______________________________________________________________________________________________o水利信息化
D0l：10.166$6/jki.10-1326/TV.202$.05.15
基于高分遥感卫星影像的汤逊湖
马方凯1高兆波1叶帮玲2
(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010；
2.湖南航天远望科技有限公司，湖南长沙410205)
【摘要】本文通过对2019年1月、8月高分二号、高分六号影像以及相应时期的实测水质数据，建立水质参数与最佳特征波段或波段组合的回归方程，对武汉汤逊湖的氨氮、总磷和化学需氧量进行遥感反演，并对3种水质参数进行综合评价，探讨各水质参数浓度的影响因素。结果表明：3种水质参数中反演精度高低依次为化学需氧量、总磷、氨氮；从水质综合评价结果来看，汤逊湖2019年1月综合水质状况要优于8月'根据水质参数反演结果，汤逊湖中部的水质状况总体优于沿岸水域。综上所述，通过遥感技术对 汤逊湖进行水质反演，获取了相应时期3种水质参数浓度的空间分布数据，可为汤逊湖生态环境保护的研究和决策提供重要科学依据。
【关键词】汤逊湖；水质参数；遥感反演
中图分类号：X832 文献标志码：-文章编号：2096-0131(2021)05-069-07勒夫波
Remote sensing inversion of Tangxun lake water quality based on
high scors remote sensing satellite image
MA Fangkai1,GAO Zhaobo1,YE Bangling2
(1.Changjiang Survey#Planning,Design and Research Co.,Ltd.#Wuhan430010,China*
2.Hu'nan Aerospace Yuanwang Technology Co.,Ltd.,Changsia410205,China)
Abstract:Based on the GF-2and GF-6images in Januaa and August of2019and the measured water quality date in corresponding periods,the agassion equation of water quality parameters and the best characteristic band or combination of bands was established,and the ammonia nitaven,total phospho
rus and chemical oxygen demand of Tangxun Lake in Wuhan were retrieved bg remote sensing,and the three water quality parameters were compahensivelg evaluated,and the ineiu0ncingeactoasoeth0conc0ntaation oe0ach wataquaiitgpaaam0taw0a0discu s0d.Th0asuitsshowthatth0ine0asion accuracy of3water quality parameters is chemical oxygen demand,total phosphorus and ammonia nitaven in turn；From the results of comprehensive water quality evaluation,the comprehensive water quality of Tangxun Lake in Januaa2019ft better than that in August；According to the inversion results of water quality parameters,the water quality in central Tangxun Lake is betcr than that in coastal waters.To sum up,the water quality of Tangxun Lake was retrieved bg remote sensing technolovg,and the spatial distObution date of the concentration of3water quality parameters in the corresponding period were obtained,which can provide impofant scientific basis for the research and decision-making of ecolovical environment protection of Tangxun Lake.
Key worSs:Tangxun Lake；water quality parameters；remote sensing inversion
收稿日期：2020-11-10
作者简介：马方凯(1983-)，男，高级工程师，博士，主要从事城市水生态环境设计工作$
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水咨源开发与管理2021年第5期
随着经济社会的发展，城镇人口不断增加，工业废水、生活污水的排放量日益增长，水污染呈恶化态势，水污染和水资源短缺成为制约中国可持续发展的瓶颈因素。近年来，汤逊湖流域开发强度越来越大，随着汤逊湖周边人口密度不断增加、产业园与开发区的快速建设以及水产养殖的迅猛发展，环境负荷不断加重，各项水质指标达不到要求，水质类别降为$类至劣V类。建设城市生态文明的重要内容之一是保障城市水源安全、提高城镇饮用水源的安全保障水平。因此，探究主要水质参数变化的有效方法，实现对汤逊湖主要水质参数的快速反演尤为重要。
传统的水质监测一般以实地采样分析为主，虽然能够准确地测得多种水质参数，但是需要消耗大量人力、物力、财力，且只能获得点状数据，所得数据在时间和空间上都不连续，难以达到大范围、实时性水质监测要求。而遥感技术具有连续性强、监测范围广、相对成本低等优点，在水质监测中日益受到重视。常规的遥感水质参数反演方法主要有经验方法、半经验法和半分析法。
本文以武汉市汤逊湖为研究区，利用高分二号、高分六号遥感影像数据和水质实测数据，对氨氮、总磷和化学需氧量3种水质参数进行遥感定量反演研究，通过分析波段组合与水质参数浓度的相关性，选取相应的特征波段组合建立反演模型，并对水质参数反演结果进行分析，为武汉市汤逊湖的水质监
测和保护工作提供数据支撑。
1研究区概况及数据源
1.1研究区域概况
汤逊湖主要位于武汉市东湖高新技术开发区，流域面积240km2，其中水域面积47.6km2。汤逊湖可划分为外汤主湖、内汤主湖、大桥湖、沙嘴湖、麻雀湖、中洲湖、杨桥湖和红旗湖8个子湖（见图1）。地貌属于鄂东南丘陵经江汉平原向大别山南麓低山丘陵过渡地带；地形属于残丘性河湖冲积平原，地势平坦低洼；北亚热带季风湿润气候，常年雨量充沛，降水主要集中在每年的6—8月$
红旗湖
外汤主湖
内汤主湖
杨桥湖
大桥湖
©雀湖
图例
汤逊湖
•站点编号
n汤逊湖流域
I I汤逊湖水域范围
图1研究区示意图
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___________________________________________________马方凯等/基于高分遥感卫星影像的汤逊湖水质遥感反演o水利信息化
1.2数据源
本次遥感卫星影像采用国产高分系列数据（见表
1）$高分二号（GF-2）卫星是我国自主研制的首颗空
间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，搭载有两台
高分辨率1m全"4m多光谱相机，具有亚米级空间分
辨率"高定位精度和快速姿态机动能力。高分六号
（GF-6）卫星配置2m全/8m多光谱高分辨率相机、
16m多光谱中分辨率宽幅相机，其中2m全/8m多光
谱高分辨率相机观测幅宽90km,16m多光谱相机观测
幅宽800km$
表1遥感卫星影像数据详情
月份成像时间数据源景数分辨率/
m
含云量/
%
影像
质量
11月21日GF-224<3较好88月12日GF-6-TMS18<1好
汤逊湖水质遥感反演中水质参数有氨氮、总磷和化学需氧量,3种水质实测数据的检测时间分别为2019年1月21日和2019年8月12日，与遥感影像成像时间保持一致，水质实测数据信息见表2$
表2水质实测数据信息单位:mg/L
监测站点
1月8月
氨氮总磷
化学
需氧量
氨氮总磷
化学
需氧量
1号 1.040.11350.570.5130
2号0.880.11360.930.6428
3号 3.540.24320.450.3232
4号 3.320.20330.390.3131
5号 3.840.11320.530.2523
6号 1.100.12360.580.4929
7号 1.010.10340.710.6233
8号 1.510.09260.540.2928
9号 1.640.08230.540.2335
10号0.410.18300.240.3928
11号0.110.26260.230.2252
12号0.510.16190.440.4334
2研究方法
通过半经验方法建立水质参数的遥感定量反演模型。主要通过以下步骤实现:*根据研究目标，收集资料，开展水样采集以及遥感影像数据的获取工作;+根据需要反演的水质参数，化验水样的相关参数;©对遥感影像进行预处理，通过掩膜提取相应水域范围，进行相关性分析获取相应水质参数的特征波段组合;-根据实际情况，选择常用的半经验方法进行水质反演，建立水质参数遥感定量反演模型;⑥分析模型的精度，进行精度评价;/通过水质参数遥感定量反演模型，生成各类水质参数浓度空间分布图，并对反演结果进行分析。技术流程见图2$
图2技术流程
3结果与分析
3.1遥感反演
水质遥感监测在多光谱遥感影像的应用中，特征波段及波段组合基本出现在蓝、绿、红、近红外4个波段，光谱范围在400〜900nm之间$波段组合方式采用波段间的加减乘除以及分子式等形式，波段组合方式参考顾清.14/提出的59种波段组合方式$将实测数据集分为反演数据集和验证数据集，数据划分原则满足
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升华仪
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水咨源开发与管理2021年第5期
各数据分布尽量均匀要求，且反演数据集和验证数据集中数量比例为2：1。通过计算得到氨氮、总磷和化学需氧量实测值与相应位置处各波段、波段组合的影像像元值之间的Pearson相关系数，得出的3种水质参数最大Pearson相关系数的波段组合见表3$
ctcs2表3各水质参数特征波段组合信息
水质参数波段组合
氨氮Z1/b3
总磷(Z1+b3+64)/bl
化学需氧量(61+b2)/b3
通过优选出最大Pearson相关系数的波段、波段组合进行建模，分别建立线性模型、指数模型、多项式模型、幕函数模型和对数模型，并从中选取相关系数(R2)最大的模型为最优的模型$水质参数遥感反演模型信息见表4$
运钞箱通过相关系数等指标优选出最佳的遥感反演模型对汤逊湖各水质参数进行反演，从而得到汤逊湖各水质参数的浓度分布数据，并综合各个水质参数，评价当月汤逊湖水质情况$水质综合评价选取氨氮、总磷和化学需氧量3参数完成$具体评价方法如下：基于遥感反演的湖区水质浓度，根据《地表水环境质量》
表4水质参数遥感反演模型信息
月份水质参数波段组合反演模型R2
1月
氨!氮
=[(61+b3+Z)/62/y=6.3385=2-31.526=+39.2970.8853总磷(b1+bb)/bb]0=-0.49=+1.71740.8950化学需氧量=(b1/bb)0=1578=2-6185.8=+6090.30.8903
8月
氨氮(bb+Z)/b10=1.7313=-3.99680.8497总磷b1/bb0=151=2-218.67=+79.2870.8648化学需氧量(b1+b)/b30=-69.278=+180.030.8637
体验台
(GB3838-2002)的分级标准，判断每个像素空间所属的水质类别，综合3种水质参数的水质类别，取最差的水质类别，作为本像素空间的最终的水质类别。在水质状况较差时，水质浓度超过分类标准中的最大值时，通常将劣于V类水的水质划分为劣V类。
3.2精度评价
将水质反演的各指标浓度与实测值相比，进行精度评价。具体采用平均相对误差与绝对误差进行比对的方法。在本研究中，将遥感反演值当作反演值，地面采样的测量值当作地面真实值，不考虑地面采样测量本身的误差$相对误差即绝对误差所占真实值的百分比，即相对误差二丨真实值-反演值q真实值，公式为
-n g/、
>二g———]100%(1)式中:ng为第i个站点的估算浓度,mg/L；叫为第i个站点的实测浓度,mg/L；>为第i个站点的相对误差$根据地面实测站点的经纬度坐标，提取对应空间位置各水质参数的浓度值，以地面实测值作为真值，对・72・遥感反演值进行精度评价。分别计算了1月、8月氨氮、总磷、化学需氧量的相对误差(见表5)$
表5相对误差单位:%月份氨氮总磷化学需氧量平均误差125.8523.578.7519.39
821.2117.0710.2316.17
平均误差21.5320.329.49—
从表5可以看出，在所有参数中，化学需氧量的相对误差最小，基本在10%以内；总磷的相对误差在20%左右；氨氮的相对误差最大，精度在23%左右。有关反演精度的误差从以下几方面进行分析：
a.反演模型的误差，本研究采用非线性最优化的反演方法，通过优化模型的参数，建立遥感信息与地表参数之间的关联。这种方法通常要求有足够质量较高的训练数据对模型的参数进行训练，以提高模型的泛化能力$
拖把头b.不同时期的数据反演精度也存在一定的差别，
马方凯等/基于高分遥感卫星影像的汤逊湖水质遥感反演o 水利信息化
2019年1月汤逊湖水质遥感监测图2019年1月汤逊湖木质遥磁监测图
(b) 2019年1月总磷分布
2019年1月汤逊湖木质遂感监测图
(a) 2019年1月氨氮分布2019年1月汤逊.湖水质遥感监测图(c) 2019年1月化学需氧量分布2019年8月汤逊湖木质逼感监测图(d) 2019年1月水质综合分布
(e) 2019年8月氨氮分布2019年8月汤逊.湖木质遙感监测图
(f) 2019年8月总磷分布
2019年8月汤逊湖木质匿感监测图(g) 2019年8月化学需氧量分布2019年8月汤逊湖木质遙感监测图
(h) 2019年8月水质综合分布
图3汤逊湖水质参数遥感反演
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