遥感技术在南四湖水质监测方面的应用研究（侯鹏,杨锋杰,曹广真《山东科技大学学报(自然科学版)》2003.3）.pdf

第 2 2卷 第 3期 2 0 0 3年 9 月 山 东 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Vo 1 ． 2 2 No ． 3 J o u r na l o f d o n g Un i v er s i t y o f S c i e n c e a n d T N a t u r a l S d ∞。 e S e p ．2 0 0 3 文章编号 1 6 7 2 3 7 6 7 2 0 0 3 0 3 -0 0 2 2 0 4 遥感技术在南 四湖水质 监测方面的应 用研究 。 侯鹏 。 杨锋 杰 。 曹广真 1 ． 山东科技大学 地球信息科学与工程学院，山东 泰安 2 7 1 0 1 9 ； 2 ． 复旦大学 信息科学与工程学院， 上海 2 0 0 4 3 3 摘要 以山东省第一大淡水湖一 南四湖为研 究对象， 定量、 定性地分析 了悬浮物、 浮游生物和可溶性有 机物等主要水体污染物 ， 为水体污染的遥感分析与监测提供 了理论和方法依据。 关键词 遥感； 水质监测 ； 波谱特征 ； 图像处理； 信息提取 中圈分类号 P2 3 7 ； x5 o 2 文献标识码 A Ap p l i c a t i o n o f Re mo t e S e n s i n g o n Wa t e r Qu a l i t y Mo n i t o r i n g i n Na n s i h u La ke o f S h a n d o n g HOU P e n g ，YA NG F e n g - j i e t ，C AO Gu a n g z h e n 2 1 ． C o ll e g e o f Ge o i n f oS c i e n c e En g ． ，S US T，T a i a n， S h a n d o n g 2 7 1 0 1 9， C h i n a ； 2 ． C o ll e g e o f I n f o ． a n d E n g ． ， F u d a n Un i v e r s i t y ， S h a n g h 2 0 0 4 3 3 。c l a m Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e ，t a k i n g Na n s i h u ，t h e b i g g e s t f r e s h wa t e r l a k e i n S h a n d o n g Pr o v i n c e a s a n e x a m p i e ，a n a l y z e s t h e ma i n p o l l u t e r s o f wa t e r b o d i e s ， s u c h a s s u s p e n d e d s u b s t a nc e s ，p l a n k t o n s ，d i s s o l u a b l e o r g a n i c ma t t e r s ，e t c ，wh i c h p u t s f o r wa r d a n e w me t h o d a n d t h e o r y f o r t h e a n a l y s i s o f t h e wa t e r q u a l i t y． Ke y wo r d s r e mo t e s e n s i n g；wa t e r q u a l i t y mo n i t o r i ng ；s p e c t r u m c h a r a c t e ri s t i c ；i ma g e p r o c e s s i ng ；i n f o r ma t i o n e xt r a c t i o n 目前 ， 全世界每年向江河湖泊排放各类污水 约 4 2 6 0亿 吨， 造成 5 5 0 0 0亿立方米的水体被污 染 ， 占全球 径流 总量 的 1 4 ％ 以上 ； 全世 界河 流稳 定 流量的 4 0 ％已经受到污染 ， 并 呈 日益 恶化 的趋 势。因此， 对于水体污染物种类和排放总量的适 时监测提出了更高的要求 ， 对于常规的水质监测 手段提出了新的挑战。遥感技术是通过传感器在 扫描地球表面的过程中记录地面地物的反射波谱 获得遥感数据 ， 然后对获得的遥感影像进行处理 和解译 ， 最后获得相关的地物信息 ， 是进行地物研 究的一种高科技手段。由于遥感技术具有监测面 积大、 宏观性强、 周期性好、 速度快等优点， 可以有 效地解决常规水质监测中点数据意义的局限性 ， 有效地监测表面水质参数空间和时间上的变化状 况。同时， 由于表面水体污染物极大地影响水体 反射波谱特征， 例如对于一定的水体， 水表面和水 底的反射可视为常数， 当水较深或浑浊时， 水底反 射到水面为零 ， 这样 唯一 能反 映水体特 征 的是 悬 浮污染物的散射和反射光 ， 从而改变了传感器扫 描过程中获得的记录数据。利用污染物对水体的 遥感数据的影响， 进而实现水质污染状况的适时 监测 的 目的。 1 水体 的波谱特征分析 水体作为一种地物 ， 既可以吸收也可以散射 通过水汽界面的波谱辐射能量， 但水的散射会增 加天空辐射能量， 而水的吸收则会同时减少散射 通过水汽界面的波谱辐射能量和天空辐射能量。 收稿 日期 2 0 0 3一o 9 0 5 作者简介 侯鹛 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东泰安人 ， 硕士研究生 ， 主要从事环境遥感和地理信息系统的研究 维普资讯 第 3期 侯鹏等 遥 感技 术在 南四湖水质监测方面的应用研 究 2 3 遥感探测获得的地物波谱信息就是这种吸收和散 射过程综合作用的结果 ， 但对于不同的地物获得 的波谱信息有很大差别。 太阳光对水 体有很大 的透射率。一般情况 下， 太阳光在清澈水体中的透射深度可达 1 0 r n 左 右。水体反射太 阳辐射光谱特征表明， 水体对太 阳辐射光谱的反射率与水体本身的浑浊度有着密 切的关系， 从而导致遥感图像上的影像特征不同。 水体 的反射率在所有 的波段 内都较低 ， 一般在 3 ％左右 ， 在近红外波段 0 ． 7 6 ～3 ． 0 tma 更为突 出。作为同一种地物的水体 ， 由于水体中污染物 的种类的不同或污染物数量的不同， 使得 同种地 物也拥有不同的反射曲线 如图 1 所示 和影像特 征。水体反射率的光谱反射率高低主要受水的颜 色深浅的影响， 受有机污染的水体一般颜色较深， 呈蓝 、 深蓝 、 蓝黑 或黑色 ， 光谱反射率较低 ， 而未受 有机污染的水体颜色较浅， 光谱反射率相对较高。 清水的反射率在 可见光波段范 围 内一般 为 4 ％～ 5 ％， 在 0 ． 6 tma 下降为 2 ％～3 ％， 到 0 ． 7 5 ／ m之后 的红外波段 ， 水体成了全吸收体 ； 污染 悬浮物较 多 后的水体的波谱反射率随着悬浮泥沙浓度的 增加而增加 ， 在波谱曲线 图上则表现为浑浊水体 的波谱曲线高于澄清水体的波谱曲线， 从而在遥 感影像上显示较浅的色调； 水表面浮游生物 藻 类 的增多， 水体的波谱反射率曲线也呈现出升高 的趋势 ， 同样在遥感影像上显示较浅的色调。 3 0 2 0 按 1 0 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 7 0 ． 8 0 ． 9 1 ． 0 I ． 1 波 长／u_ 图 1 不同浑浊度的水体对太阳辐射光谱反射率变化曲线 2 遥 感 数据 源 的选 择 遥感图像是地物的物理特征和几何特征通过 遥感器收集、 处理所得到的信息在影像上的反映， 是各种传感器所获信息的产物， 是遥感探测 目标 的信息载体。遥感数据作为一种重要的数据源具 有多平台、 多波段、 多视场、 多时相、 多角度、 多极 化等多源性特征。遥感数据影像一般用空间分辨 率 或地面分辨率 、 时间分辨率、 亮度和色度等图 像特征表现参数作为衡量指标。空间分辨率是指 影像中一个像元所代表的地表面积的大小， 即扫 描仪 的瞬时视场 或地 面物体 能分辨 的最 小单元 ； 时间分辨率是指对于 同一地物重复观测 的最小时 间间隔； 亮度和色调是地物反射光谱特性在遥感 影像上的直接反映。 常用 的遥 感 数 据 源有 美 国 L a n d s a t 卫 星 的 TM 数据 、 法国 S p o t 卫星的 S p o t 数据和 中巴卫 星 的 C B E RS数据 。各种数据源的特征 比较如表 1 。 鉴于以上对遥感卫星影像的对 比分析， 本研 究采用了 T M 影像数据和中巴卫星的 C C D影像 数据作为标准影像数据源。 表 1 数据源的特征比较表 卫星名称 传感器 空间分 辨率 时 间分 辨率 3 研 究 方法 T M 影像有 7 个波段， C C D影像有 5 个波段， 但是各个波段所突出的地物信息不同， 所 以对于 不同的研究要选择最优波段进行图像处理是获得 最佳 的研究结果 的重要前提 。 波谱实验 表 明 清水所 对应 的最佳 波长 范 围 大约为 0 ． 4 3 ～0． 6 4 ／ m， 浑水 所对 应 的最佳 波长 范围为 0 ． 5 8 ～0 ． 7 9 ／ m。另外， 在实验中得知 ， 对 于 T M遥感影像数据而言 ， 污染后的水体随着水 中黄色物质 和悬 浮物的含量 的增 加 ， 即水 的污染 程度的加重， T M 影像各波段灰度呈总体减少趋 势， 其中 T M2和 T M3波段降幅最大， 这是 由于 有机污染对水色的影响在这两个波段响应最大。 从室内光谱看 ， T M1 波段对于水体色调变化也是 很明显的， 但由于受大气散射的影响， T M1波段 的灰度明显变高 ， 在一定程度上也影响了对污染 水体反映 的灵敏度 。对于 3个近红 外波段而 言 ， TM4波段灰度差最大 ， 和 TM7波段 由于本 身反射率 已很低 ， 也影响了对污染水体的识别。 因此 ， 利 用彩 色合 成 法 进 行 污 染 监 测 时 ， TM2 、 TM3 、 TM4 、 或 TM1 进行大气散射 校正 为 比较 维普资讯 2 4 山 东 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 2 2卷 好的组合。由以上分析得知， 在 T M 遥感影像数 据 中 ， 清水 所对 应 的最 佳波段 为 TM1 0 ． 4 5～0 ． 5 2 t t m 和 n 0 ． 5 2 ～0 ． 6 0 t t m 波段 ， 在这两 个波 段可见光对水体均有很强的透射能力 ， 可以反映 水体的深度、 水下地形等水体特征； 浑水所对应的 最佳波段 为 n 0 ． 6 3 ～0 ． 6 9 t t m 波段 ， 在此 波 段可见光对水体有一定的透射能力 一般透射深 度为 2 m左右 ， 可以较好的反映水体中的泥沙含 量和水体的浑浊程度 定性的描述悬浮物含量的 多少 。对于中巴卫星的数据 C C D影像而言， 对 于遥感水质分 析 而言 ， 清 水所 对应 的最佳 波段 为 C C D 2 0 ． 5 2～0 ． 5 9 p ro 波段 ， 浑水 所 对 应 的最佳 波段为 C C D 3 0 ． 6 3～0 ． 6 9 t t m 波 段 和 C C D4 0 ． 7 7 ～0 ． 8 9 t t m 波段 。以上实验结果 和波段 的对应 关 系的得出使 得利用 遥感技术 区分和识别水体污 染 物的种类 和数 量成 为可能 。 图像处理是遥感信息提取的中心环节。最优 波段选定 之后 ， 大 多数研 究者 是利 用简 单彩 色合 成方法 、 单波段简 单灰度 分割 或多 波段 图像直 接 分类方法对影像进行处理 ， 但是对于特殊的专题 信息提取水体的信息专题提取， 效果并非理 想。本研究在图像彩色处理之前主要采取了 3 种 变换 ， 即比值变换 、 I H S变换、 不同数据源的遥感 影像的图像融合 ， 然后对图像进行彩色合成和图 像分类 。采取这 些变换 的原 因是 通 过清水 和浑 水的最优波段的遥感影像的比值运算可以突出水 体中的污染物的分布变化和量的变化 ； 通过遥感 影像的 I H S彩色空间变换是将图像从 R G B彩色 空 间变换到 I HS彩色空间 ， 在明度 I 、 色度 H 及饱和度 S 组成 的彩色空 间中研 究 由于污染 而 引起 的水 色变 化 ， 从 而得 出污 染 程 度 ； 通 过 TM 影像和 C C D影像的数据融合可以利用 T M 数据 的丰富的波谱信息特征和 C C D数据 的高分辨率 的影像特征， 突出研究区域水体的微观特征信息 ， 更准确地监 测水体 的污染状况 。 一 图像处理的基本流程如下 乜 圃一 匝 圃一 [ 垂 至 至 因一 巨 圃 3 ． 1 几何校正 以 C C D影像为基准， 对 T M 影像进行几何校 正， 校正精度在0 ． 5 个像元之内， 为T M 数据源和 C C D数据源的复合提高精度。通过几何校正后 的 TM 和 C C D两种数据可 以进行融合处理 。 3 ． 2 灰度 变换 将几何校正后 的 T M 各波段数据进行复合 叠加处理 ， 然后进行比值运算。 T M1 影像中水体表现出高亮度的色调特征 ， 其中水体色调变化相对较小， 不利于水体污染的 识别 ； T M4 属于近红外波段 ， 为浑水所对应 的较 好的波段 ， 影像整体表现为较低的亮度特征， 水体 色调反差较大， 有利于水质污染程度的识别 ， 通过 两者的比值运算可以更加明显的突出影像中由于 污染物所引起 的色调 差异 ， 从 而有利 于水体 污染 的识别。T M4和比值变换后的 T M41 如图版 1和图版 2所示 。 3 ． 3 彩 色空间变换 通过对灰度变换后的影像进行彩色合成 ， 可 以增强影像 的可解译性。以 C C D 4 ， C C D 3 ， C C D 2 进行的彩色合成和空间变换为例， 说明本次研究 彩色变换 的效果。此变换过程中， C C D 4 ， C C D 3 ， C C D 2分别赋予 红 R 、 绿 G 、 蓝 B 三色 ， 彩 色 合成后的效果如图版 3 所示。 3 ． 4 数 据融合 通过对 T M数据和 C C D数据进行数据融合 处理 ， 利用 T M 的丰富的波谱信息和 C C D数据的 高分辨率的各 自的优点可以增强影像的波谱信息 和分辨能力， 从而增强图像中水体污染物的识别 和判读。以 T M4 ， T M1 ， C C D 3 ， C C D 2的融合为例 说 明数据融合和彩色变换的综合效果 ， 其中 T M4 与 T M1的比值结果后的影像， C C D 3 影像， C C D 2 影像分别赋予红 R 、 绿 G 、 蓝 B 三色， 然后加 一 亮度层 I 1 M 1 ， 处理后 的结果 如图版 4所示。 图像处理结果表明 对于水体中污染物的影 像识别 ， 简单的灰度变换和彩色合成等单一的图 像处理手段是不够的。通过比值变换和多源数据 的彩色合成叠加 和空 间变换 明显 的增强 了水体的 污染 状况 的可判读性 。如图版 1和图版 2比较 可 知 ， 通过比值变换后的影像中悬浮物较多的水域 和水深较浅的水域呈现出明亮的浅色调， 而清水 水 域和水深较深 的水域呈现出较深的色调。图版 3和图版 4比较说明， 通过多源数据融合后的影 像的波谱信息和分辨率得到明显的增强 ， 影像 中 较清晰地显示 出悬浮物 的浓度 的变化在影像中表 现为红色饱和度 的变化 。 维普资讯 第 3期 侯鹏等 遥感技 术在 南四湖水质监 测方面的应用研 究 2 5 图版 1 TM4简单灰度变换后的影像 图版 2 T M4与 TM1比值运算后的影像 图版 3 C C D单数据源彩色变换后的影像 图版 4 多源数据融合和彩色变换后的影像 4结束语 本研究结果表明 遥感监测可以较好地进行 大面积水体 环境 的水质 监测 和水 域 的环境评 价 、 规划 和管理 。水质监 测包括悬浮物 、 浮游生物 、 黄 色物质等主要水质污染指数 的监测， 其 中对于悬 浮物和浮游生物的监测最为灵敏， 同时水质监测 数据的获取和分析为环境评价和环境管理规划提 供 了科学 的依据 和事实 的基础 。 在地表水体环 境受 到严 重 污染 的状况 下 ， 遥 感技术作 为新 生 的监 测 技术 ， 由于具 有监测 区域 面积 大 、 周期性短 、 简捷 的、 宏 观性 强 的优点 在水 环境的定性监测中得到了较快的发展弥补了常规 水环境的监测技术的区域局限性和时间周期性长 的缺点 ； 但是其定量性监测技术还有待于提高和 更好的发展 ， 因此水体环境监测的宏观性和微观 性的监测仍需要遥感技术和化学监测的互相结合 和补 充 。随着 环境监 控 的全球化发 展 ， 遥感 水体 监测技术 是一种不 可缺 少 的重要 环境 监测 手段 ， 有着广 阔的应用 前景 。 参考文 献 [ 1 ] 张渊智， 等． 表面水质遥感监测研究[ J ] ． 遥感技术与应 用 ， 2 0 0 0， 1 5 4 ． [ 2 ] 傅 江， 等 ． 彩红 外航 片用 于水污 染监 测 的定量 分析 [ M] ． 中国环境科学， 1 9 9 4 ， 1 4 6 ． [ 3 ] 邓明， 等． 珠江河1 2 悬浮泥沙遥感数据集[ J ] ． 海洋与湖 沼 ， 2 0 0 2 ， 3 3 4 ． [ 4 ] 王云鹏 ， 等． 水体 污染的遥感方法及其在珠江广州河 段 水体监测 中的应 用[ J ] ． 遥感学报 ， 2 0 0 1 ， 5 6 ． [ 5 ] 许殿元 ， 等． 遥感 图象信息处理 [ M] ． 北京 宇航 出版 社 ． 1 9 9 0． 维普资讯