貴陽市氣象日數(shù)據(jù)在Excel中進(jìn)行求平均值處理，得到主要天氣指標(biāo)的月平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 反演模型構(gòu)建

本研究采用準(zhǔn)同步Sentinel影像及同步實(shí)測總磷含量值對阿哈水庫水體總磷含量進(jìn)行反演.研究過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)測試的3次實(shí)驗(yàn)誤差，將不符合質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)的11個樣本數(shù)據(jù)剔除，根據(jù)有效的34個樣本的空間位置，將相近的兩個樣點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇其中一個作為驗(yàn)證樣本.由此抽取24個樣本進(jìn)行模型構(gòu)建，10個樣本進(jìn)行模型的驗(yàn)證，建立基于Sentinel遙感影像的經(jīng)驗(yàn)回歸模型，然后估算阿哈水庫水體總磷含量的時空變化[12].

本研究采用平均絕對百分比誤差(Mean Absolute Percentage Error,εMAP)和均方根誤差(Root Mean Square Error,εRMS)檢驗(yàn)總磷含量反演模型準(zhǔn)確性，公式如下：

(1)

(2)

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于總磷的遙感反演研究，在遙感影像中，水體中的TP含量(ρ(TP))與紅光、綠光、藍(lán)光等可見光波段波段關(guān)系密切，本研究參考Wu等的研究[14]，并根據(jù)文獻(xiàn)[14]公式(6)中Landsat8藍(lán)綠紅3個波段的組合關(guān)系，找出與Sentinel-2B衛(wèi)星中的相對應(yīng)的波段，然后對24個樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分析得出遙感反演模型.最后，對反演模型進(jìn)行εMAP和εRMS檢驗(yàn)，得到理想效果的線性回歸方程.反演模型具體公式如式(3)所示：

(3)

式中：X=(band4/band3)-(band2/band4)+band2，band2表示光譜中的藍(lán)色波段，band3表示光譜中的綠色波段，band4表示光譜中的紅色波段；R2為決定系數(shù).

由模型回歸分析可以得出(表2)，以上回歸方程決定系數(shù)R2達(dá)到0.89，表明總磷含量與(band4/band3)-(band2/band4)+band2的波段組合顯著相關(guān)；通過預(yù)測值與實(shí)測值的誤差分析可知，εRMS為0.010 8 mg/L,εMAP為28.80%(圖2(b)).因此表明反演模型預(yù)測總磷含量的效果較為理想.

圖2 (a) 模型擬合曲線、(b) 實(shí)測值與預(yù)測值的相關(guān)性Fig.2 (a) Model fitting curve、(b) Correlation between measured and predictive values

2.2 總磷含量時空分布特征

為了探究阿哈湖國家濕地公園中阿哈水庫在不同季節(jié)的總磷含量空間分布狀況，本文根據(jù)水庫總磷遙感反演模型，從2017—2018年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中篩選6期遙感數(shù)據(jù)對水庫總磷含量進(jìn)行反演，并制作總磷含量空間分布圖.

如圖3所示，在不同季節(jié)中，水庫水體總磷含量與總磷的空間分布存在著顯著差異： 水庫與河流交匯的東北和南部的河流入庫口區(qū)域含量比其他區(qū)域較高.金鐘河和白巖河入湖的北部區(qū)域和蔡沖河入庫區(qū)域的東南區(qū)域的總磷含量較高，水庫中心區(qū)域總磷含量較低.

圖3 總磷含量在秋季(a)、冬季(b)、春季(c)(d)(e)和夏季(f)的分布Fig.3 Distribution of total phosphorus concentration in autumn(a), winter(b), spring(c)(d)(e), and summer(f)

由表2可知，在秋冬季節(jié)，阿哈水庫總磷含量平均值分別是0.013 mg/L和0.020 mg/L，最大值低于0.06 mg/L.空間分布上自水庫東北部向南部逐漸降低，西北部的沙河入庫口和東北部水域含量最高，水庫中心總磷含量最低.春季阿哈水庫進(jìn)入多雨季節(jié)，支流入湖河流加大，易攜帶富含磷元素的物質(zhì)進(jìn)入水庫，此時水庫中總磷含量顯著提升，3—5月的總磷含量最大值分別是0.061 mg/L，0.076 mg/L、0.093 mg/L；在空間分布上，與秋冬季節(jié)呈現(xiàn)明顯差異，3月水庫東南部爛泥溝河入庫區(qū)域總磷含量較高，4月水庫大部分區(qū)域總磷含量均較高，水庫大壩出水口區(qū)域含量較小，5月水庫總磷含量都較高，相較于3月、4月總磷含量顯著提升，最大值為0.093 mg/L.6月，總磷含量最大值為0.091 mg/L，空間分布上，水庫西北部區(qū)域沙河入庫區(qū)總磷含量明顯高于其他區(qū)域，可能是因?yàn)?月下旬為了迎接降雨高峰，水庫開閘放水，導(dǎo)致水庫大部分區(qū)域水域總磷含量較低.

表2 不同季節(jié)總磷含量的均值與最大值

2.3 總磷含量影響因素分析

(1) 氣象因素.水文氣象因子對水體理化指標(biāo)有直接或間接的影響[15].由上文分析可以得到，阿哈水庫總磷含量在春夏季節(jié)比秋冬季節(jié)顯著增高，為了研究此種變化的原因，本研究對總磷含量與平均降水量和平均溫度建立進(jìn)行相關(guān)性分析，從氣象角度探討總磷含量變化的原因.

本文選取2017—2018年中的6個月份中的5個氣象因子分別與模型反演的總磷含量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，具體氣象因子包括： 平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、平均溫度、相對濕度、降雨量.經(jīng)分析所得(如圖4所示)，阿哈水庫總磷含量與平均降水量和平均溫度之間具有顯著的正相關(guān)性，隨著降水量與溫度的逐漸升高，總磷含量也逐漸提升.平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、相對濕度等3個氣象因子與總磷含量沒有明顯相關(guān)性.此外，溫度對阿哈水庫總磷含量的相關(guān)性要高于平均降水量與總磷含量的相關(guān)性，可以推斷出，溫度是總磷含量升高的主要影響因素.

圖4 總磷含量與平均降水量和平均溫度的相關(guān)性分析圖Fig.4 Correlation analysis of total phosphorus concentration with average precipitation and average temperature

(2) 土地利用因素.快速城市化進(jìn)程帶來的土地利用的變化對水體富營養(yǎng)化水平具有一定影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的化肥、農(nóng)藥以及農(nóng)村排放的生活污水以及城市生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢水等均會對水庫水體中的總磷增加起到較大影響[16].貴陽阿哈湖國家濕地公園自2015年正式建立以來，公園在合理利用區(qū)持續(xù)建設(shè)，土地利用方式發(fā)生較大變化，公園范圍內(nèi)存在旱地耕田以及農(nóng)村聚落，這些土地利用方式的存在與變化對水庫水質(zhì)產(chǎn)生直接影響.根據(jù)阿哈湖國家濕地公園土地利用的相關(guān)研究可知[17]，阿哈水庫東南部區(qū)域主要是旱地為主的耕地，東北部區(qū)域自1998年至2017年建設(shè)用地面積顯著增加，阿哈水庫周邊土地利用的空間格局和類型變化，白巖河、金鐘河和蔡沖河會將流經(jīng)區(qū)域的農(nóng)業(yè)和城市生產(chǎn)產(chǎn)生的污水帶到阿哈水庫，導(dǎo)致水庫水體總磷含量總體上是南部和東北部含量較高.

3 結(jié)論與建議

本文在阿哈湖國家濕地公園的主體阿哈水庫的3期實(shí)測總磷含量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于遙感技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本理論，結(jié)合Sentinel-2衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，建立阿哈水庫的總磷反演模型，分析了不同季節(jié)總磷含量的空間分布總體情況，并探討了總磷含量與氣象因子之間的相關(guān)性.研究結(jié)果表明：

1) 基于Sentinel-2衛(wèi)星的總磷反演模型其決定系數(shù)在0.8以上，相對誤差在30%以內(nèi)，取得了較為理想的總磷含量反演效果.

2) 在不同季節(jié)中，水庫水體總磷含量與總磷的空間分布存在著顯著差異： 水庫與河流交匯的東北和南部的河流入庫口區(qū)域含量比其他區(qū)域較高.秋冬季節(jié)，水庫東北部與沙河入庫口出含量較高，水庫中心含量較低；春季3—5月，隨著月份增加，總磷含量從東南部爛泥溝河入庫區(qū)域含量較高發(fā)展為水庫大部分區(qū)域內(nèi)含量均較高；夏季，由于五月份水庫開閘放水的原因，水庫西北部區(qū)域總磷含量明顯高于其他區(qū)域.

3) 溫度、降水和土地利用變化對總磷含量具有一定影響.隨著降水量與溫度的逐漸升高，總磷含量也逐漸升高.此外，阿哈湖國家濕地公園的建設(shè)與發(fā)展以及周邊城鎮(zhèn)用地的影響，主要入庫河流將水庫周邊的農(nóng)業(yè)和建設(shè)用地產(chǎn)生的污水帶入阿哈水庫，也會導(dǎo)致總磷含量的增加.

本文研究主要是采用實(shí)測水質(zhì)與Sentinel衛(wèi)星基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的模型構(gòu)建，其中由于研究區(qū)常年多雨少晴，對遙感監(jiān)測產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致滿足研究需求、可利用的遙感數(shù)據(jù)相對較少，因此本文根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的可獲性，選擇了6期數(shù)據(jù).對于不同季節(jié)的總磷含量反演研究，尤其是夏季，還有待進(jìn)一步探討和驗(yàn)證.在反演模型分析選擇上，經(jīng)驗(yàn)方法比較簡單而且實(shí)用，但是具有區(qū)域局限性，可移植性差，在以后的研究中選取半經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，與經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行對比，得到更加精確的模型.此外，公園管理方應(yīng)該采用何種策略降低甚至消除土地利用方式變化帶來的水體水質(zhì)富營養(yǎng)化壓力，接下來還需要對這些方面的內(nèi)容進(jìn)一步深入研究與探討.