基于Sentinel-2影...平寨水库水体透明度遥感反演_温朝程.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金委员会贵州喀斯特科学研究中心项目“喀斯特筑坝河流水安全评估与调控对策”（）；国家自然科学地区基金项目“岩溶洞穴系统外源酸对碳汇效应影响机制研究”（）；贵州省科技计划项目（黔科合基础 ）。第一作者：温朝程（），男（汉族），贵州省盘州市人，硕士研究生，研究方向为地理信息系统与水环境遥感研究。：。通信作者：周忠发（），男（汉族），贵州省遵义市人，教授，博导，主要从事喀斯特生态环境、地理信息系统与遥感研究。：。基于 影像的平寨水库水体透明度遥感反演温朝程，周忠发，李永柳，孔 杰，谢江婷，（贵州师范大学 地理与环境科学学院喀斯特研究院，贵州 贵阳 ；国家喀斯特石漠化工程技术研究中心 贵州 贵阳 ；贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 ）摘要：目的研究水体透明度的变化规律及其空间分异驱动因素，为管理湖库及恢复湖库生态系统提供科学依据。方法基于 年月 日，月 日，月 日的 卫星影像及准同步实测透明度数据构建平寨水库透明度遥感反演模型，利用地理探测器定量分析影响透明度空间分异的驱动因素。结果平寨水库水体透明度与 的波段最为敏感，利用波段组合作为最佳敏感因子构建出的透明度反演模型具有较高的精度（，）。平寨水库水体透明度呈现出中心库区高而各支流上游低，近水体两岸低的空间分布趋势，且水体透明度 月月月。结论总悬浮物、叶绿素及总有机碳含量是平寨水库水体透明度空间分异的主要因素。总磷、总氮、水温及风速通过影响水体中的总悬浮物、叶绿素及总有机碳含量进而影响水体透明度空间分布。关键词：水体透明度；遥感反演；地理探测器；平寨水库文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：温朝程，周忠发，李永柳，等基于 影像的平寨水库水体透明度遥感反演水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：，（，），：；水资源是社会经济发展和人类赖以生存必不可少的 物 质 基 础。中 国 淡 水 资 源 禀 赋 仅 占 全 球 的。由于近年来经济社会的快速发展与工业化、城镇化的推进，导致中国出现严峻的水环境污染问题。巢湖、滇池和太湖等富营养化湖泊爆发藻华，造成严重的生态环境问题。洪泽湖、鄱阳湖等湖泊由于非法采砂等活动猖獗，导致水体浑浊度显著提高，影响水下光场，破坏鱼类产卵场和底栖动物生境，引起生态系统失衡。湖库作为中国 以上人口的主要饮用水源地，同时是全球气候变化的参与者和区域响应的重要记录器。其水体透明度能直接影响湖库的初级生产力和水生生物的生存，对维持湖库的健康和稳定具有重要意义。研究湖库水体的透明度变化规律及其成因，有助于更好地制定湖库生态系统恢复策略和管理湖库。透明度（，）是描述水体光学性质和评估水体富营养化的重要参数之一，它与水体中无机物、有机物、溶解物、颗粒物和浮游植物等组分含量密切相关。塞克盘法常用来监测水体透明度，该方法操作过程简单，但只能获取监测断面上的水体透明度数据，且费时费力，所测出的点位数据只具有局部代表意义。遥感技术具有快速、大面积和周期性的特点，能解决塞克盘法因船舶不能到达某些区域而无法监测及测量数据只具有局部代表意义的局限性问题。目前，国内外学者借助遥感手段获取水体透明度开展了大量研究。如马建行等 基于 和 数据反演吉林省中西部湖泊水体透明度，分析发现吉林省中西部湖库水体透明度主要受河流携带的泥沙等悬浮物及浮游植物色素等影响。等 使用 影像反演明尼苏达州 多个湖泊水体透明度，研究表明水体透明度发生变化主要是由于湖泊周边人类活动频繁致使大量营养 成分输 入及 藻 类 大 量 繁 殖 所 致。等 使用 数据反演明尼苏达州中小尺度范围内不同营养状态湖泊水体透明度，分析表明叶绿素含量是影响水体透明度的主要因素。刁瑞翔等 利用 卫星影像监测岱海水质，结果表明水体透明度与悬浮物空间分布上呈现出相反的趋势。水体透明度的时空分异特征受多种因素共同作用，如降水量、风速等气象因素，总悬浮物、总有机碳、叶绿素等水质参数 ，同时还受地理位置、入库径流量及人类活动等因素的影响 。不同水体的水质参数各不相同，影响透明度的主导因素也不尽相同。如中国华东地区太湖水体透明度空间分布主要受藻类主导和内蒙古自治区岱海水体透明度空间分布主要受有色溶解物主导。上述研究虽从水质参数气象数据、及人类活动等方面分析影响水体透明度的主要因素，但这些研究难以体现驱动因素对水体透明度空间分异的贡献率。平寨水库是黔中水利枢纽一期工程的唯一水源地水库。该工程是贵州省首个大型跨地区、跨流域长距离水利调水工程，是贵州省实施西部大开发战略的标志性工程。水库肩负着向六枝特区、普定县、关岭县、平坝县、安顺和贵阳市等周边地区提供饮用水及农田灌溉任务。研究该水库水体透明度变化规律及成因，对于更好的管理水库及保障饮水安全其重要性不言而喻。由于贵州喀斯特山区常伴有阴雨天气，且库区狭长而曲折，使得适合于平寨水库研究的遥感数据源极为缺乏。采用双星系统设计，重访周期为，其所搭载的 传感器具有 个波段，空间分辨最高为 ，能较好地适用于平寨水库透明度遥感反演。基于此，本文以平寨水库为研究区，利用 卫星影像数据与实测透明度数据构建平寨水库透明度反演模型，采用同期水质参数，结合地理探测器分析透明度空间分异的驱动因素，进而定量分析驱动因素对透明空间分异的贡献率。本研究旨在为湖库管理提供决策支持以及后续水体透明度空间分异驱动因素研究提供参考。研究区概况平寨水库位于贵州省纳雍县、织金县及六枝特区交界的三岔河中游木底河山格镇平寨村附近，地理坐标为 ，由纳雍河（三岔河纳雍段）、水公河、张维河、白水河及扈家 河 汇 流 后 筑 坝 而 成，坝 高 ，总 库 容 量 ，调节库容 ，正常蓄水位 ，库区平均水深。水库流域内地势起伏第期温朝程等：基于 影像的平寨水库水体透明度遥感反演较大并发育倾斜构造，库区出露地层和岩性主要为上二叠统大隆组（）和龙潭组（）的砂岩和泥岩，下三叠统大冶组（）、关岭组（）、夜郎组（）和永宁镇组（）的白云岩和泥灰岩。平寨水库地处亚热带高原季风气候，年平均气温为 ，年均，月降水量分别为 ，年，月 平 均 降 水 量 分 别 为 ，且 年，月水库平均风速分别为，降水主要集中在每年的月，年均降雨量 ，植被类型以亚热带常绿针叶阔叶混交林为主。水库流域上游人口密集，社会经济活动频繁并建有大型煤矿企业。材料与方法实测数据本研究于 年月 日，月 日和 月 日分次进行野外试验数据收集，采集数据时天气状况良好，天空晴朗无云，采集时间为每个采样日的：。采样时充分考虑平寨水库形状、船舶行驶能到达的水面区域及水库周边山体在水面阴影的影响，在水库上共布设 个采样点并用手持 仪定位，其中，月采样点个数分别为，个。在每个采样点，将带有刻度尺的塞克盘垂直放入水中，直到黑白相间的塞克盘在水中下降到“能见”与“不能见”的临界点时记录下塞克盘下降的刻度以获取透明度实测值。在测量获取的 组透明度数据中，随机选取（组）用于模型构建，（组）用于模型精度验证。测量水体透明度时，利用德国公司生产的 便携式多参数水质分析仪及美国 型便携式气象站野外同步测定水温（）和风速（）。同时利用个 和个 聚乙烯瓶在每个采样点水面下 处采集水样，将水样密封、冷藏带回实验室测定水质参数。在实验室中，利用荧光分光法测量叶绿素浓度（）。悬浮物（）采用抽滤、灼烧称质量法测定。利用岛津公司生产的 总有机碳分析仪测取总有机碳（）含量，宽测量范围为 。总磷（）和总氮（）使用德国 公司生产的 型全自动间断化学分析仪测定，其检出限为 。遥感数据及预处理本文使用的 年月 日，月 日，月 日 卫星影像数据来自欧洲委员会和欧洲航天局（：）发布的经过辐射定标后的 级产品，波段参数见表。级产品是经过正射校正和几何精校正的大气表观反射率产品，并未进行大气校正，采用欧洲航天局发 布 的 插 件 对 其 进 行 大 气 校 正。由 于 各 波 段 空 间 分 辨 率 不 同，无 法 对 经 过 大气校正后的影像进行处理应用，需要将各波段空间分辨重采样为相同分辨率，采用 软件的重采样模块将 影像所有波段空间分辨率重采样为，导出为 能处理的数据格式，并在 中合成处理波段数据。表平寨水库水体透明度 光谱波段参数 波段号波段名称中心波长 波宽 空间分辨率海岸气溶胶 蓝 绿 红 植被红边 植被红边 植被红边 近红外（宽）近红外（窄）水蒸气 短波红外卷云 短波红外 短波红外 研究方法透明度遥感反演原理水体的光谱特性主要由水体中的悬浮颗粒物、有色可溶解性有机物、无机物、浮游植物以及纯水本身等组分对太阳辐射的吸收和散射决定，同时又受水体各种状态的影响。而悬浮颗粒物、有色可溶解性有机物、浮游植物以及纯水本身 对 太 阳 辐 射 在 水 下 的 传 输 和 分 布 影 响 最大。由于纯水对太阳辐射的吸收和散射特性是稳定不变的，不同水体中各组分含量的差异造成了卫星传感器接收到离水辐射的差异。因此通过遥感定量监测水质参数的关键即分析一定波谱范围内水体组分含量不同对遥感反射率所造成的不同影响。透明度模型构建方法水质遥感反演经验模型是基于统计学的多个自变量对单个因变量反演的方法，主要包括自变量的线性、非线性相关回归。经验模型通常利用单波段或波段组合与透明度的回归关系来估算水体的透明度，具有波段选择灵活、计 水土保持通报第 卷算过程简便、精度高等优点。因此，本文基于实测透明度数与 单波段或波段组合反射率进行相关回归分析，尝试构建平寨水库水体透明度遥感反演模型。地理探测器地理探测器是探索空间异质性，揭示其背后驱动因子的一种统计学模型，与传统的模型相比，能够在不基于线性假设和变量共线性的情况下分析变量之间的相互关系。地理探测器用值度量驱动因子对因变量空间异质性的解释力，其值域为，数值越接近说明驱动因子对因变量空间分异的解释力越强，反之若数值为则驱动因子与自变量不存在任何关系。值计算公式为：（）式中：为透明度或各水质参数的分类；和分别为类和所有类别的单元数；和分别是类和所有类别的透明度方差值。模 型 精 度 评 价本 文 采 用 平 均 相 对 误 差（）、均方根误差（）对平寨水库水体透明度遥感反演模型精度进行评价，其表达式下：（）（）（）式中：是透明度的模型反演值；是透明度的现场实测值；表示样本总数。结果与分析水体透明度敏感波段分析内陆类水体水色遥感反演通常基于可见光至近红外波段范围内的波段进行反演，。共有 个不同波长范围的波段，其中 和 是中心波长相同而波段范围不同的近红外波段，波段是水蒸气波段，波段用于大气校正，和 为短波红外波段。因此本文利用 分析了 的前个波段（）遥感反射率与 组水体透明度进行皮尔逊相关性分析（图），进而找出平寨水库水体透明度遥感反演敏感波段。波段反射率与水体透明度呈现出负相关的关系（图），皮尔逊相关系数在 至 之间，这是因为当水体中的悬浮物、有色可溶解性有机物、泥沙等组分含量升高时，水体的透明度就随之降低，其波段反射率就会越高。从气溶胶波段开始，随着波长范围的增加，水体中的悬浮物、浮游植物、有色可溶解性有机物、泥沙等组分在绿光和红光表现出强反射，之后随着波长范围的增加，其反射率逐渐减小。同时可以看到 气溶胶波段（）、蓝波段（）、红边波段（）、红边波段（）、近红外波段（）的相关性较小，皮 尔 逊 相 关 系 数 分 别 为 ，而绿波段（）、红波段（）、红边波段（）较高，皮尔逊相关系数分别为 ，。图平寨水库水体透明度 单波段与实测透明度的相关系数 为找出平寨水库水体透明度最佳反演波段组合、得到更优的反演模型，本文选取实测透明度与 相关系数最高的，及波段分别做不同的波段组合，对不同的波段组合结果分别与实测透明度数据进一步做相关分析（分析结果见表）。，与 的皮尔逊相关系数均高达以上，其中相关性最高的是和，皮尔逊相关系数分别为 和 。表平寨水库水体透明度单波段及波段组合相关分析 波段及波段组合 波段及波段组合 第期温朝程等：基于 影像的平寨水库水体透明度遥感反演透明度反演模型构建与验证基于相关分析结果，选取相关性最好的单波段