探讨遥感反演模型技术在水质参数监测中的具体应用

张子安

（宁波诺丁汉大学地理学院 浙江宁波 315100）

1 河流概况

浑河是辽河的支流，是辽宁省东部河流。发源于清原县滚马岭，全长415km。流域面积1.14×104km2，年径流量30.52×108m3。浑河水系的不对称特征明显，水系的东侧支流十分密集，水量较大；水系西侧支流很少，水量较小。浑河成为城市废水的主要排放渠道，河水的富营养化和污染日趋严重。

2 数据源采集与数据预处理

2.1 野外数据采集

根据浑河中游河段水面状况、水质分布以及水面形状等特征，采样路线设计为自南向北。数据采集分六个时间点进行：2012年8月3日、2013年6月4日、2013年8月11日，2013年9月15日和2014年7月11日。共获得96份水体高光谱数据，在观测几何，以减小船舶阴影和太阳直射反射对水面光场的破坏。6月～7月，ChI-a浓度较低，河流深水区的ChI-a浓度较低[1]。

2.2 HJ-1A数据预处理从中国卫星资源中心获取6个时间点的六景多光谱数据。只有2012年8月3日和2013年9月15日的影像质量符合要求，对这两景图像进行预处理。

2.2.1 辐射定标。从卫星中心得到的图像需要进行绝对定标，精DN值转换为辐亮度图像后方可进行下一步处理。定标公式如下：

其中L-辐亮度；α-绝度辐射定标系数增益；L0-偏移量。

2.2.2 影像裁剪。利用遥感数字影像处理软件（ENVI），在保留研究中心区的前提下，对初始遥感图像进行裁剪。

2.2.3 几何纠正。利用ENVI软件对获取的遥感数据进行几何纠正，以经过纠正的Landsat-TM数据为参考，利用二次多项式模型求解，误差精度控制在0.3个像元以内。

2.2.4 大气纠正。地球浓密的大气层会对卫星传感器接受的光谱辐射产生较大干扰，本研究利用ENVI软件完成2景多光谱遥感数据的大气校正。

3 基于HJ-1A卫星多光谱数据的Chl-a反演

3.1 叶绿素a反演模型的构建

HJ-1A多光谱包括蓝、绿、红、近红四个波段，由于水色信息分布于这四个波段，并存在一定的重叠。在上节卫星影像数据预处理的基础上对HJ-1A各波段之间的相关系数进行分析，并得到如表1所示的结果。

表1 HJ-1A各波段间的相关性

前三个波段之间的相关性较强，这三个波段之间信息重叠较多，而与波段4之间的重叠信息较少。利用HJ-1A和TM多光谱数据进行Chl-a浓度反演建模的波段选择方式的研究结论，进行进一步筛选，对叶绿素a浓度相关系数进行分析，分析结果如表2所示。

表2 HJ-1A波段及波段组合与Chl-a浓度的相关系数

结果显示4个波段与Chl-a浓度相关系数的最大绝对值为0.66，数组合波段相比单波段的相关系数要高，最大绝对值为0.77，显示组合波段对噪音影响的降低具有一定的效果。受HJ-1A波段范围的限制，叶绿素a的反射峰和吸收谷没有包含在四个波段中，在作与Chl-a的一元回归分析时应该选择相关系数最大的波段。

3.2 反演模型的对比检验

两期Chl-a浓度预测结果计算所得：SVM在预测精度上表现出明显的优势，在样本数量较少的情况下，仍有较好的预测精度。

3.3 模型的应用

利用SVM模型反演结果的三个指标依次为:35.33ug/L，18.26ug/L，21.30ug/L，显示浑河处于IV类水质。反演结果显示研究区Chl-a浓度均值分别上升了：3.61ug/L和6.71 ug/L，说明浑河水质在不断恶化。妨水河Chl-a浓度在空间分布上的差异性明显：Chl-a浓度深水区较低，高浓度值区域浮游藻类分布较明显。

第一期采样点水体平均温度为16.81°C，总磷、总氮平均浓度分别为:0.04mg/L、1.13 mg/L，第二期采样点的三个指标依次是：14.63°C，0.0，5 mg/L，1.33mg/L。 数据显示高温对藻类生长繁殖有利，第二期温度较低，但是Chl-a浓度值更高，也证实了浑河的水质在恶化。

4结语

4.1 SVM模型的反演比一元线性模型精度要高，将HJ-1A多光谱数据与波段组合数据结合作为SVM模型的输入变量对提高模型精度有利。

4.2 模型的计算结果显示浑河水体处于富营养化状态，监测结果与沈阳水务局公布的结果一致。

4.3 SVM模型具有很好的非线性拟合能力，能够提高水质参数反演的精度。

[1]赵玉芹,汪西莉,蒋赛.渭河水质遥感反演的人工神经网络模型研究[J].遥感技术与应用,2009，01:63-67.

[2]汪西莉,周兆永,延军平.应用GA-SVM的渭河水质参数多光谱遥感反演[J].遥感学报，2009，04:740-744.

[3]朱利，姚延娟，吴传庆，张永军，陈静，王颖.基于环境一号卫星的内陆水体水质多光谱遥感监测[J].地理与地理信息科学，2010，02:81-84+113.