東平湖水體透明度的遙感反演研究

摘要

針對傳統水體透明度測量方法不僅耗時費力，而且在時間和空間的監測中也會受到很大的限制，只能瞭解研究區域內點狀剖面的透明度狀況，但是遙感技術的發展為解決傳統採樣方法的侷限性問題提供了可能。本研究在分析內陸湖泊水體光學特徵的基礎上，利用三期Landsat8 OLI影像數據及準同期的地面實測數據，尋找與東平湖水體透明度敏感的波段，對東平湖豐、平、枯水期水體透明度的進行遙感反演研究。結果表明，OLI影像B3、B4波段的反射率與實測的透明度數據之間具有良好的相關關係，並以此為基礎建立了該區域水體透明度遙感反演模型。結果表明：模擬值與實測值的總體相對誤差為19.77%，均方根誤差為19.35 cm，模型精度在可以接受的範圍之內；由於圍網養殖、葉綠素a含量等因素的影響，東平湖透明度總體呈現出南低北高的分佈趨勢。據此繪製了東平湖豐、平、枯水期水體透明度分佈圖。

引用格式

劉延龍，張保華，姚昕，等．東平湖水體透明度的遙感反演研究［Ｊ］． 測繪科學，２０１８，４３（７）：７２-７８．

正文

湖泊作為地球上重要淡水生境，對流域內地區經濟的發展、生態以及物種多樣性的保護等方面有著十分重要的作用^[1]，但是其作用的成功發揮很大程度上與湖泊水質、營養化程度緊密相關。湖泊水體透明度是指湖水能使光線自然透過的程度，可以直觀反映湖水清澈和混濁情況，是衡量湖泊水質、評價湖泊營養狀況的一個重要指標，同時，湖泊水體透明度與湖水真光層深度、水體光學衰減係數以及水體漫射衰減係數之間有著密切的關係^[2]，一定程度上可以表徵水體內有機物、無機物的富集情況，因而湖泊水體透明度的變化會顯著影響湖泊水環境及湖泊水體光學參數的變化，對於維持湖泊生態系統的穩定具有重要的作用。

水體透明度一般採用塞氏盤(secchi disk depth, SDD)深度測量法，即塞氏盤在水平狀態下沉入水中的最大能見深度。由於自然和人為因素的影響，這種方法獲得的觀測值必然會存在一定的誤差，而且這種方法在大面積的透明度動態重複性測量中較難完成，因此不能有效的反映SDD的時空變化。遙感技術的應用可以實現對大區域湖泊水體透明度的快速重複性監測，有效彌補傳統監測方法的固有缺陷，因而各種衛星遙感逐漸成為水質監測的重要工具。

利用Landsat系列衛星搭載的TM、ETM+和OLI傳感器的反射率數據進行湖水透明度的遙感反演已被證明可以應用於內陸二類水體透明度的監測。文獻[3]通過相關分析矩陣等統計分析方法，利用 Landsat TM1、TM1/TM3波段反射率作為構建透明度反演模型的參數，實現了對美國典型湖泊透明度的預測；文獻[4]利用Landsat5 TM1、TM3、Landsat7 ETM+影像數據成功建立了1990—2010年間緬因州湖泊透明度反演模型；文獻[5]曾利用TM1/TM2的反射率研究了美國威斯康星州約7000個湖泊透明度的時間和空間變化；文獻[6]通過分析滇池水體透明度與TM傳感器各波段反射率的相關性，建立了利用TM4反演的指數模型；文獻[7]使用TM影像以及實測透明度數據，建立了TM1、TM3波段的自然對數與透明度自然對數的線性模型；文獻[8]通過對TM1至TM4波段及其波段組合的反射率與透明度數據之間的迴歸分析，選取最優波段之間比值，成功實現對查干湖和新廟湖流域內的湖泊透明度進行遙感估算。東平湖是山東省“西水東送”工程的水源地，而關於東平湖水質遙感反演的研究仍處於起步階段，對於其水體透明度的遙感反演研究可以實現對東平湖水質的快速監測與治理，對其受水區的用水安全具有重要的現實意義。

東平湖位於山東省泰安市的西部，介於東經116°00′～116°30′、北緯35°30′～36°20′之間，總面積約627 km²

東平湖採樣點分佈示意圖

本研究採用2013年8月16日，2013年12月1日和2014年3月21日的3景Landsat8 OLI遙感影像，通過查證中國氣象科學數據共享服務網發佈的研究區附近氣象站點降雨量數據，發現泰安市東平縣周邊在採樣時間與遙感成像時間內沒有明顯降雨，水體透明度相對穩定，可以認為在該時間段內東平湖水體透明度沒有受到較大影響。文獻[10]指出在水體沒有受到較大擾動的前提下，實地採樣與影像成像之間的時間窗口可以適當延長至7 d，不會影響反演的結果精度。

本研究使用的三幅影像質量較好且覆蓋本研究區，此外地面實測數據採集時間與成像時間大致同步。基於ENVI5.3軟件，對全部影像作如下預處理：(1)採用一幅已經經過精校正的TM影像作為底圖，對遙感圖像進行幾何精校正，RMS控制在0.5個像元之內，圖像重採樣採用最鄰近點法，投影選擇UTM投影；(2) 採用ENVI 5.3提供的專門模塊Landsat Calibration進行輻射校正；(3) 考慮到FLAASH大氣校正模型是目前使用效果最好的大氣校正工具之一，對於地物波譜信息可以高保真的恢復，簡潔快速的獲取地物比較準確的物理模型參數^[11-12]。故本研究採用FLAASH輻射傳輸模型對OLI影像數據進行大氣校正；(4)對校正後的影像裁剪出研究區；(5)利用ENVI中改進的歸一化水體指數(MNDWI)對裁剪後的影像進行水域提取，製作東平湖水域掩膜層；(6)使用提取的掩膜層對影像進行掩膜，分別提取三期東平湖全部水域。

東平湖豐、平、枯水期透明度分佈圖

東平湖作為典型的內陸二類水體，湖泊水體光學成分複雜，在利用Landsat8 OLI影像對其進行初步的遙感反演研究中，發現OLI影像基本滿足東平湖水體透明的反演要求，得出的成果如下。

1) 利用Landsat8 OLI影像數據進行東平湖水體透明度的遙感估測，可以獲得較高的反演精度，通過驗證點的精度評價表明：模擬值與實測值之間的總體相對誤差為19.77%，均方根誤差為19.35cm。

2) 在Landsat8 OLI數據的7個波段中，可見光波段與透明度具有較高的相關性，第3與4波段相加所建立的對數模型可用於東平湖水體透明度的遙感反演。

3) 東平湖水體透明度整體上呈南低北高的分佈特徵。

4) 東平湖水體透明度與Chla、a_CDOM(440)具有良好的相關性，是否可以利用測定簡便的透明度數據來預測東平湖Chla以及a_CDOM(440)的變動還需要更加細緻的研究加以證實。

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