基于高光譜分析的長蕩湖水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)研究

蔣志昊，梁文廣，石一凡，王冬梅，唐大偉，宋亞君

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210000；2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇常州 213300）

1 研究背景

目前，利用衛(wèi)星遙感反演水質(zhì)參數(shù)和人工實測這2 種常規(guī)監(jiān)測方法為主要的湖泊水質(zhì)監(jiān)測手段。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)耗時耗力，投入產(chǎn)出比低，難以覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)所有地點水質(zhì)數(shù)據(jù)，不能滿足多樣化的監(jiān)測需求。當前，多光譜遙感技術(shù)具有時態(tài)多、范圍廣的動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于水體參數(shù)的反演研究中，但光譜波段少、光譜分辨率較低［1］，影響水質(zhì)參數(shù)反演精度。高光譜技術(shù)具有光譜波段多和連續(xù)等優(yōu)勢，海量的光譜信息可反映真實水表光譜信息，是常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測和遙感水質(zhì)監(jiān)測的重要補充，為區(qū)域性水環(huán)境監(jiān)測提供新的技術(shù)手段。曹引等［2］基于南四湖實測的高光譜數(shù)據(jù)和同步水質(zhì)采樣分析數(shù)據(jù)構(gòu)建了反演南四湖水體葉綠素a濃度的多種數(shù)學(xué)模型；鞏彩蘭等［3］利用地物光譜測量及同步配套水質(zhì)采樣分析實驗，對黃浦江全河段水體進行調(diào)查研究，并以TN 和懸浮物為例得出最佳反射率反演組合；包起帆等［4］利用星地同步監(jiān)測實驗，建立長江口含沙量濃度高光譜反演模型；吳廷寬等［5］以貴陽市百花湖為例，對水體進行光譜實測，探討湖泊水質(zhì)高光譜反射率與水質(zhì)參數(shù)濃度之間的定量關(guān)系，對湖泊富營養(yǎng)化進行監(jiān)測評價。由上述研究成果可知，不同湖泊之間的下墊面條件有所差別，反演模型普適性較差，對典型湖泊光譜特性和水質(zhì)參數(shù)之間定量關(guān)系需單獨分析。

根據(jù)常州水環(huán)境監(jiān)測中心2008—2018 年水質(zhì)監(jiān)測成果，長蕩湖整體水質(zhì)基本處于劣Ⅴ類?？紤]到長蕩湖在西太湖流域中的重要過水作用和對周邊水系的影響，提高長蕩湖水質(zhì)監(jiān)測精度水平，實現(xiàn)全湖泊、多時段常態(tài)化管理，對改善水環(huán)境、實行長效化管理意義重大。因此，本研究以常州市長蕩湖為研究對象，依照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進行水質(zhì)采樣，獲取采樣點的水質(zhì)參數(shù)，利用高光譜掃描儀提取對應(yīng)點位水表光譜信息。通過水質(zhì)參數(shù)與高光譜的相關(guān)性分析，分析比較不同水質(zhì)指標的光譜，篩選出對光譜反射率敏感的水質(zhì)參數(shù)，建立可見光至近紅外波長范圍內(nèi)多種水質(zhì)參數(shù)-高光譜反演模型，并驗證分析模型精度和適用性，確定適用于長蕩湖的水質(zhì)高光譜監(jiān)測模型。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

長蕩湖（31°33′~31°40′N，119°30′~119°37′E）位于江蘇省常州市境內(nèi)，地處亞熱帶季風氣候帶，湖泊南北長13.6 km，東西寬9.3 km，現(xiàn)有水域面積約84 km2，平均水深1.1~1.2 m?，F(xiàn)狀湖盆地形平坦，無顯著起伏，北半部湖盆水稍深，南半部水淺，多沼澤性蘆葦淺灘，淤積嚴重。

2.2 水質(zhì)采樣及處理

為保證實驗效果，要求采樣當日天氣晴朗，湖泊水體流速不宜過高，以提供較為穩(wěn)定的實驗環(huán)境。研究區(qū)域選定后，在湖泊的進出水區(qū)、中心敞水區(qū)、濱岸帶等各類型典型區(qū)域設(shè)置一定數(shù)量的采樣點，于2020 年5 月4 日利用YSI 公司水質(zhì)多參數(shù)分析儀和實驗室水質(zhì)采樣化驗分析的方式，獲取水溫、DO、ORP、電導(dǎo)率、透明度、NH3-N、NO3-N、TP、TN、CODcr、CODMn、懸浮物SS、濁度、Chl-a 和pH 等15 項水質(zhì)參數(shù)。本次采樣共設(shè)20 個點位，取水表0.5 m表層水，點位具體分布情況見表1。

表1 長蕩湖布設(shè)點分布

通過傳感器現(xiàn)場測量以及實驗室內(nèi)水樣測定，長蕩湖5月水質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示調(diào)研區(qū)域內(nèi)各水質(zhì)參數(shù)具有顯著空間差異。根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2001）和現(xiàn)場采樣實驗室分析結(jié)果,當日長蕩湖CODMn、COD 全湖平均達到Ⅱ類水體水質(zhì)標準，南部水質(zhì)劣于北部，大部分達到Ⅲ類標準。TP、TN 質(zhì)量濃度均低于Ⅴ類地表水標準，湖泊水質(zhì)為劣Ⅴ類，溧陽市域內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖嚴重，湖泊富營養(yǎng)化程度嚴重。

表2 長蕩湖水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

2.3 現(xiàn)場水體高光譜數(shù)據(jù)

高光譜采集與水質(zhì)參數(shù)測量同步進行，根據(jù)布設(shè)點位的序號對各點依次進行測量。本次實驗使用的是美國ASD 公司生產(chǎn)的FieldSpec?4 Std-Res野外便攜式高光譜儀，波長范圍350~2 500nm，能夠捕獲可見和近紅外光譜。在350~1 000 nm范圍內(nèi)，光譜采樣間隔為1.4 nm，光譜分辨率為3 nm，而在1 000~2 500 nm 范圍內(nèi)，光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10nm。獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，反射率計算和異常值剔除處理后，與水質(zhì)參數(shù)進行擬合分析。

2.4 光譜參數(shù)及相關(guān)性分析

將經(jīng)實驗室檢測15 種水質(zhì)參數(shù)和經(jīng)預(yù)處理的光譜反射率進行相關(guān)性分析。分別采樣單波段［6-7］（Single Band，SB）、波段差值［8］（Difference of Band，DB）和波段比值（Ratio of Band，RB）［9-11］（式1~2），比較350~1 000 nm 波長范圍內(nèi)光譜反射率和各參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，篩選出對光譜敏感的水質(zhì)參數(shù)。式中：BD和BR分別為波段差值和波段比值；Ri和Rj為對應(yīng)i和j波段的光譜反射率。

2.5 模型構(gòu)建

利用檢測到的建模樣本，使用各種算法建立光譜數(shù)據(jù)與通過傳統(tǒng)方法檢測的屬性值之間的線性或非線性回歸模型。本次研究根據(jù)光譜相關(guān)性分析結(jié)果，參照水質(zhì)參數(shù)與光譜反射率之間關(guān)系所得規(guī)律選擇最優(yōu)波段組合,分別建立指數(shù)、線性、多項式、冪函數(shù)和對數(shù)模型。

2.6 模型驗證

從所有采樣樣本中隨機選取2/3的樣本用于構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，其他1/3 的樣本用來檢驗?zāi)Ｐ蛿M合精度。選擇相關(guān)性最高的數(shù)學(xué)模型進行水質(zhì)反演，并采用F檢驗法對模型顯著性進行驗證，模型的精度評價指標為絕對誤差（Absloute Error，AE）、均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）、相對誤差（Relative Error，RE）和平均相對誤差（Mean Relative Error，MRE）來表示進行評價。通過R2、RSE、Std.Res（殘差標準差）將驗證組樣本真實值與模型模擬值進行對比，模型的評價標準為R2越高，且RMSE、RE以及MRE越低，則表示模型的擬合效果越好。實測值與模擬值散點越接近1∶1 線，代表反演的精度越高，最終確定反演效果最佳的模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體光譜特征

本次實測光譜曲線在810nm 開始下降，而由于水分子在近紅外波段對光有強吸收作用，波長大于1 000 nm 以后反射率迅速下降并接近于0，所以選擇350~1 000 nm 波長范圍進行樣本分析。本次實驗最終選取的20 個采樣點光譜處理結(jié)果如圖1 所示。根據(jù)光譜實測結(jié)果，長蕩湖水體在可見光范圍內(nèi)共有3個反射峰值區(qū)，分別集中于550 nm、700 nm和800 nm 波長附近，分別對應(yīng)可見光綠光、紅光波長。其中，在550 nm 處的反射率對應(yīng)最高峰值，在700 nm附近出現(xiàn)2個強吸收帶，反射率陡降，800 nm波長以外的反射率逐漸下降。

圖1 長蕩湖采樣點光譜反射率響應(yīng)曲線

2.2 水質(zhì)參數(shù)與高光譜波段相關(guān)性分析

將2020 年5 月4 日同步獲取的上述15 項水質(zhì)參數(shù)和實測光譜數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)分析，獲取水質(zhì)參數(shù)相關(guān)系數(shù)最佳的波段或波段組合反射率值（表3）。單波段相關(guān)性分析優(yōu)點在于模型構(gòu)建簡單且直觀，能排除波段自相關(guān)影響，并且具有豐富的先驗知識和理論基礎(chǔ)作為支撐；雙波段相關(guān)性分析可以一定程度上消除測量時代入人的噪聲、測量環(huán)境變化帶來的誤差和大氣的影響，達到信息增強與壓縮的目的，以利于更好建立水表反射率與水質(zhì)參數(shù)化驗指標之間的關(guān)系。本文分別采用波段差值和比值的方法進行相關(guān)性分析。

表3 長蕩湖水質(zhì)參數(shù)與350~1 000 nm范圍內(nèi)光譜反射率相關(guān)性分析

根據(jù)最優(yōu)波段相關(guān)性表，雙波段組合與光譜反射率之間的相關(guān)關(guān)系整體優(yōu)于單波段，其中波段比值與水溫之間具有最高的相關(guān)性，R=0.96；波段差值對懸浮物SS、電導(dǎo)率、水溫、濁度相關(guān)性最強，R=0.94；單波段對懸浮物SS 具有最高的相關(guān)性，在波長為816 nm處取得，R=0.84。

將各種波段組合下最優(yōu)相關(guān)性大于0.7的水質(zhì)參數(shù)看作光譜反射率的敏感參數(shù)，進行建模分析和對比驗證，最終選取TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度等5 項參數(shù)。圖2~6 為上述5 種參數(shù)分別與單波段、波段差值、波段比值任意組合的相關(guān)關(guān)系分布圖。5 種參數(shù)均在近紅外波段的波長處與反射率具有較好的相關(guān)性，TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度在單波段的最大相關(guān)系數(shù)分別為0.815、0.84、0.78、0.74、-0.74。圖2~6 為上述5 項參數(shù)與350~1 000 nm 波長范圍內(nèi)，3 種波段反射率組合的相關(guān)性分布圖。單波段光譜反射率相關(guān)性最高的波段集中位于近紅外波段附近，900 nm之后伴隨強水汽吸收帶，相關(guān)性迅速減弱。波段差值組合的相關(guān)性分布圖具有一致的特征規(guī)律，雙波段在均位于500 nm 波長范圍內(nèi)的組合與各參數(shù)相關(guān)性較弱，對應(yīng)反射率曲線為Chl-a 和黃色物質(zhì)的強烈吸收帶，此區(qū)間各波段反射率較低。500 nm以上時相關(guān)性較為顯著，且波長差在200 nm 以內(nèi)，波段反射率差值與參數(shù)相關(guān)性較強，這與顆粒懸浮物的散射作用有關(guān)。波段相除組合具有相似的特征，但是當波長超過930 nm后相關(guān)性突然下降。

圖2 TP與光譜反射率相關(guān)性分析

圖3 懸浮物SS與光譜反射率相關(guān)性分析

圖4 濁度與光譜反射率相關(guān)性分析

圖5 水溫與光譜反射率相關(guān)性分析

圖6 透明度與光譜反射率相關(guān)性分析

2.3 模型構(gòu)建

經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?2-15］是通過對觀測對象表層光譜特性和水質(zhì)參數(shù)同步實測，并進行適當?shù)慕y(tǒng)計分析得到水質(zhì)參數(shù)的估測算法。本次實驗以單波段、波段差值、波段比值為自變量，分別利用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、多項式函數(shù)、冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)對長蕩湖TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度這5 項參數(shù)進行模擬（表4~8）。

表4 長蕩湖水體TP高光譜擬合模型

利用單波段、波段差值和波段比值組合，利用多種數(shù)學(xué)模型，建立光譜反射率和TP質(zhì)量濃度之間的定量關(guān)系。結(jié)果顯示，比值模型整體相關(guān)性最優(yōu)，各類函數(shù)擬合均保持R2>0.8,其中將864 nm 和914 nm處的反射率比值作為自變量，建立的一元二次多項式方程模擬的TP 質(zhì)量濃度具有最高的相關(guān)性，R2為0.833，并且通過F檢驗。

利用單波段、波段差值和波段比值組合，結(jié)合多種數(shù)學(xué)模型，建立光譜反射率和懸浮物SS之間的定量關(guān)系。結(jié)果顯示，用波段差值和波段比值進行擬合均能取得較好的效果，其中將928 nm和964 nm處的反射率比值作為自變量，建立的一元二次多項式方程模擬的懸浮物質(zhì)量濃度具有最高的相關(guān)性，R2為0.926，并且通過F檢驗。

利用單波段、波段差值和波段比值組合，利用多種數(shù)學(xué)模型，建立光譜反射率和濁度之間的定量關(guān)系。結(jié)果顯示，單波段反射率與濁度在可見光范圍內(nèi)雖然有較好的相關(guān)性，但不適宜用本文提供的經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄟM行擬合。雙波段進行擬合的效果明顯優(yōu)于單波段，并且以909 nm 和923 nm 處的反射率差值作為自變量，建立的線性方程模擬的水體濁度具有最高的相關(guān)性，R2為0.922。

利用單波段、波段差值和波段比值組合，利用多種數(shù)學(xué)模型，建立光譜反射率和水溫之間的定量關(guān)系。結(jié)果顯示，雙波段模擬效果明顯優(yōu)于單波段，將779 nm 和740 nm 處的反射率比值作為自變量，建立的線性方程和多相式方程模擬的pH 值相關(guān)性最高，R2均為0.941，并且通過F檢驗?？紤]到線性方程式模型更加簡易，最終選擇線性模型作為反演模型。

表5 長蕩湖水體懸浮物SS高光譜擬合模型

表6 長蕩湖水體濁度高光譜擬合模型

利用單波段、波段差值和波段比值組合，利用多種數(shù)學(xué)模型，建立光譜反射率和透明度之間的定量關(guān)系。結(jié)果顯示，利用差值組合擬合的效果最佳，其中將971 nm 和930 nm 處的反射率差值作為自變量，建立的指數(shù)方程模擬的透明度具有最高的相關(guān)性，R2為0.959，并且通過F檢驗。

對上述5種參數(shù)最佳波段組合下的最優(yōu)模型進行整體評價，除TP 的擬合采用的是波段比值，懸浮物、濁度、水溫和透明度均宜采用波段差值的組合。對透明度模擬的R值最高，對水溫進行模擬后MRE取得最小值（表9）。

表9 高光譜擬合模型整體評價

2.4 模型評價

根據(jù)最優(yōu)半經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測值與TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度實測值的對比，根據(jù)本文模型預(yù)測的長蕩湖TP、濁度、透明度均與實測值高度吻合。TPR2=0.97，RES=0.005，std.Res=0.015；透明度R2=0.97，RES=0.069，std.Res=1.204；透明度R2=0.9，RES=-0.971，std.Res=3.69。預(yù)測值與實測值均勻分布在X=Y線的兩側(cè)且緊鄰分布。水溫和懸浮物SS的模擬相關(guān)性弱于上述3 項，但R2均大于0.74。整體而言，本文建立模型對長蕩湖TP、懸浮物、濁度、水溫和透明度的預(yù)測均取得較好的效果。圖7為擬合效果對比圖。

圖7 長蕩湖參數(shù)反演模型精度評價

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)實測長蕩湖的光譜特征，利用同步獲取20個點位的15項常規(guī)水質(zhì)參數(shù)。通過光譜反射率和水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性分析，篩選出TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度等5項相關(guān)性強的水質(zhì)參數(shù)，建立適用于長蕩湖的多種水質(zhì)-高光譜反演模型，并進行模型驗證和適用性分析等，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)2021年5月對長蕩湖15項水質(zhì)特征參數(shù)的采樣結(jié)果分析，當日長蕩湖CODMn、COD全湖平均達到Ⅱ類水體水質(zhì)標準，南部水質(zhì)劣于北部，大都達到Ⅲ類標準。TP、TN 質(zhì)量濃度均低于Ⅴ類地表水標準，湖泊水質(zhì)為劣Ⅴ類。受溧陽市域內(nèi)大量圍網(wǎng)養(yǎng)殖的影響，全湖各位置懸浮物SS、濁度、Chl-a 和透明度差異較大，南部湖泊富營養(yǎng)化程度嚴重。

表7 長蕩湖水體水溫高光譜擬合模型

表8 長蕩湖水體透明度高光譜擬合模型

（2）根據(jù)光譜實測結(jié)果，長蕩湖水體在可見光范圍內(nèi)共有3 個反射峰值區(qū)，分別集中于550 nm、700 nm 和800 nm 波長附近，分別對應(yīng)可見光綠光、紅光波長。其中，在550 nm處的反射率對應(yīng)最高峰值，在700 nm附近出現(xiàn)2個強吸收帶，反射率陡降，800 nm波長以外的反射率逐漸下降。

（3）在實測水表光譜的基礎(chǔ)上，分別利用單波段、雙波段差值、雙波段比值3 種組合方式與15 項水質(zhì)參數(shù)進行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，雙波段普遍比單波段具有更強相關(guān)性。單波段則受限于單邊自變量，相關(guān)性在給定波長內(nèi)表現(xiàn)出正負性。TP、懸浮物SS、濁度、水溫和透明度在不同波段反射率組合條件下Rmax均大于0.7，表現(xiàn)出較強相關(guān)性，對光輻射敏感性較高。受自身作用機制和被其他水質(zhì)參數(shù)掩蓋特征的影響，另外10種水質(zhì)參數(shù)輻射特性表現(xiàn)不太顯著。

（4）基于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，分別利用指數(shù)、線性、多項式、冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)，篩選出最優(yōu)波段組合下的最佳反演模型。結(jié)果顯示，多項式模型對TP、懸浮物SS和透明度的反演效果最佳，相關(guān)系數(shù)平方分別達到R2864/914=0.92，R2928-964=0.93，R2971-930=0.96。濁度和水溫更適合用線性函數(shù)反演，兩者反演的相關(guān)系數(shù)平方分別為R2909-923=0.92，R2779-740=0.94。將上述模型帶入檢驗集中進行精度驗證，均表現(xiàn)出于真實值相近的結(jié)果。TP 預(yù)測值和真實值之間R2=0.97，RES=0.005；懸浮物SSR2=0.74，RES=1.014；濁度R2=0.9，RES=0.971；水溫R2=0.80，RES=0.144；透明度R2=0.97，RES=0.069。

（5）高光譜技術(shù)在湖泊水質(zhì)參數(shù)研究中發(fā)揮重要作用，利用實測光譜和水質(zhì)參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型有利于提高遙感反演精度，為實際應(yīng)用和推廣建立理論依據(jù)。同時，長蕩湖內(nèi)構(gòu)筑物分布復(fù)雜，具有飲用水源地、水上景觀、餐飲船聚集點和圍網(wǎng)養(yǎng)殖等多種功能區(qū)?，F(xiàn)已在全湖開展退圩還湖工作，高精度高光譜反演模型結(jié)合衛(wèi)星遙感可有效監(jiān)測工程實施過程中全湖水質(zhì)改善狀況，并對各功能區(qū)的分配決策給出指導(dǎo)性意見。