湖北省12个湖泊水质和富营养化湖泊的遥感监测

湖北省12个湖泊水质和富营养化湖泊的遥感监测

近年来，湖泊水污染和富营养化问题日益严重，对人们的日常生活和健康健康有重大影响。因此，我们需要对湖泊水质进行快速、正确的监测。常规的水质监测方法耗时耗力,难以实现湖泊水质长时间连续观测,且监测的结果只能反映局部点范围内的污染情况,不能反映大区域的污染信息随着湖泊资源开发利用的加剧,湖北省湖泊数量锐减,面积持续萎缩,“千湖之省”已不再是拥有湖泊最多的省份“湖北省水环境遥感监测示范系统”以环境一号卫星(HJ-1A/1B)CCD影像为主要数据源,以湖北省大东湖水网、梁子湖水系和汤逊湖水系共计12个湖泊为示范区域,结合地面实测数据连续动态地监测湖泊水环境质量,探索对湖北省湖泊水质更有效的监测和管理方式1数据预处理及评价系统“湖北省水环境遥感监测示范系统”由3个子系统构成:遥感数据预处理与水环境监测子系统,水环境遥感数据库管理子系统,水环境遥感可视化子系统。遥感数据预处理与水环境监测子系统负责完成具体的监测工作,其主要功能模块如图1所示。由于原始影像不能直接用于水质参数反演,需要先进行地理坐标校准和辐射定标等处理,从而生成表达地物反射率和亮度温度的中间产品,因此水环境遥感监测的数据预处理功能包括辐射定标、几何校正、大气校正、投影变换、湖区提取等。水环境监测功能主要包括水环境指标提取和水环境评价。本系统提供了2种水环境指标提取方法,分别是模型法和分割法。模型法是基于水环境指标实测数据与相关波段光谱数据的最小二乘法拟合得到的反演模型,通过波段间的组合运算,反演得到湖区12个单项水环境指标,包括五日生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、汞、挥发酚、铅、溶解氧、石油类、透明度、叶绿素a、总氮、总磷。分割法是从图像处理和空间分析的角度进行水环境指标反演,通过对遥感影像进行预处理,并选择与监测指标相关程度高的波段组合构造新的特征影像,采用均值漂移算法对特征影像进行对象分割,针对分割后形成的图斑,进行反距离加权内插,得到整个湖区的12个单项水环境指标。水环境评价主要是根据环境保护部公布的水环境状况评价标准,对遥感反演获得的12个单项水环境指标进行分级评价,包括富营养化程度分级、水质分级和水污染程度分级。水质现状类别评价采用单因子水质评价方法,评价标准执行《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》。湖泊富营养化评价采用综合营养状态指数法,评价标准执行《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22号)。2应用示范2.1开展水环境遥感监测应用示范以武汉城市圈大东湖水网、梁子湖水系、汤逊湖水系共计12个湖泊为示范区域来进行湖北省水环境遥感监测应用示范。大东湖水网是长江中游最大的城市湖泊水系,以东湖为中心,主要由东湖、沙湖、杨春湖、北湖、严西湖和严东湖等6个湖泊组成,面积分别约为33、3、0.1、3、13、7km2.2湖泊水质现状下载示范区域各湖泊清晰无云的HJ-1A/1BCCD遥感影像每月各一景,每月监测1次,全年共监测12次。首先在系统中实现对遥感数据的格式转换、辐射定标、几何校正、大气校正、投影变换、水域提取等预处理。然后采用基于实测数据与光谱数据的最小二乘法拟合建立的反演模型,反演得到12个单项水环境指标的分级图,并在这些单项指标分级图的基础上进行综合评价,最终形成遥感监测水质分级专题图和营养状态级别专题图,图3所示分别为梁子湖水系2013年8月水质分级专题图和营养状态级别专题图。对2012—2014年示范区域各湖泊进行水质遥感监测,每月监测1次,共监测36次。遥感监测结果表明:梁子湖水系各湖泊水质相对较好,其中梁子湖、豹澥湖主要为II类水质,保安湖、鸭儿湖主要为III类水质;除保安湖为轻度富营养化外,梁子湖水系各湖泊均未见明显富营养化现象,其中梁子湖以中营养化为主,鸭儿湖和豹澥湖以贫营养化为主。大东湖水网各湖泊出现了明显的富营养化现象,其中沙湖、东湖、严东湖以轻度富营养化为主;杨春湖和北湖以中度富营养化为主;严西湖以中营养和轻度富营养化为主。大东湖水网各湖泊水质状况参差不齐,其中沙湖和严西湖以II类水体为主,严东湖以III类水体为主,东湖以IV、V类水体为主,杨春和北湖以V类水体为主。汤逊湖水系中,南湖全湖为劣V类水体,营养状态级别为中度富营养化;汤逊湖以III类水体为主,营养状态级别主要为轻度富营养化。遥感监测的梁子湖、豹澥湖和严西湖水质相对较好;杨春湖、北湖和南湖遥感监测水质相对较差,且富营养化状况较为严重。对比2012—2014年的监测结果表明,对示范区域各湖泊采用遥感方法监测的水质类别和营养状态级别年际间差异不大。对各湖泊水质类别及营养状态级别进行季节性变化分析,梁子湖、保安湖、东湖和汤逊湖等面积相对较大的湖泊,出现了略微的季节性变化,表现为第二、三季度水质相对较差、营养状态级别相对严重,其余湖泊水质类别以及营养状态级别无明显季节性变化。2.3系统遥感监测水质类别和营养状态级别示范区域各湖泊中,梁子湖有国控监测点位,保安湖、沙湖、东湖、南湖和汤逊湖有省控监测点位,每月都会公布实测水质类别以及营养状态级别数据。由于当前社会关注的是水质类别以及营养状态级别,各单项指标值均是用于评价水质类别以及营养状态级别,单项指标只要未超标,具体值都不是关注的重点。因此,以环境保护部门公布的上述湖泊2012—2014年实测水质类别和营养状态级别为基础,对遥感监测的结果进行精度评价,结果见表1。从表1可以看出:(1)2012—2014年,梁子湖各月遥感监测水质类别主要以II类为主,营养状态级别为中营养化,与实测结果一致,监测精度均为100%。沙湖遥感监测水质类别为II类,优于实测的劣V类水体;遥感监测营养状态级别为轻度富营养化,优于实测的中度和重度富营养化,因此遥感监测的水质类别和营养状态级别精度较低。(2)2012—2014年,南湖各月遥感监测营养状态级别均为中度富营养化,而实测营养状态级别以重度富营养化为主,部分月份为中度富营养化。因此,南湖营养状态级别遥感监测精度不高。(3)2012年和2013年,保安湖各月遥感监测水质类别均为III类,要优于部分月份实测的IV、V类水体;2012—2014年,汤逊湖各月遥感监测水质类别主要为III类,而实测水质类别以IV、V类为主。因此,保安湖和汤逊湖遥感监测水质类别精度较低。有研究表明,遥感方法对贫营养和腐蚀化的湖泊不适用综上所述,系统对示范区域各湖泊水质类别和营养状态级别的遥感监测,基本上能满足业务化运行的需求。部分区域遥感监测精度较低,主要表现为遥感监测的湖泊水质类别和营养状态级别均要优于实测结果。系统对于面积较大的湖泊的遥感监测精度更高。如果将II类水质归为水质优良级别,III、IV类水质归为一般,V、劣V类水质认为极差,将轻度富营养化、中度富营养化和重度富营养化之间的分类统一归为富营养化,对梁子湖、保安湖、东湖、南湖和汤逊湖遥感监测结果重新进行精度评价(沙湖不纳入精度评价范围),则2012—2014年共计180个监测频次中,遥感监测水质类别总体精度为91.67%,营养状态级别分类精度约为95.6%。若将沙湖也纳入精度评价范围,则在2012—2014年共计216个监测频次中,水质类别和营养状态级别遥感监测精度分别为82.6%和97.7%,遥感监测精度较高。因此,该系统能很好地实现对水质优良达标湖泊以及富营养化湖泊的识别。3遥感水质检测精度评估基于湖北省12个中小型湖泊,以《湖北省水环境遥感监测示范系统》为数据处理平台,进行湖北省水环境遥感监测应用示范,并对监测结