东平湖水体透明度的遥感反演研究

      摘要

针对传统水体透明度测量方法不仅耗时费力，而且在时间和空间的监测中也会受到很大的限制，只能了解研究区域内点状剖面的透明度状况，但是遥感技术的发展为解决传统采样方法的局限性问题提供了可能。本研究在分析内陆湖泊水体光学特征的基础上，利用三期Landsat8 OLI影像数据及准同期的地面实测数据，寻找与东平湖水体透明度敏感的波段，对东平湖丰、平、枯水期水体透明度的进行遥感反演研究。结果表明，OLI影像B3、B4波段的反射率与实测的透明度数据之间具有良好的相关关系，并以此为基础建立了该区域水体透明度遥感反演模型。结果表明：模拟值与实测值的总体相对误差为19.77%，均方根误差为19.35 cm，模型精度在可以接受的范围之内；由于围网养殖、叶绿素a含量等因素的影响，东平湖透明度总体呈现出南低北高的分布趋势。据此绘制了东平湖丰、平、枯水期水体透明度分布图。

      引用格式

刘延龙，张保华，姚昕，等．东平湖水体透明度的遥感反演研究［Ｊ］． 测绘科学，２０１８，４３（７）：７２-７８．

正文

湖泊作为地球上重要淡水生境，对流域内陆区经济的发展、生态以及物种多样性的保护等方面有着十分重要的作用^[1]，但是其作用的成功发挥很大程度上与湖泊水质、营养化程度紧密相关。湖泊水体透明度是指湖水能使光线自然透过的程度，可以直观反映湖水清澈和混浊情况，是衡量湖泊水质、评价湖泊营养状况的一个重要指标，同时，湖泊水体透明度与湖水真光层深度、水体光学衰减系数以及水体漫射衰减系数之间有着密切的关系^[2]，一定程度上可以表征水体内有机物、无机物的富集情况，因而湖泊水体透明度的变化会显著影响湖泊水环境及湖泊水体光学参数的变化，对于维持湖泊生态系统的稳定具有重要的作用。

水体透明度一般采用塞氏盘(secchi disk depth, SDD)深度测量法，即塞氏盘在水平状态下沉入水中的最大能见深度。由于自然和人为因素的影响，这种方法获得的观测值必然会存在一定的误差，而且这种方法在大面积的透明度动态重复性测量中较难完成，因此不能有效的反映SDD的时空变化。遥感技术的应用可以实现对大区域湖泊水体透明度的快速重复性监测，有效弥补传统监测方法的固有缺陷，因而各种卫星遥感逐渐成为水质监测的重要工具。

利用Landsat系列卫星搭载的TM、ETM+和OLI传感器的反射率数据进行湖水透明度的遥感反演已被证明可以应用于内陆二类水体透明度的监测。文献[3]通过相关分析矩阵等统计分析方法，利用 Landsat TM1、TM1/TM3波段反射率作为构建透明度反演模型的参数，实现了对美国典型湖泊透明度的预测；文献[4]利用Landsat5 TM1、TM3、Landsat7 ETM+影像数据成功建立了1990—2010年间缅因州湖泊透明度反演模型；文献[5]曾利用TM1/TM2的反射率研究了美国威斯康星州约7000个湖泊透明度的时间和空间变化；文献[6]通过分析滇池水体透明度与TM传感器各波段反射率的相关性，建立了利用TM4反演的指数模型；文献[7]使用TM影像以及实测透明度数据，建立了TM1、TM3波段的自然对数与透明度自然对数的线性模型；文献[8]通过对TM1至TM4波段及其波段组合的反射率与透明度数据之间的回归分析，选取最优波段之间比值，成功实现对查干湖和新庙湖流域内的湖泊透明度进行遥感估算。东平湖是山东省“西水东送”工程的水源地，而关于东平湖水质遥感反演的研究仍处于起步阶段，对于其水体透明度的遥感反演研究可以实现对东平湖水质的快速监测与治理，对其受水区的用水安全具有重要的现实意义。

东平湖位于山东省泰安市的西部，介于东经116°00′～116°30′、北纬35°30′～36°20′之间，总面积约627 km²，多年来平均水深2.50 m，是黄河下游唯一遗存的有较大水域面积的湖泊，同时也是山东省第二大淡水湖泊。随着流域内人口数量的激增和经济规模的爆炸性扩张，加之近年来对东平湖水资源的不合理开发和利用，致使东平湖水质状况逐渐恶化，营养状况已经达到中富-富营养化水平^[9]。鉴于东平湖在跨流域调水工程中的重要地位，其水质安全问题已不容忽视，而透明度作为东平湖水质监测的重要参数之一，对其进行遥感反演监测可以为今后东平湖水质监测和治理提供有力的监测依据。

东平湖采样点分布示意图

本研究采用2013年8月16日，2013年12月1日和2014年3月21日的3景Landsat8 OLI遥感影像，通过查证中国气象科学数据共享服务网发布的研究区附近气象站点降雨量数据，发现泰安市东平县周边在采样时间与遥感成像时间内没有明显降雨，水体透明度相对稳定，可以认为在该时间段内东平湖水体透明度没有受到较大影响。文献[10]指出在水体没有受到较大扰动的前提下，实地采样与影像成像之间的时间窗口可以适当延长至7 d，不会影响反演的结果精度。

本研究使用的三幅影像质量较好且覆盖本研究区，此外地面实测数据采集时间与成像时间大致同步。基于ENVI5.3软件，对全部影像作如下预处理：(1)采用一幅已经经过精校正的TM影像作为底图，对遥感图像进行几何精校正，RMS控制在0.5个像元之内，图像重采样采用最邻近点法，投影选择UTM投影；(2) 采用ENVI 5.3提供的专门模块Landsat Calibration进行辐射校正；(3) 考虑到FLAASH大气校正模型是目前使用效果最好的大气校正工具之一，对于地物波谱信息可以高保真的恢复，简洁快速的获取地物比较准确的物理模型参数^[11-12]。故本研究采用FLAASH辐射传输模型对OLI影像数据进行大气校正；(4)对校正后的影像裁剪出研究区；(5)利用ENVI中改进的归一化水体指数(MNDWI)对裁剪后的影像进行水域提取，制作东平湖水域掩膜层；(6)使用提取的掩膜层对影像进行掩膜，分别提取三期东平湖全部水域。

东平湖丰、平、枯水期透明度分布图  

东平湖作为典型的内陆二类水体，湖泊水体光学成分复杂，在利用Landsat8 OLI影像对其进行初步的遥感反演研究中，发现OLI影像基本满足东平湖水体透明的反演要求，得出的成果如下。

1) 利用Landsat8 OLI影像数据进行东平湖水体透明度的遥感估测，可以获得较高的反演精度，通过验证点的精度评价表明：模拟值与实测值之间的总体相对误差为19.77%，均方根误差为19.35cm。

2) 在Landsat8 OLI数据的7个波段中，可见光波段与透明度具有较高的相关性，第3与4波段相加所建立的对数模型可用于东平湖水体透明度的遥感反演。

3) 东平湖水体透明度整体上呈南低北高的分布特征。

4) 东平湖水体透明度与Chla、a_CDOM(440)具有良好的相关性，是否可以利用测定简便的透明度数据来预测东平湖Chla以及a_CDOM(440)的变动还需要更加细致的研究加以证实。

编辑：邓国臣