基于GF-1 WFV影像的官厅水库悬浮物浓度反演及时空变化研究

发布时间：2016-05-17 06:26

1  绪论

1.1  研究背景及意义
水是生命之源，也是人类赖以生存与发展的重要物质资源，我国水资源面临的形势日趋严峻，主要存在两个问题：一是水资源短缺，二是水污染严重。地球表面虽有70.8％的面积被水体所覆盖，但只有 2.5％是淡水，其余 97.5％是咸水，无法供人类饮用。在极其有限的淡水资源中，约 70％冻结在两极冰盖中，其余大部分是难以开采的深层地下水和土壤里的水分，只有浅层地下水、江河湖泊及水库能被人类直接使用。这部分水资源不足世界淡水资源的 1％，且分布很不均匀。 我国水旱灾害频繁发生，水资源严重短缺，人均占有量约为世界平均水平的25％，联合国已将我国列为 13 个最贫水国家之一。我国监测的河流有 1200 多条，其中超过 850 条受到不同程度的污染，城市水域也超过 90%遭受污染，致使鱼虾绝迹，禽不戏水。水污染问题日益严峻，逐渐成为全球性的头号环境治理难题。水体是指江河、湖泊、海洋、冰川、地下水等的总称，包括水和水中的悬浮物、水生生物、溶解物质、底泥等。水体污染直接危害人类健康，破坏生态环境，造成水质恶化，严重威胁到人类的生存安全。因此，准确、及时地了解水质状况，掌握其变化趋势，便于有效地保护水资源和改善水环境。 内陆水体分布广泛，包括位于陆地表面的湖泊、水库和河流，是支撑着人类生产和生活的最重要的水源。近年来，随着经济的高速发展，人类大量排放工农业和城市生活废水，致使水污染事件时有发生。例如 2007 年 5 月份开始相继暴发的太湖、巢湖、滇池的蓝藻危机，蓝藻暴发的内因其实就是湖水的富营养化导致的水质污染现象。我国内陆水体富营养化的发展趋势十分迅速。1978 至 1980 年，我国的大多数湖泊尚处于中营养状态，富营养状态的湖泊只占 5%，而在往后的 10 年里，富营养化状态的湖泊从 5%迅速增至 55%，根据统计数据显示，到 2006 年，我国达到富营养化状态的水域面积为 36%，水体体积为 85%[1]。近年来不断加剧的突发性水污染和水环境事件，严重影响当地的社会稳定和经济发展。因此，对水环境和水污染开展定期监测、控制和治理是本文目前亟待解决的关键技术问题。常规的水质监测方法非常耗时耗力，且不具备广泛的代表性意义，进行长时间连续动态监测较为困难，不能满足水质监测的实时性及大范围、大尺度的监测需求[2]。利用遥感技术监测内陆水体具备空间大范围监测、监测周期短、利于长时间动态监测、成本低等优势，而一些常规方法不容易揭示的污染物及污染源的迁移特征都能同时被发现[3]。 
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1.2  国内外研究进展 
水体光学成分一般包含纯水、浮游植物、有色可溶性有机物（CDOM，chromophoric dissolved organic matter）和非藻类颗粒物这四种物质[13]。水体的光学特性集中体现在水体中可见光的辐射传输过程。这个过程包含吸收、反射、折射和水体中悬浮物的多次散射等。水体的光学性质、水面的入射辐射、表面粗糙度、气-水界面的相对折射率、日照角度与观测角度和水底反射（某些情况下会有涉及）都是决定水体光谱特征的因素。 图 1.2 反映了电磁波与水体是如何相互作用的。如图所示，太阳光和天空光共同到达水面，其中含有少量水体本身信息的约 3.5%水面散射光 Ls进入大气，它的强度与表面粗糙度、水面冰层、水面浮游生物、泡沫带等水面性质有关。其余的光经过折射和透射，进入水中的透射光主要被水分子吸收和散射，以及水体中的悬浮物质所引起的反射、散射、衍射最终形成水中散射光，其强度与水的浑浊度呈正相关，即水体越浑浊，水中散射光越强。水中散射光衰减后到达水体底部的部分形成底部散射光，其强度与水的深度呈负相关，即水越深，底部散射光越弱；且水越浑浊，底部散射光也越弱。水中向上的散射光及底部反射光（浅海条件下）共同组成水中光 Lw，也称离水反射辐射。
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2  基于烧失量分析的水体悬浮物浓度测量方法改进

2.1  方法
目前悬浮物含量的测量方法主要是称重法。该方法是利用煅烧称重好的 Whatman  GF/C 玻璃纤维空白滤膜过滤水样，在 105  ℃下烘干该滤膜后再次称重，该重量减去空白滤膜重量即可得到过滤水样中的总悬浮物（Total Suspended Matter，简称为 TSM）质量。然后在 550℃下煅烧该滤膜，煅烧前后的重量差即有机悬浮物（Organic Suspended Matter，，简称为 OSM）质量，最后滤膜上留下的是无机悬浮物（Inorganic Suspended  Matter，简称为 ISM）质量。烘干的目的是为了除去滤膜中的水分，煅烧的目的是为了除去过滤物中的有机物和气态产物。针对烘干、煅烧温度和煅烧时长，国际上不同的机构和实验室采取的操作规范不尽相同。 针对 OSM 测量，不同研究者在煅烧时长的问题上争议较大。Heiri O 等[47]提出的操作规范是在 550℃下煅烧滤膜，时长为 4h。Stavn RH 等[48]提出先在 550℃条件下煅烧滤膜，时长为 0.25h，然后反复煅烧、冷却、干燥和称重直至滤膜质量达到稳定。一般经过三个回合，即总煅烧时长为 0.75h，可以满足质量基本不变的要求，有时需要经过 4 个回合。在美国 APHA《水和废水检验标准方法》[49]中也有提到：如果要测得挥发性的固体物质含量，在马弗炉中煅烧 0.25h，且经过反复煅烧、冷却、干燥和称重的过程后，直至样品的质量改变少于上一次称重结果的 4%或者两者质量变化少于 0.5mg。Juhani  Virkanen 等[50]涉及有机悬浮物的烧失量法时采用的煅烧温度为550℃，煅烧时长为 2.5h。Christophe  Luczak 等[51]提出在不受其它关键因素的干扰下能充分煅烧并除去有机物的最佳时长可能为 6h。Yunlin  Zhang 等[52]采用 Whatman  GF/C 玻璃纤维滤膜，先将其在 550℃条件下煅烧 4h 以除去空白滤膜中的溶解性有机悬浮物。Daniel Karlsson [53]为了得到有机悬浮物含量，采用直径为 25mm 的 Whatman  GF/F 玻璃纤维滤膜过滤水样，在 550℃条件下煅烧 4h。Christian Wilhelm Mohr [54]采用孔径为 0.7μm 的 Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜过滤水样，在 550℃条件下煅烧 4h。  
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2.2  实验设计与数据获取
本章共设计了三组实验，讨论如何改进空白滤膜的原始处理方法。其中，第一组实验判定空白滤膜的最佳煅烧时长，第二组实验比较两种不同冷却方法的影响，第三组实验讨论马弗炉降到不同温度取出滤膜对实验数据的影响。第一组试验讨论空白滤膜在 550℃的条件下煅烧多长时间可以达到恒重。实验采用 Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜，直径为 47mm，孔径为 0.7μm。本文选取了 6 张空白滤膜，分为 3 组，每组 2 张做比对。分别取 0.25h、0.5h、0.75h、1h、2h、3h 和 4h这 7 个不同的时间长度，煅烧后取出滤膜放入干燥皿中冷却 0.5h 后再进行称重，记录滤膜质量并计算烧失量。煅烧、冷却和称重的这个过程称为一个回合。煅烧前先将所有滤膜进行称重，记录初始质量，每一回合后记录煅烧后的滤膜质量。煅烧时长达到 1h 前，每隔 0.25h 为一个回合；煅烧时长达到 1h 后，每隔 1h 为一个回合。表 2.1记录了 7 个不同的煅烧时间长度下，空白滤膜的质量变化情况。 
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3   基于实测光谱数据的悬浮物浓度反演模型构建 ....31 
3.1  实测遥感反射率光谱特征分析 ......31 
3.2  实测悬浮物浓度时空变化规律分析 ..........34 
3.3  反演算法及模型构建 .......37 
3.4  精度分析与评价 ........38 
3.5  本章小结 ........... 43 
4   基于GF-1 WFV影像的悬浮物浓度反演 ........... 45 
4.1  技术路线与流程 ........ 45 
4.2  基于GF-1 WFV影像反演官厅水库悬浮物浓度 .......... 46 
4.2.1 GF-1卫星简介 ......... 46 
4.2.2 GF-1 WFV卫星影像数据预处理 ...... 46 
4.2.3  官厅水库的悬浮物浓度反演 ............ 49 
4.3 2013-2014年官厅水库悬浮物浓度时空变化规律分析 ...... 57 
4.4  本章小结 ........... 60 
5  结论与展望 ...... 61 
5.1  结论 ....... 61 
5.2  展望 ....... 62 

4  基于 GF-1 WFV 影像的悬浮物浓度反演

4.1  技术路线与流程

利用 GF-1 WFV 影像反演水体悬浮物浓度需要完成的步骤包括：几何精校正、区域裁剪、辐射校正、TOA 反射率、云掩膜、大气校正、水体掩膜、悬浮物浓度反演、异常值校正、专题制图。具体流程如图 4.1 所示。 GF-1 卫星是我国“高分专项”发射的首颗卫星，于 2013 年 4 月 26 日成功发射升空，搭载了两台分辨率为 2m 的全色相机和两台分辨率为 8m 的多光谱相机，以及四台分辨率为 16m 的多光谱宽幅相机。其中 2m 分辨率全色相机和 8m 分辨率多光谱相机以 60km 幅宽进行对地观测，且 16m 分辨率多光谱相机以 800km 大幅宽同步完成对地观测，属国际首创。GF-1 卫星突破了由高空间分辨率、高时间分辨率、多光谱与宽覆盖结合的光学遥感技术，星上的多个载荷可同时运行工作，其综合指标属国际先进水平，在国际同类遥感卫星中 800km 观测幅宽是最高的。高分一号卫星实现了时间分辨率和空间分辨率的最优组合。从高分一号卫星影像上可以识别地面目标的最小尺寸达 2 米左右，卫星的重访周期为 4 天。目前在国内运行卫星载荷当中，高分一号卫星已达到最高水平。 

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结论 

本文以官厅水库为研究对象，基于野外试验采集的水面光谱数据和实测悬浮物浓度数据，构建了官厅水库水体悬浮物浓度反演模型。其中针对实测悬浮物浓度数据的获取，本文提出基于烧失量结合单因素方差分析的方法改进了原有的测量规范，提高了工作效率。本文最终选取了 GF-1 卫星 WFV 多光谱图像的蓝光波段、绿光波段和红光波段的多波段组合作为遥感因子，并建立线性回归模型作为研究区水体悬浮物浓度的反演模型。获取官厅水库 2013~2014 年的 GF-1 WFV 多光谱图像，利用构建的反演模型，实现了官厅水库长时间序列水体悬浮物浓度的反演，并分析了官厅水库水体悬浮物浓度的时空变化规律。本文所做的研究得到了一些初步的结论： 
1)  依据同种滤膜的总失重比在一定的温度范围内应一致的原则，探讨了用烧失 量法选择悬浮物浓度测量方法中煅烧时长等问题。原有的实验规范笼统地认为空白滤膜和过滤水样后的滤膜的煅烧时长是一致的。本文将空白滤膜和过滤水样后的滤膜的处理方法分开进行了讨论。实验证明：空白滤膜的原始处理方法可以减少煅烧时长和冷却时间。空白滤膜过滤不同类型的水样后，本文采用烧失量法结合 SPSS 软件的单因素方差分析，选取滤膜最合适的煅烧时长。结果表明：对于不同类型的水样，其最佳的煅烧时长不同。本文在保证数据精度和安全性操作的前提下，提出了改进后的悬浮物浓度测量方法。 
2)  基于四次野外试验的水面光谱数据分析了其对应的 6 个特征波长，分别是 560nm 附近的大反射峰、630nm 附近的小反射谷、650nm 附近的小反射峰、675nm 附近的大反射谷、700nm 附近的反射峰和 810nm 附近的小反射峰。描述了这些特征波长的特点及其形成原因。基于实测的水体悬浮物浓度数据，分别从时间跨度和空间分布上分析了水体悬浮物浓度的变化规律。从时间跨度上：对比官厅水库 2013 年秋季的悬浮物浓度和 2014 年秋季的悬浮物浓度，发现其变化很小。对比 2014 年夏季的悬浮物浓度和同年秋季的悬浮物浓度，发现夏季的悬浮物浓度要比秋季的悬浮物浓度高。从空间分布上：中库区的悬浮物浓度总体较妫库区的悬浮物浓度高。利用 GF-1 WFV 多光谱图像的波段 1、波段 2 和波段 3 这三个波段的组合作为遥感因子，建立线性回归模型作为研究区悬浮物浓度的反演模型。结合与水面试验同步的卫星遥感影像数据，检验构建的悬浮物浓度反演模型，结果表明：反演得到的悬浮物浓度的平均值约为 8.25mg/L，与实测数据的平均值 8.14mg/L 非常接近。实测悬浮物浓度与反演悬浮物浓度的决定系数达到了 0.8487，平均绝对误差为 0.8mg/L，均方根误差为1.58mg/L，平均相对误差为 9.6%，反演精度达到 90.4%。则表明模型的反演结果较为可靠，精度较高。 
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参考文献(略)

本文编号：45914