基于OLI影像的北溪桥闸库区污染分布研究

周嘉旺

(福建省水利水电勘测设计研究院,福建 福州 350001)

1 引言

九龙江北溪桥闸位于九龙江北溪河口，库区作为福建省重要的水源地，涉及漳州第二水厂水源保护区、漳州市福糖水厂水源保护区、北溪厦门市引水水源保护区、龙海市自来水厂水源保护区等4个水源保护区，承担着给厦门、漳州供水重担，其水质安全极其重要。但受到九龙江北溪流域天然来水量较小、流域内人口较多等因素影响，北溪桥闸库区的水质安全隐患较大，甚至偶发水华现象。因此，研究北溪桥闸库区污染分布对水源地保护、流域综合治理都具有重要意义。

CODMn(高锰酸盐指数)是反映水体中有机和无机可氧化物质污染的重要指标，常用在地表水、饮用水的监测中，同时CODMn也是富营养化评价的重要指标。

CDOM即有色可溶性有机物，是光学上可测量的水中溶解性有机物的，主要由氨基酸、糖、脂肪酸类、酚类等组成，在紫外和蓝光范围具有强烈的吸收，在黄色波段吸收较小，随着CDOM的增长，水体颜色逐渐由蓝色过渡到绿色、黄绿色、黄色。根据相关研究表明，在天然水体中，CDOM与CODMn具有较好的相关性，使CODMn的遥感监测具有可行性。

OLI影像来自landsat8遥感卫星，其波段主要包括海岸波段、红、绿、蓝、近红外、短波红外等7个波段以及全色波段和卷云波段。除全色波段外，其它波段空间分辨率为30 m。通过辐射定标以及大气校正后的OLI影像，可从各波段读取实测点的反射率，获取各实测点的光谱信息，用于定量分析。

通过分析各实测点的CODMn值和遥感光谱反射率，找到适合研究区域的波段组合方式，并建立二者的定量模型，从而实现遥感监测。

2 研究区概况

九龙江北溪为九龙江干流，是福建省第二大江，全长约274 km，流经龙岩、漳州、厦门等市。北溪桥闸位于九龙江北溪河口，是九龙江北溪干流末端闸坝，控制流域面积约9640 km2，库区内涉及4个水源保护区，是福建省重要水源地。为了了解北溪桥闸库区内水质情况，2018年3月6日进行水样监测，共选取7个监测点位，详见表1。

表1 北溪桥闸库区监测点位分布

3 材料与方法

3.1 影像数据获取

OLI影像从地理空间数据云获取。考虑到landsat8卫星一个运行周期为16 d，且卫星影像质量受大气影响较大，在选取影像的时候，应考虑成像日期以及云量的影响。本次OLI影像的数据标识为LC81190432018070LGN00，其成像日期为2018年3月11日，云量为2.98%，影像数据较好。

3.2 影像处理

所获取的影像投影坐标系为WGS84 UTM 50，已经过系统性的几何校正。查看影像像元值为整型，为DN值，需通过辐射定标及大气校正转为反射率。采用ENVI5.3中Radiometric Calibration工具对所需影像及波段进行辐射定标，并进一步进行FLAASH大气校正：影像平均地面高程设为0.05 km，大气模型参数选择Tropical(低纬度),气溶胶模型选择urban，气溶胶反演方法选择2-band(K-T)法。

3.3 水系提取

在处理后的影像上继续提取研究区域水系。影像水系提取主要有MNDWI(改进型水体归一化指数)以及NDWI(水体归一化指数)两种方法。相比起NDWI，MNDWI采用绿色和短波红外来增强无冰水面要素，同时降低了人工建筑的响应。考虑到研究区域河岸有较长的防洪堤、且水面架设桥梁较多，人工建筑影响较多，采用MNDWI来提取水系更加合适，MNDWI计算公式如下。

(1)

最后在arcgis Pro中采用栅格裁剪工具，对影像提取的水系进行进一步的修剪，获得最终的研究范围。

4 结果与分析

表2 各水样CODMn监测值与反射率

表3 波段及波段组合与监测值的相关性(节选)

图1 库区高锰酸盐指数预测分布

将验证样本的4、6、7波段反射率带入训练样本的线性拟合公式，获得验证样本CODMn浓度预测值，并将预测值与实测值进行对比，发现相对误差较小，用本方法预测库区CODMn浓度分布结果较可靠。验证样本预测结果分析见表4，线性拟合如下：

(2)

采用arcgis Pro的栅格计算器，将研究范围内的各波段通过上述公式组合，获得九龙江北溪桥闸库区的CODMn浓度分布，可发现库区内CODMn平均值约1.71 mg/L,且大部分地区可达到地表水Ⅱ类标准，库区CODMn较高的区域主要分布在龙津溪口，此外受沿岸农田面源散排以及部分河岸水土流失的影响，部分沿岸区域CODMn也较高。

5 结语

本文基于OLI影像及实测水质数据，利用遥感影像对污染物特征光谱的识别，反演了九龙江北溪桥闸库区内的高锰酸盐指数分布(图1)，并判断出库区内主要污染分布及来源。虽然实测和预测数据表明，龙津溪口水质未超过Ⅱ类标准，但结合相关工程经验，当CODMn较高时(>3 mg/L)，总磷总氮容易超标。此外，郭坑大桥至北溪桥闸区间，CODMn分布呈增大趋势，说明沿岸农田面源的散排也是库区水质的重要影响因素。因此，为进一步保障九龙江北溪桥闸水源地的供水水质安全，建议可针对龙津溪开展小流域综合整治，并对库区沿岸农田采取节水灌溉、测土配方肥等手段进行治理。