基于光譜特征的礦山污染水體遙感監(jiān)測

汪燕，賈利萍，劉樂，彭鵬

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽合肥 230001）

0 引言

礦產(chǎn)資源的開采和加工不僅對地表水和地下水造成大面積的污染，還會加劇土地的退化。礦山廢水的排放、滲漏等導(dǎo)致周圍河流也受到了一定程度的污染，從而影響人們的生活。因此，進行礦山環(huán)境治理，尤其是水污染治理的前提是要了解礦山周圍水的分布及污水的范圍[1][2]。通過遙感技術(shù)可快速、大范圍、周期性地監(jiān)測水質(zhì)及其動態(tài)變化，為礦山環(huán)境治理提供了有效的技術(shù)支持。

目前國內(nèi)外對污染水體的提取方法主要有指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、因子分析法、基于盲數(shù)理論的指數(shù)評價模型等，而針對礦山水體污染的分析評價常用的方法有地積累指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，根據(jù)選擇的因子數(shù)量，指數(shù)法又可以分為單因子指數(shù)模型與多因子綜合指數(shù)模型。模糊數(shù)學(xué)法也是水體污染評價中應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)學(xué)工具。國內(nèi)對于污染水體監(jiān)測的研究起步較晚，但近年來隨著科技的進步也取得較大的發(fā)展。不僅豐富了污染水體監(jiān)測的理論，也對污染水體的防治和管理提供了非常有價值的參考性。國內(nèi)常用的方法有：灰色理論法、混沌法、統(tǒng)計學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3]等。以上污染水體方法各自均有其優(yōu)缺點，適應(yīng)于不同的應(yīng)用[4]。

本文結(jié)合礦山開發(fā)區(qū)域特征，根據(jù)遙感影像光譜特征，選取遼寧省遼陽縣蘭河流域為研究區(qū)，以Landsat8為數(shù)據(jù)源，在水體信息提取的基礎(chǔ)上，通過實驗對比，結(jié)合水體污染光譜曲線的差異，采用光譜對比法實現(xiàn)研究區(qū)污染水體的監(jiān)測分析，進而為礦區(qū)污染的水質(zhì)監(jiān)測、水污染監(jiān)測提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

本實驗選取遼寧省遼陽縣蘭河流域為實驗區(qū)域，在之前光學(xué)影像的目視解譯過程中發(fā)現(xiàn)該處有大量的露天采礦場、鐵礦尾礦庫、選礦場、廢石堆等礦業(yè)活動用地，由此推測該區(qū)域的水域受到了一定程度的污染。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

Landsat8 是在Landsat 衛(wèi)星基礎(chǔ)上的進一步改進的新一代陸地資源衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2013年2月成功發(fā)射，在Landsat8衛(wèi)星上搭載了陸地成像儀和熱紅外傳感器兩個影像獲取的傳感器。其中，陸地成像儀包含九個波段數(shù)據(jù)，原始的Landsat 衛(wèi)星的7 個波段數(shù)據(jù)，分辨率均為30m，第八波段為全色波段，其分辨率為15m，該波段增強了數(shù)據(jù)的分辨率，第九波段為卷云波段，分辨率為30m，該波段主要用于云檢測等。表1為Landsat8傳感器波段參數(shù)列表。

表1 Landsat8波段參數(shù)設(shè)置Table 1.Setting of Landsat8 waveband parameters

根據(jù)研究區(qū)域覆蓋的范圍，論文使用軌道號為119～30的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，影像的成像時間為2018年6月13日，云量低于5%。為了減少大氣、光照等對信息提取引起的幾何位置和輻射誤差，我們首先對獲取的原始影像數(shù)據(jù)進行了大氣校正和輻射糾正，進而提高水體提取的精度。

2 礦山污染水體遙感監(jiān)測方法

2.1 礦山污染水體監(jiān)測原理

礦山水污染類型通常分為三類，即酸性污染（包括泥沙污染）、堿性污染和酸堿混合污染。露天采礦場、廢石堆等通常產(chǎn)生酸性廢水；選礦廢水產(chǎn)生堿性污染；酸堿混合污染是指同時受到酸性和堿性污染，造成上述三種類型的因子是水體中懸浮物的不同類型[5]。

基于遙感技術(shù)的礦山水質(zhì)污染監(jiān)測是以污染水體的光譜特征為依據(jù)。水體光譜反射率特征顯示，水體對太陽輻射的光譜反射率差異與水體其本身的污染程度有著緊密的相關(guān)性，從而使得其在影像上顯示的特征也存在差異性。由于溶解或懸浮于水中的污染成分和濃度的不同，使水體的顏色、密度、透明度和溫度也不同，導(dǎo)致其特征曲線上反射峰的位置、高度和影像上的特征也相應(yīng)的不同。基于以上因素，運用遙感技術(shù)手段進行廢水污染監(jiān)測，可利用多光譜合成圖像，根據(jù)色調(diào)、形態(tài)、紋理等特征進行污染源、污染范圍、面積和濃度的初步識別。

2.2 礦山污染水體信息提取

礦山水污染識別和提取包括兩種，一是確定水體的化學(xué)成分，將其分為酸性污水、堿性污水和酸堿混合污水；二是不考慮具體的化學(xué)成分，直接將水體按污染程度分級分別進行提取[6]。

針對上述兩種提取類型，本實驗采用光譜反射率均值對比法，基于不同水體光譜曲線數(shù)據(jù)，確定區(qū)域水體污染。

2.2.1 水體信息提取

進行污染水體提取的前提是提取出研究區(qū)中的所有水體。不同的地物在不同波段反射能力不同，對幾個波段進行組合、差值、比值等運算可以突出水體，盡可能多的抑制非水體信息的表達。在整個水體信息提取的過程中，暗色地物以及陰影（尤其是來自于高大建筑物）是水體信息提取的最大干擾因素[7]。而礦山區(qū)域這兩個因素最為明顯。本研究水體信息提取時，針對礦山區(qū)域，研究了一種改進的綜合水體指數(shù)提取方法。

通過實驗發(fā)現(xiàn)水體在藍綠波段下降速率明顯小于紅外波段，部分非水體地物雖然反射率也隨著波段的增加而降低，但是它的反射率總體來說都很高，其他的地物在近紅外波段反射率反而隨之增加。在以上原理的基礎(chǔ)上，論文初步嘗試采用藍、綠、近紅外三個波段構(gòu)建新的水體指數(shù)對水體信息進行增強，最大限度的區(qū)分水體和非水體地物之間的光譜差異，計算公式如下所示：

式中，Band2、Band3、Band5 分別代表了藍色波段、綠色波段以及近紅外波段.

2.2.2 基于光譜差異性的污水分析方法

水體在遙感影像上的光譜特性取決于水體中的物質(zhì)含量以及類型，不同類型的物質(zhì)以及含量使得水體的光譜特性不同，影響水體光譜特性的主要包括：水中的懸浮泥沙的含量（水體的渾濁程度）、水體中物質(zhì)的顆粒大小、水體的葉綠素含量、富營養(yǎng)化程度、有機物的含量等，此外，水的溫度以及水深也對光譜成像有一定的影響。遙感傳感器的成像原理為不同地物對太陽光譜反射率的不同導(dǎo)致圖像上存在光譜差異。因此，不同污染程度的水體在影像上呈現(xiàn)的光譜特征不同，具體表現(xiàn)為顏色不同。以上原理為水體污染的遙感監(jiān)測提供了理論基礎(chǔ)[8]。

根據(jù)非污染水體的光譜曲線和污染水體光譜數(shù)據(jù)的不同，結(jié)合遙感影像提供的水體的色調(diào)和形態(tài)，本實驗通過光譜對比分析定性地確定水質(zhì)污染狀況。具體的做法是以采集的非污染水體和污染水體的光譜曲線為參考，將提取的研究區(qū)域的水體光譜數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行對比分析，通過光譜曲線相似性定性分析研究區(qū)水體污染狀況，并通過閾值法將研究區(qū)域污染水體分為重點污染和輕度污染。

3 實驗及其結(jié)果分析

3.1 水體提取結(jié)果

利用Landsat8 數(shù)據(jù)，經(jīng)NCWI 水體指數(shù)處理之后對其進行二值化處理，可以得到如圖1所示。

圖1 NCWI提取結(jié)果Figure 1.NCWI extraction results

其中，NCWI值W越高 越能表示該像元 屬于水體，通過反復(fù)實現(xiàn)，選擇ND值大于0.3 的部分為水體，最終提取得到的整個研究區(qū)域的水體信息。

由于Landsat8屬于中低分辨率影像，且該研究區(qū)無大面積水域，只存在河流和部分水塘，因此提取出的水體面積較小且不完整。

3.2 獲取光譜曲線參考數(shù)據(jù)

圖2 參考光譜曲線圖Figure 2.Reference spectrum curves

物質(zhì)的含量不同對水體的反射率有很大的影響?；诖?，不同污染程度水體對太陽輻射的反射和散射也不同，進而對遙感傳感器的輻射也不同，所以通過水體光譜反射率的差異可以反映出水體污染的程度。

污染水體的數(shù)據(jù)用的是landsat8 數(shù)據(jù)，區(qū)域參考南淝河流域黑臭水體；非污染水體參考純凈水的光譜曲線特征。從水體光譜曲線上分析得到，被污染嚴重的水體在各個波段的光譜值平均值均高于非污染水體，如圖2所示。

可見光范圍內(nèi)，反射率隨著波長的增長逐漸降低，水體的反射率也遵循上述規(guī)律。污染水體的光譜值整體在非污染水體之上，隨著懸浮泥沙濃度的增加，可見光對于水體的透射能力減弱，反射率增強，所以污染水體的反射光譜曲線整體高于非污染的水體。

3.3 研究區(qū)污染水體分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，采用landsat8數(shù)據(jù)進行光譜反射率信息提取，提取礦山區(qū)域水體光譜曲線，并與參考的污染與非污染水體光譜曲線對比如圖3所示。

圖3 礦山水體與污染、非污染水體光譜曲線對比圖Figure 3.Comparison of spectral curves of mine water with polluted and non-polluted water

根據(jù)水體光譜差異，w并ate結(jié)r合區(qū)域光譜反射率閾值，將區(qū)域污染水體分為重度污染和輕度污染，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，其中藍色為輕度污染水體（四個波段光譜反射率均值范圍為10406～12922）、黃色為重度污染水體（范圍為12923～15437）、綠色為礦山占地范圍。

根據(jù)圖4 顯示結(jié)果，結(jié)合圖3 光譜反射率曲線表明，礦山的開發(fā)對周邊區(qū)域水體帶來了一定的污染，靠近礦山區(qū)域，由于政策的限制，礦山做了凈化處理，所以中間一段污染較少，大部分為輕度污染水體，但距離礦山較遠的上游和下游污染較為嚴重。表2 數(shù)據(jù)顯示，從光譜均值看，礦山污染水體的均值分別為10301、11063、13600、14980，接近于常規(guī)污染水體各波段光譜值，并與非污染水體差異較大，實驗證明，礦山水體的的光譜值接近污染水體，所以判斷為污染水體。

表2 礦山水體、污染水體和非污染水體的各波段光譜值Table 2.Each-waveband spectral values of mine water,polluted water and non-polluted water 166-6

圖4 礦山污染水體光譜監(jiān)測圖Figure 4.Spectral monitoring diagram of mine-polluted waters

4 結(jié)論

利用中低分辨率遙感影像（如Landsat8），通過光譜對比，可以定性的分析礦區(qū)水體污染，具有可行性，研究結(jié)果表明，首先，結(jié)合水體光譜特征實現(xiàn)礦山污水監(jiān)測具有一定的有效性，其次，遼寧省遼陽縣蘭河流域由于礦山開發(fā)帶來了一定的水體污染，且區(qū)域的上游和下游水體污染較為嚴重。

論文用的數(shù)據(jù)分辨率相對偏低，在后續(xù)研究中，使用國產(chǎn)高分辨率影像（如高分一號或高分二號）同時輔以高程信息開展研究，在確?？臻g分辨率的前提下能更好地提取出水體。同時，鑒于基于光譜對比分析，采用高光譜遙感影像，從而能定性地獲取污染水體，確定污染水體的類型和范圍。