湖北省12個(gè)湖泊水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的遙感監(jiān)測(cè)

湖北省12個(gè)湖泊水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的遙感監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，湖泊水污染和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)人們的日常生活和健康健康有重大影響。因此，我們需要對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行快速、正確的監(jiān)測(cè)。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)耗力,難以實(shí)現(xiàn)湖泊水質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè),且監(jiān)測(cè)的結(jié)果只能反映局部點(diǎn)范圍內(nèi)的污染情況,不能反映大區(qū)域的污染信息隨著湖泊資源開(kāi)發(fā)利用的加劇,湖北省湖泊數(shù)量銳減,面積持續(xù)萎縮,“千湖之省”已不再是擁有湖泊最多的省份“湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)”以環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1A/1B)CCD影像為主要數(shù)據(jù)源,以湖北省大東湖水網(wǎng)、梁子湖水系和湯遜湖水系共計(jì)12個(gè)湖泊為示范區(qū)域,結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)湖泊水環(huán)境質(zhì)量,探索對(duì)湖北省湖泊水質(zhì)更有效的監(jiān)測(cè)和管理方式1數(shù)據(jù)預(yù)處理及評(píng)價(jià)系統(tǒng)“湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)”由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成:遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng),水環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng),水環(huán)境遙感可視化子系統(tǒng)。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成具體的監(jiān)測(cè)工作,其主要功能模塊如圖1所示。由于原始影像不能直接用于水質(zhì)參數(shù)反演,需要先進(jìn)行地理坐標(biāo)校準(zhǔn)和輻射定標(biāo)等處理,從而生成表達(dá)地物反射率和亮度溫度的中間產(chǎn)品,因此水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能包括輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、投影變換、湖區(qū)提取等。水環(huán)境監(jiān)測(cè)功能主要包括水環(huán)境指標(biāo)提取和水環(huán)境評(píng)價(jià)。本系統(tǒng)提供了2種水環(huán)境指標(biāo)提取方法,分別是模型法和分割法。模型法是基于水環(huán)境指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)波段光譜數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合得到的反演模型,通過(guò)波段間的組合運(yùn)算,反演得到湖區(qū)12個(gè)單項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo),包括五日生化需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、汞、揮發(fā)酚、鉛、溶解氧、石油類(lèi)、透明度、葉綠素a、總氮、總磷。分割法是從圖像處理和空間分析的角度進(jìn)行水環(huán)境指標(biāo)反演,通過(guò)對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,并選擇與監(jiān)測(cè)指標(biāo)相關(guān)程度高的波段組合構(gòu)造新的特征影像,采用均值漂移算法對(duì)特征影像進(jìn)行對(duì)象分割,針對(duì)分割后形成的圖斑,進(jìn)行反距離加權(quán)內(nèi)插,得到整個(gè)湖區(qū)的12個(gè)單項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)。水環(huán)境評(píng)價(jià)主要是根據(jù)環(huán)境保護(hù)部公布的水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)遙感反演獲得的12個(gè)單項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),包括富營(yíng)養(yǎng)化程度分級(jí)、水質(zhì)分級(jí)和水污染程度分級(jí)。水質(zhì)現(xiàn)狀類(lèi)別評(píng)價(jià)采用單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)》。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號(hào))。2應(yīng)用示范2.1開(kāi)展水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范以武漢城市圈大東湖水網(wǎng)、梁子湖水系、湯遜湖水系共計(jì)12個(gè)湖泊為示范區(qū)域來(lái)進(jìn)行湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范。大東湖水網(wǎng)是長(zhǎng)江中游最大的城市湖泊水系,以東湖為中心,主要由東湖、沙湖、楊春湖、北湖、嚴(yán)西湖和嚴(yán)東湖等6個(gè)湖泊組成,面積分別約為33、3、0.1、3、13、7km2.2湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀下載示范區(qū)域各湖泊清晰無(wú)云的HJ-1A/1BCCD遙感影像每月各一景,每月監(jiān)測(cè)1次,全年共監(jiān)測(cè)12次。首先在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、投影變換、水域提取等預(yù)處理。然后采用基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的最小二乘法擬合建立的反演模型,反演得到12個(gè)單項(xiàng)水環(huán)境指標(biāo)的分級(jí)圖,并在這些單項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),最終形成遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)分級(jí)專(zhuān)題圖和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別專(zhuān)題圖,圖3所示分別為梁子湖水系2013年8月水質(zhì)分級(jí)專(zhuān)題圖和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別專(zhuān)題圖。對(duì)2012—2014年示范區(qū)域各湖泊進(jìn)行水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè),每月監(jiān)測(cè)1次,共監(jiān)測(cè)36次。遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:梁子湖水系各湖泊水質(zhì)相對(duì)較好,其中梁子湖、豹澥湖主要為II類(lèi)水質(zhì),保安湖、鴨兒湖主要為III類(lèi)水質(zhì);除保安湖為輕度富營(yíng)養(yǎng)化外,梁子湖水系各湖泊均未見(jiàn)明顯富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,其中梁子湖以中營(yíng)養(yǎng)化為主,鴨兒湖和豹澥湖以貧營(yíng)養(yǎng)化為主。大東湖水網(wǎng)各湖泊出現(xiàn)了明顯的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,其中沙湖、東湖、嚴(yán)東湖以輕度富營(yíng)養(yǎng)化為主;楊春湖和北湖以中度富營(yíng)養(yǎng)化為主;嚴(yán)西湖以中營(yíng)養(yǎng)和輕度富營(yíng)養(yǎng)化為主。大東湖水網(wǎng)各湖泊水質(zhì)狀況參差不齊,其中沙湖和嚴(yán)西湖以II類(lèi)水體為主,嚴(yán)東湖以III類(lèi)水體為主,東湖以IV、V類(lèi)水體為主,楊春和北湖以V類(lèi)水體為主。湯遜湖水系中,南湖全湖為劣V類(lèi)水體,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為中度富營(yíng)養(yǎng)化;湯遜湖以III類(lèi)水體為主,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別主要為輕度富營(yíng)養(yǎng)化。遙感監(jiān)測(cè)的梁子湖、豹澥湖和嚴(yán)西湖水質(zhì)相對(duì)較好;楊春湖、北湖和南湖遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)相對(duì)較差,且富營(yíng)養(yǎng)化狀況較為嚴(yán)重。對(duì)比2012—2014年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,對(duì)示范區(qū)域各湖泊采用遙感方法監(jiān)測(cè)的水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別年際間差異不大。對(duì)各湖泊水質(zhì)類(lèi)別及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別進(jìn)行季節(jié)性變化分析,梁子湖、保安湖、東湖和湯遜湖等面積相對(duì)較大的湖泊,出現(xiàn)了略微的季節(jié)性變化,表現(xiàn)為第二、三季度水質(zhì)相對(duì)較差、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別相對(duì)嚴(yán)重,其余湖泊水質(zhì)類(lèi)別以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別無(wú)明顯季節(jié)性變化。2.3系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別示范區(qū)域各湖泊中,梁子湖有國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,保安湖、沙湖、東湖、南湖和湯遜湖有省控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,每月都會(huì)公布實(shí)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別數(shù)據(jù)。由于當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的是水質(zhì)類(lèi)別以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別,各單項(xiàng)指標(biāo)值均是用于評(píng)價(jià)水質(zhì)類(lèi)別以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別,單項(xiàng)指標(biāo)只要未超標(biāo),具體值都不是關(guān)注的重點(diǎn)。因此,以環(huán)境保護(hù)部門(mén)公布的上述湖泊2012—2014年實(shí)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為基礎(chǔ),對(duì)遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出:(1)2012—2014年,梁子湖各月遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別主要以II類(lèi)為主,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為中營(yíng)養(yǎng)化,與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,監(jiān)測(cè)精度均為100%。沙湖遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別為II類(lèi),優(yōu)于實(shí)測(cè)的劣V類(lèi)水體;遙感監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為輕度富營(yíng)養(yǎng)化,優(yōu)于實(shí)測(cè)的中度和重度富營(yíng)養(yǎng)化,因此遙感監(jiān)測(cè)的水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別精度較低。(2)2012—2014年,南湖各月遙感監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別均為中度富營(yíng)養(yǎng)化,而實(shí)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別以重度富營(yíng)養(yǎng)化為主,部分月份為中度富營(yíng)養(yǎng)化。因此,南湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別遙感監(jiān)測(cè)精度不高。(3)2012年和2013年,保安湖各月遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別均為III類(lèi),要優(yōu)于部分月份實(shí)測(cè)的IV、V類(lèi)水體;2012—2014年,湯遜湖各月遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別主要為III類(lèi),而實(shí)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別以IV、V類(lèi)為主。因此,保安湖和湯遜湖遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別精度較低。有研究表明,遙感方法對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)和腐蝕化的湖泊不適用綜上所述,系統(tǒng)對(duì)示范區(qū)域各湖泊水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別的遙感監(jiān)測(cè),基本上能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)化運(yùn)行的需求。部分區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)精度較低,主要表現(xiàn)為遙感監(jiān)測(cè)的湖泊水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別均要優(yōu)于實(shí)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)對(duì)于面積較大的湖泊的遙感監(jiān)測(cè)精度更高。如果將II類(lèi)水質(zhì)歸為水質(zhì)優(yōu)良級(jí)別,III、IV類(lèi)水質(zhì)歸為一般,V、劣V類(lèi)水質(zhì)認(rèn)為極差,將輕度富營(yíng)養(yǎng)化、中度富營(yíng)養(yǎng)化和重度富營(yíng)養(yǎng)化之間的分類(lèi)統(tǒng)一歸為富營(yíng)養(yǎng)化,對(duì)梁子湖、保安湖、東湖、南湖和湯遜湖遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果重新進(jìn)行精度評(píng)價(jià)(沙湖不納入精度評(píng)價(jià)范圍),則2012—2014年共計(jì)180個(gè)監(jiān)測(cè)頻次中,遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)類(lèi)別總體精度為91.67%,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別分類(lèi)精度約為95.6%。若將沙湖也納入精度評(píng)價(jià)范圍,則在2012—2014年共計(jì)216個(gè)監(jiān)測(cè)頻次中,水質(zhì)類(lèi)別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別遙感監(jiān)測(cè)精度分別為82.6%和97.7%,遙感監(jiān)測(cè)精度較高。因此,該系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)優(yōu)良達(dá)標(biāo)湖泊以及富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的識(shí)別。3遙感水質(zhì)檢測(cè)精度評(píng)估基于湖北省12個(gè)中小型湖泊,以《湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)》為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),進(jìn)行湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范,并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)