基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測研究

滿建舫，劉 陽，蘇 慧

（徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000）

水源是自然生態(tài)環(huán)境正常運轉(zhuǎn)的源泉和動力，也是自然界中的不可再生資源。只有水質(zhì)良好才能保證人民的生活質(zhì)量，并推動國家經(jīng)濟的發(fā)展和騰飛。但工業(yè)發(fā)展勢必會影響生態(tài)環(huán)境，水資源因為工業(yè)的固液廢棄物排放受到一定污染。水資源污染不僅影響居民的日常生活，也制約著國民經(jīng)濟快速發(fā)展[1]。

在環(huán)境保護的大方向上，需要加大水質(zhì)的監(jiān)測力度，做好前期預(yù)防工作，避免后期進行水質(zhì)恢復(fù)，導(dǎo)致相關(guān)治理成本上升。對水源地水質(zhì)進行實時遠程監(jiān)測，能快捷準確捕捉到水質(zhì)問題。水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測工作十分重要，傳統(tǒng)監(jiān)測單純采取遙感方式，對于水源的質(zhì)量問題只能有一個大概了解，無法精確監(jiān)測到水域存在的具體環(huán)境生態(tài)問題。如果水體被污染，只能檢測到水體污染的大概位置，至于污染源排查、污染面積估算等都無法進行[2]，難以推動后續(xù)的水質(zhì)動態(tài)檢測和實時動態(tài)的監(jiān)測評價等工作進行。

工業(yè)化的不斷發(fā)展推動了城市化的發(fā)展，城市中的水質(zhì)問題變成了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易⒁獾膯栴}。水環(huán)境污染問題已經(jīng)成為阻礙城市快速發(fā)展的重要因素，水質(zhì)污染對城市居民的影響已經(jīng)超出想象。多源高分影像技術(shù)和遙感監(jiān)測結(jié)合已經(jīng)成為當下水質(zhì)監(jiān)測的重點，單一的高分影像對水質(zhì)的辨別只能監(jiān)測出水質(zhì)受到了污染，無法對水質(zhì)污染進行分級。本文設(shè)計了基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測新方法，可以充分發(fā)揮出遙感技術(shù)成本低、監(jiān)測范圍大的特點，提升水質(zhì)監(jiān)測效率[3]。

1 基于多源高分影像的水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取和處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

水質(zhì)監(jiān)測需要在監(jiān)測范圍內(nèi)安裝監(jiān)測點，水質(zhì)污染的判定是按照國家的污染指標進行的[4]，污水的判定和測定方法詳見表1。

多源高分影像主要利用現(xiàn)場收集的方式實現(xiàn)，采用光譜儀器進行測定，由于對現(xiàn)場光照有一定條件限制[5]，測試需要選擇陽光充裕的時間段。數(shù)據(jù)采集的儀器與陽光的角度為90°～130°。在采樣點，計算水的遙感反射率公式為：

式中：α為光譜的波長（m）；Wα為水面上的直觀可見度（m）；Sα為水下的輻照度（W/m2）。

1.2 多源高分影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了讓遙感圖像在有限的圖像中顯示出更多信息，需要提升圖像分辨率[6]。為此，采用衛(wèi)星識圖的方式獲取多源高分影像，以此得到兩種分辨率的圖像，分辨率高有利于精準分辨細小河流中的水質(zhì)。多源高分影像的分辨率比較高[7]，與遙感技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)多角度的分辨率辨別，多源高分影像處理后的DN值如圖1所示。

圖1 多源高分影像的DN值

分析圖1 中的多源高分影像處理之后的DN 值可知，多源高分影像的數(shù)據(jù)更加精細，和傳統(tǒng)的水體光譜進行對比，根據(jù)不同波段可以將水質(zhì)的指標全面分類。通過圖1 可以看出多源高分影像，可以避免多種因素如水下的動植物正?；顒訉ΡO(jiān)測值的影響[8]，且不同波段的DN 值不同，可以實現(xiàn)光譜一致性的基本要求，提升監(jiān)測精度。

2 水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測圖像校正

在遙感成像的過程中，圖像的傳感器受移動速度、空氣變化和平臺高度等約束條件影響，導(dǎo)致水質(zhì)的監(jiān)測圖像會出現(xiàn)一定偏差。為了減少客觀因素帶來的誤差，需要對水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測圖像進行校正，去掉遙感圖像對應(yīng)地面目標的幾何畸變，根據(jù)實際情況進行映射校正[9]。由于室外校正地點的特殊性，監(jiān)測結(jié)果主要受光照因素的影響。在遙感數(shù)據(jù)采集的過程中為了獲得水質(zhì)的真實信息，需要去掉多源高分影像中的氣溶膠散射等影響因素。大氣校正效果可以直接影響遙感檢測圖像的精度，波段大氣反射率計算公式如下：

式中：e為波段大氣反射率；rs為遙感的整體反射率；fs為陽光在90°～125°的光譜輻照度[W/（m2·μm）]。

原始的基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測圖像的方根誤差計算公式為：

式中：a1為方根誤差（mm）；pn為采樣點的反射率；qn為經(jīng)過大氣影響后的反射率；m是整個水質(zhì)區(qū)域的采樣數(shù)量。

多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測圖像的絕對誤差計算公式如下：

然后進行波段的反差率的比較，建立監(jiān)測的比值模型：

式中：R(α)綠為在綠色光光譜波段的遙感反射率；R(α)紅為在紅色光光譜波段的遙感反射率；(b,c)為檢測范圍的閾值。

若超過閾值則證明該地區(qū)的水產(chǎn)生了污染，需要注意。為了將正常水質(zhì)的水和被污染的水區(qū)分開來，需要計算二者之間的特征差異。通過實驗進行輕度污染、中度污染、重度污染的水和正常水質(zhì)的水的對比[10]。中度污染和重度污染的光譜幾乎已經(jīng)不具備正常水質(zhì)的特點，遙感反射率非常低，而輕度污染和正常的水質(zhì)反射率較高，可結(jié)合該特征進行監(jiān)測和判斷。

3 測試實驗

為了驗證基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法的實用性，將該水質(zhì)監(jiān)測方法與傳統(tǒng)的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法、基于2A 衛(wèi)星的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法進行比較，對比3種方法的監(jiān)測精度。

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

本文的實驗數(shù)據(jù)由遙感數(shù)據(jù)采集而來的遙感影像轉(zhuǎn)變而來。將徐州市的某主要河流作為研究對象，研究區(qū)域傳回的多源高分影像包含17個光譜數(shù)據(jù)，為了方便研究將光譜數(shù)據(jù)按照波段進行分類，分為5個波段，光譜信息詳見表2。

表2 光譜波段信息

實驗數(shù)據(jù)采集為次/2 h，采集的都是同一天的基 礎(chǔ) 信 息，主 要 監(jiān) 測 水 中 的CODMn、BOD5、DO 和NH3-N 的含量，其中NH3-N 含量是常見的水質(zhì)監(jiān)測標準，主要來源于水下生物的排泄物和水生植物的尸體分解。

3.2 實驗結(jié)果與分析

使用基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法和傳統(tǒng)的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法、基于2A 衛(wèi)星的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法，對5個波段的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，監(jiān)測的預(yù)測值和實際值之間的誤差對比如圖2所示。

圖2 實驗結(jié)果

分析實驗結(jié)果可知，本方法對NH3-N 的含量監(jiān)測誤差在0.05～0.12，而傳統(tǒng)的2 種方式的監(jiān)測誤差遠高于本方法，所以本方法檢測誤差更小。

4 結(jié)語

本文以多源高分影像技術(shù)可以分辨出傳統(tǒng)的正常水質(zhì)和受到污染的水質(zhì)之間的光譜區(qū)別原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種新的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測方法，將遙感技術(shù)和多源高分影像技術(shù)進行充分融合，提升了監(jiān)測精度。但本研究也有很多不足之處，希望在未來的研究中可以擴大范圍，多收集水質(zhì)樣品，進行更加全面的研究。