深圳市水庫CODMn濃度時空分布特征1.0

隨著經濟快速發(fā)展、城市化進程不斷加快和人口數(shù)量的加劇，對水資源的依賴逐漸加重，增加了對地表水的需求和地表水污染的風險。城市及其附近的地表水以有機污染為主，了解地表水的有機污染狀況和變化趨勢可以有效幫助保護緊缺的水資源，為水環(huán)境治理提供參考。傳統(tǒng)的點采樣監(jiān)測方式雖然可以給出準確的測量結果，但是既耗時又花費高，并且無法提供大范圍面狀的水質評估和實時的水質狀況。遙感技術憑借探測范圍廣、成本低、周期性重復覆蓋等優(yōu)勢，在水體有機污染監(jiān)測中廣泛使用。

基于此，本文以深圳市3大水庫為研究對象，從具有更強穩(wěn)健性和普適性的輻射傳輸模型出發(fā)，根據(jù)光在水體內部的輻射傳輸過程，通過測量獲得研究區(qū)水體固有光學參數(shù)，建立反射率與水質參數(shù)CODMn之間的物理模型。選用GF-1WFV數(shù)據(jù)，反演3大水庫的CODMn濃度，分析CODMn濃度時空變化特征，提供水質保護應對策略分析，為深圳市飲用水源地水環(huán)境保護提供參考。

1研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

深圳市位于東江流域下游，75%的飲用水源來自東江，主要的調蓄供水水庫有鐵崗水庫、西麗水庫、石巖水庫等。3大水庫位于東部引水工程末端（圖1（a）），庫容量分別為深圳市第1、第3和第4，水庫蓄水量大，可以很好代表深圳市水庫水質狀況。石巖水庫有6條入庫支流，與石巖街道相鄰，南部建有鐵崗水庫—石巖水庫供水渠與鐵崗水庫相連。鐵崗水庫有4條入庫支流，東部有西鐵連通隧道與西麗水庫相連。西麗水庫主要調蓄深圳東部水源至鐵崗水庫。3大水庫緊靠深圳市建成區(qū)，庫區(qū)周邊分布一些小型加工廠和住宅，周圍用地大多為建筑用地、果園和菜園，外圍用地基本是經濟林、農田和水塘。3大水庫存在潛在的污染源威脅庫區(qū)水質安全（圖1（b）），水庫基本概況見表1。

（a）深圳市河流、水庫分布（b）深圳市3大水庫位置

圖1深圳市3大水庫位置圖

表1石巖水庫、鐵崗水庫、西麗水庫概況

1.2現(xiàn)場水樣數(shù)據(jù)

CODMn現(xiàn)場樣點是采集表層（0—50cm）水樣，冷藏保存，同時利用GPS記錄每個采樣點坐標。在采樣完畢后迅速送往實驗室，采用GB11901-89測定水樣中CODMn濃度。其測定原理為采用硫酸—高錳酸鉀消解體系，水樣經沸水浴加熱消解后，加入過量草酸鈉，再用高錳酸鉀標準溶液回滴，計算出高錳酸鹽指數(shù)。

1.3遙感數(shù)據(jù)

本研究選擇太陽同步回歸軌道的GF-1衛(wèi)星16m空間分辨率的多光譜CCD遙感數(shù)據(jù)。有4個波段，波段設置分別為藍光波段（450—520nm）、綠光波段（520—590nm）、紅光波段（630—690nm），近紅外波段（770—890nm），中心波長分別為514nm、546nm、656nm和822nm。

2 深圳水庫CODMn遙感反演

2.1光學參數(shù)測量

CODMn遙感反演模型的水體固定光學參數(shù)需要測量4類物質的光學參數(shù)。純水吸收系數(shù)和散射系數(shù)參考方法進行實驗。葉綠素、懸浮泥沙、耗氧性有機物吸收系數(shù)和散射系數(shù)測量參考方法，使用實驗室自主研制的消光系數(shù)測量裝置分別測量表1典型水體樣品的消光系數(shù)，根據(jù)光學深水中近似認為h→∞，計算得到散射系數(shù)和吸收系數(shù)光譜。其中，耗氧性有機物吸收系數(shù)、散射系數(shù)光譜見圖3。根據(jù)波段設置，計算得到對應波段的吸收和散射系數(shù)。

圖3耗氧性有機物吸收、散射系數(shù)

2.2數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括幾何糾正、輻射定標、大氣糾正、水陸分離。

（1）幾何糾正以高空間分辨率的GoogleEarth影像為基準，選擇的GCP點均勻分布在影像內部。通過控制點的選擇，確保校正誤差小于0.5個像元。

（2）高分一號輻射定標根據(jù)中國資源衛(wèi)星中心官網（http://www.cresda.cn）提供的2018年國產陸地觀測衛(wèi)星絕對輻射定標系數(shù)，結合頭文件提供的衛(wèi)星圖像捕獲參數(shù)，將DN值轉換為行星反射率

式中，ρTOA是行星反射率，d是衛(wèi)星過境時的日地距離和平均日地距離的比值，F(xiàn)0是大氣層外太陽輻照度。

（3）大氣校正是準確獲取水色參數(shù)的前提條件，本文針對高分一號波段設置，充分考慮天空光的下行散射影響。采用暗像元法，選擇圖幅內水質級別長期為Ⅰ級的開闊的清、深水體作為暗像元進行大氣校正。

假設天空輻照度各向同性，地表是朗伯面反射，忽略大氣分子和氣溶膠的相互作用，天空光部分僅考慮瑞利散射作用。建立行星反射率與真實地物反射率（ρs）與的函數(shù)關系，形式如下

式中，大氣總散射系數(shù)ω由暗像元算出，忽略大氣的吸收作用，觀測方向的大氣透過率tu=1-ω，根據(jù)大氣光學厚度定義求出入射方向的大氣透過率td。為提高大氣校正精度，考慮大氣的非均質性，選擇多個清、深水體像元，根據(jù)圖幅像元到各暗像元距離的權重，計算出各像元對應的大氣校正參數(shù)，根據(jù)式子將行星反射率轉換為地物反射率。在大氣校正的同時，參考鄧孺孺等方法去除水面鏡面反射的信息。從影像上分別選擇水體和植被兩種典型地物樣本，對比大氣校正前后純像元反射率和實測地物反射率，對比結果如圖4所示。由圖4可以看出，大氣校正消除大氣散射光對藍、綠、紅波段反射率的增強，減弱大氣散射光對近紅外波段反射率的衰減。經過大氣校正后，兩種典型地物的反射率與實測地物反射率很接近。

（a）大氣校正前后水體反射率同實測反射率對比

（b）大氣校正前后植被反射率同實測反射率對比

圖4大氣校正前后水體、植被反射率同實測值的比較

（4）水陸分離，提取水體部分，能夠突出水體部分的信息，有效提高運算速度?；诠庾V特征的水體提取中，單波段或多波段閾值法簡單易用，由于GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)只有4個波段，綜合考慮，決定選用水體指數(shù)（NDWI）方法提取水體。NDWI方法是目前廣泛應用的一種水體監(jiān)測方法，利用水體在綠光波段的高反射率和近紅外波段的低反射率特征，增強水體信息；利用植被、土壤在近紅外波段的高反射率特征，抑制植被、土壤信息。NDWI同時還可以提供水體濁度信息，在二類水體遙感監(jiān)測中，能有效增加水體提取精度。本文利用近紅外波段和綠波段中像元亮度值進行計算，其定義：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）

結合實際中存在渾濁度較高的水體，依據(jù)水體近紅外波段反射率大于綠光波段的特征，加入NIR設置水陸分割閾值。圖5顯示，深圳市3大水庫細節(jié)部分能成功提取，保證了水陸分離精度。

2.3特征波段選擇

從水體弱信息中提取CODMn的關鍵是利用敏感波段區(qū)分耗氧性有機物與水體其他組分。針對GF1WFV的波段設置，近紅外波段對應耗氧性有機物散射太弱，水體光譜主要受到懸浮泥沙、水體自身吸收等的影響，難以提取CODMn微弱的信息，故排除。綠光波段對應耗氧性有機物有反射峰值，對應葉綠素和懸浮泥沙均表現(xiàn)為弱吸收、弱散射，將其列入特征波段；藍光和紅光波段可以提供足夠信息提取水體有機物含量，故將藍光和紅光波段加入特征波段。綜上，最終確定CODMn特征波段是藍、綠、紅3個波段。

圖52019年1月25日影像水陸分離結果圖

2.4CODMn反演

數(shù)據(jù)預處理后，得到遙感反射率影像。通過下式轉換為水面以下的反射率。考慮深圳地區(qū)水庫水深較大，可以認定為光學深水，近似認為h→∞，忽略底質影響。根據(jù)研究區(qū)光學深水的特性，簡化CODMn遙感反演模型得到：

考慮深圳地區(qū)水庫水深較大，可以認定為光學深水，近似認為h→∞，忽略底質影響。根據(jù)研究區(qū)光學深水的特性，簡化CODMn遙感反演模型得到：

水體散射相函數(shù)按照瑞利散射的散射相函數(shù)進行計算。將實驗測量的純水、耗氧性有機物、葉綠素、懸浮泥沙光學參數(shù)數(shù)值參考式，結合藍、綠、紅共3個波段建立3個方程組，聯(lián)立求解水體綜合光學參數(shù)，來得到整幅影像的CODMn濃度Dp。影像CODMn濃度提取圖進行密度分割將濃度分級，得到圖6。

（a）2018年3月11日CODMn濃度反演結果與驗證點分布

（b）2019年1月25日CODMn濃度反演結果與驗證點分布

圖6CODMn濃度反演結果與驗證點分布

3結 論

CODMn作為《國家地表水監(jiān)測及評價方案》中9大基本監(jiān)測指標之一，直接參與水質評價。CODMn濃度的準確和長期監(jiān)測對水環(huán)境保護和治理具有重要意義。針對目前CODMn反演局限在依賴大量實測數(shù)據(jù)的經驗模型，本文基于輻射傳輸原理，考慮廣東省內陸水體特征，將影響研究區(qū)水色反演的主要水質組分：懸浮泥沙、葉綠素、耗氧性有機物考慮到模型中，測量耗氧性有機物光學參數(shù)，建立地物反射率與CODMn濃度之間模型。通過對深圳市3大水庫CODMn濃度進行定量反演，經過地面測量數(shù)據(jù)驗證，決定系數(shù)R2達到0.832，均方根誤差較低，模型方法可靠。本文模型方法與線性回歸法、波段比值法等經驗模型相比，優(yōu)點在于模型中參數(shù)意義明確，反演機理清晰，計算相對簡單，可以通過改變不同地區(qū)水體光學固有參數(shù)來適應不同的地區(qū)的水體CODMn濃度反演。

對深圳3大水庫CODMn濃度時空分布進行研究，主要得出以下結論：深圳3大水庫的水質整體受到輕度有機污染，CODMn高值區(qū)多位于庫角處。水庫間連接處未出現(xiàn)污染轉移擴散情況。隨著時間推進，3大水庫水質情況得到改善。結合2019年5月份水質結果，驗證深圳市政府2018年度水質整治專項措施有效性。經清理水庫周邊違建、轉移居民等切斷潛在外源污染體后，3大水庫水質得到改善。水庫水質保護的核心是控制外源污染，避免豐水期污染源的輸入。

本文在進行CODMn濃度反演時，僅依賴一組水體固有光學參數(shù)，而水體固有光學特性存在著季節(jié)差異，可能會產生一定的誤差，后續(xù)將充分研究水體固有光學參數(shù)的變化模式，以提高模型的穩(wěn)健性。另外，本文模型應用在內陸淺水時，引入水底反射的影響，造成模型未知變量過多，需要更多波段的遙感數(shù)據(jù)，有待開展更多譜段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)如高分六號在淺水CODMn反演方面的研究。

審核編輯 黃昊宇