西安市曲江南湖富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測與評價

何紅曼，米海存，霍艾迪，Xunhong Chen

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.School of Natural Resources，University of Nebraska-Lincoln，Lincoln，NE68583-0996，USA)

城市景觀水體是現(xiàn)代城市建設(shè)很重要的組成元素，隨著城市發(fā)展與人們生活水平的提高，城市景觀水體產(chǎn)生的污染及富營養(yǎng)化問題日益突出，景觀水體治理工作亟待解決。水體富營養(yǎng)化是由于水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的富集，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，從而導(dǎo)致魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象［1］。

傳統(tǒng)城市景觀水體的水質(zhì)監(jiān)測采用實地采樣分析，數(shù)據(jù)的數(shù)量有限，即使像實驗室分析等方法在精度上有一定的準(zhǔn)確性，但在點上進行時，容易受局部擾動影響，因而并不能全面反映整個水體生態(tài)環(huán)境在時空上的變化，且費時、費力、成本高，很難進行大尺度實時監(jiān)測［2］。

遙感水質(zhì)監(jiān)測是通過研究水體的反射光譜特征與水質(zhì)參數(shù)濃度間的關(guān)系，建立水質(zhì)參數(shù)反演算法，對湖泊富營養(yǎng)化進行監(jiān)測，這已經(jīng)成為目前湖泊遙感技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一［3］。其具有快速、大范圍、低成本和周期性等特征，可有效地監(jiān)測水體表面水質(zhì)參數(shù)在時空上的變化情況，與常規(guī)方法相比，可以發(fā)現(xiàn)一些難以揭示的污染源和污染物的遷移特征，具有不可替代的優(yōu)越性［4］。

水體遙感監(jiān)測的出現(xiàn)和發(fā)展，給水質(zhì)的監(jiān)測與評價提供了新的機遇與選擇。國外的Thiemann和Kaufmann［5］利用多光譜傳感器IRS-1C數(shù)據(jù)，對德國梅克倫堡州湖泊群水體中的葉綠素a進行反演，并結(jié)合卡爾森模型對該區(qū)水體富營養(yǎng)化程度進行了評價;國內(nèi)張海林等［6］利用武漢東湖各子湖多年可靠的地面監(jiān)測資料和1999年TM遙感數(shù)據(jù)，建立了營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與TM5影像上灰度值的線性關(guān)系模型，并運用建立的模型對武漢各主要湖泊進行了水體富營養(yǎng)化評價;呂恒等在SAS支持下分析了142種波段組合與水體葉綠素濃度之間的PEARSON相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示葉綠素濃度的對數(shù)值與TM4/TM3的相關(guān)性最好［7］。

本研究將地面實測資料與Landsat5 TM各波段的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行了對比。選擇葉綠素a濃度(Chla)、水體透明度(SD)、總氮濃度(TN)、總磷濃度(TP)4個水質(zhì)參數(shù)與TM波段比TM4/TM3之間的線性關(guān)系模型，并利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對曲江南湖水體富營養(yǎng)化程度進行監(jiān)測，以驗證水質(zhì)遙感監(jiān)測的可行性，為曲江南湖富營養(yǎng)化程度遙感監(jiān)測的進一步研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

西安曲江南湖位于西安市南約5 km的低洼地帶，現(xiàn)為曲江池遺址公園內(nèi)主要景點，分為南北兩個湖區(qū)。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，雨量適中，年平均氣溫13.0～13.4℃，年降水量558～750 mm，7、9月份為兩個明顯的降水高峰期，年日照時數(shù)1 983～2 267 h。南湖水體水域面積約0.7 km2，湖底平坦，湖泊水質(zhì)為偏酸性水，葉綠素含量高。

1.2 數(shù)據(jù)的獲取

1.2.1 實測數(shù)據(jù)的獲取

2012年4 月在研究區(qū)選取13個監(jiān)測點，分別用GPS進行定位，同步測量水體透明度值，并采集水樣用于實驗室分析其他水質(zhì)參數(shù)。采樣當(dāng)天天氣晴朗，無風(fēng)，湖面基本平靜。采樣后立即返回實驗室測定水樣的葉綠素a濃度。首先用0.45 μm的微孔濾膜進行過濾，然后用乙醇萃取，采用分光光度計法進行測定。透明度測定采用傳統(tǒng)的塞氏盤法，TP采用分光光度法，TN采用紫外分光光度法，溫度和pH值現(xiàn)場測試。參數(shù)分析按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB8538—1995)測定。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)獲取及處理

目前，TM數(shù)據(jù)是內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中使用最廣泛的多光譜遙感數(shù)據(jù)。本次研究主要使用TM的前4個可見光和近紅外波段，由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心下載西安地區(qū)Landsat5 TM遙感影像圖。根據(jù)GPS定位出的各采樣點經(jīng)緯度，利用ENVI軟件從遙感影像圖中獲取13個采樣點的波段值。

本研究對TM數(shù)據(jù)進行幾何糾正和輻射糾正預(yù)處理后，進行水質(zhì)參數(shù)與實測光譜數(shù)據(jù)波段相關(guān)分析得出與研究水體葉綠素a濃度相關(guān)性較好的最佳波段組合為TM4/TM3。

1.3 葉綠素a遙感估測模型

1.3.1 模型建立

選擇波段組合TM4/TM3來建立線性回歸模型。從13個樣點中選擇前6個樣點(已知量如表1)用于模型的建立，其余7個樣點用于對模型的驗證?？山⑷缦戮€性方程

式中:chl-a為實測葉綠素a濃度，ug/L。

經(jīng)對表1數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到R2=0.978 4，F(xiàn)=181.014＞F0.01=10.04，說明該線性關(guān)系是特別顯著的，回歸關(guān)系見圖1?；貧w模型為

表1 葉綠素a濃度與TM4/TM3值

1.3.2 模型檢驗

由所建立的模型(2)，利用衛(wèi)星影像對其余采樣點進行chl-a反演，并將反演值同實測值比較，以驗證其精度，比較結(jié)果見表2。

圖1 chl-a實測值與遙感指標(biāo)回歸模擬關(guān)系

表2 驗證結(jié)果

將所得的葉綠素a反演值與實測值做圖進行對比，見圖2。

圖2 chl-a反演值與實測值對比

由于建立回歸模型時假定兩者之間為線性關(guān)系，而實際上兩者之間并不完全呈線性關(guān)系，因此回歸方程所得反演值與實測值必然存在誤差。同時，遙感圖像的分辨率、天氣狀況等都會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，這也是誤差產(chǎn)生的原因。

由表2及圖2可以看出，9、11號采樣點由于遙感圖像校準(zhǔn)時存在一定誤差，致使相對誤差較大;但整體來看，chl--a的模型反演值與實測值相對誤差較小，多在13%以下，具有很好的吻合性。因此，線性回歸模型中的TM4/TM3比值法對chl--a的定量反演效果較好，可用此模型對曲江南湖景觀水體進行動態(tài)監(jiān)測。

1.4 研究方法

1.4.1 數(shù)理統(tǒng)計方法

此次試驗主要在Origin7.0軟件平臺下實現(xiàn)相關(guān)系數(shù)計算及線性相關(guān)分析，并構(gòu)建相應(yīng)模型。

1.4.2 單指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

由TM影像中提取的各采樣點TM4/TM3比值數(shù)據(jù)，根據(jù)反演模型(2)，得出反演的chl--a濃度值作為各采樣點水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)模型的輸入變量，由公式(3)得出TSIC(chl-a)的值，即

TSIC(chl-a)為中國營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值，用0～100的連續(xù)數(shù)字表示。按富營養(yǎng)化評價等級將富營養(yǎng)化狀態(tài)分為五級，即:TSIC≤20，貧營養(yǎng);20＜TSIC≤40，中營養(yǎng);40＜TSIC≤60，輕度富營養(yǎng);60＜TSIC≤80，中度富營養(yǎng);TSIC＞80，重度富營養(yǎng)［8］。

1.4.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

我國水體富營養(yǎng)化評價的基本方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法〔卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)等〕、營養(yǎng)度指數(shù)法和評分法［9］。

本文主要運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對水體富營養(yǎng)化狀況進行評價分析。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法最早由Carlson建立，其相關(guān)參數(shù)為chl-a、TP、TN、SD，選用基準(zhǔn)參數(shù)為chl--a。

1.4.3.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法公式［10］

式中:TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以chl--a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為

式中:rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chl-a的相關(guān)系數(shù);m為評價參數(shù)的個數(shù)。

中國湖泊的chl--a和其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij和r2ij值見表 3。

表3 中國湖泊部分參數(shù)與chl-a的相關(guān)關(guān)系rij和r2ij值

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式為

1.4.3.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)分級

Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI和修正的Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSIM都是基于單參數(shù)，而且有評分而無分級，因此均不完善。而綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)進行分級，具體的分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 基于Landsat5 TM影像的富營養(yǎng)化評價

根據(jù)單指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)方法，經(jīng)計算，各采樣點水體狀態(tài)分布見表5。

表5 遙感評價營養(yǎng)狀態(tài)

2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價

用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對曲江南湖區(qū)13個采樣點進行評價，得出如表6的評價結(jié)果。

表6 曲江南湖各采樣點綜合營養(yǎng)狀態(tài)法評價結(jié)果

在ArcGIS軟件的支持下，根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果生成2012年4月份曲江南湖富營養(yǎng)化程度分布圖，見圖3。

圖3 2012年4月曲江南湖富營養(yǎng)化程度分布

由表5和表6可以看出:曲江南湖水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，且屬輕度到中度富營養(yǎng)化。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法結(jié)果顯示湖區(qū)水體多呈輕度富營養(yǎng)化，而遙感監(jiān)測結(jié)果多呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

由圖3分析得出:1號采樣點臨近噴泉口，水體得到循環(huán)，流動性較好，富營養(yǎng)化程度低。4號靠近石隔斷、6號處于小橋位置，多有游人停留，10號處于湖中島游艇?？繀^(qū)，人流量較大，水面人為垃圾漂浮較多，水質(zhì)明顯偏差，富營養(yǎng)化程度高。而12號和13號點處于湖的邊緣位置，水體回流，流動性較差，且有垃圾等漂浮物聚集，特別是13號靠近寒窯景點，游人聚集，富營養(yǎng)化程度偏高。

從總體上看，在南北方向上，北湖區(qū)設(shè)有人工噴泉且北口有水流向北流出，水體流動性較好，富營養(yǎng)化情況相對較輕。南湖區(qū)因石隔斷阻隔水體的向北流動，造成水體流動較差，且游人觀賞和游玩區(qū)域多設(shè)置在該區(qū)，人為污染偏重，富營養(yǎng)化程度偏高。在東西方向上差異并不明顯。

兩種方法相較而言，遙感反演技術(shù)與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對曲江南湖水體富營養(yǎng)化的評價結(jié)果整體趨勢基本一致，均屬輕度到中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。遙感監(jiān)測因氣象和精度等因素，結(jié)果略偏高。因此，葉綠素a遙感估測方法可用于城市景觀水體富營養(yǎng)化監(jiān)測。

3 結(jié)論

(1)利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對曲江南湖景觀水體進行評價，綜合4個水質(zhì)參數(shù)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI在50～70之間，說明曲江南湖屬于輕度到中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，需要采取措施防止水質(zhì)進一步惡化。

(2)利用葉綠素a遙感估測模型監(jiān)測及評價曲江南湖景觀水體富營養(yǎng)化程度，能獲得較為理想的結(jié)果。

(3)TM4/TM3比值法對chl-a濃度的定量反演效果較好，具有很好的線性相關(guān)性，可用此模型對曲江南湖景觀水體進一步進行時空上的動態(tài)監(jiān)測。

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