利用色度角和哨兵2号影像识别水色异常

摘 要

由于受污染水体往往在区域中面积小以及分布广，进行人工实地筛选比较困难;而基于遥感的筛选具有快速、大规模和动态这三个优点。被污染的水体往往呈现出异常的水色，如黑色、灰色和红色。因此，通过高分辨率遥感影像和水色对疑似污染水体进行大规模识别，可以提高筛选效率，缩小筛选范围。但是目前对这种类型水体的研究却还很少。水体的色度角是在国际照明色彩空间委员会(CIE)中用来描述颜色的参数。根据实测数据，通过本研究设置的阈值以及基于Sentinel-2影像进行识别，将色度角大于230.958°的水体定义为水色异常。结果表明:利用Sentinel-2影像去提取水体的色度角,评价了利用原位遥感反射率Rrs (lambda;)计算的色度角的精度,其中均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为4.397%以及1.744%,分别证明了该方法的可行性。对齐齐哈尔一处水色异常水体和一处一般水体进行了色度角计算。当色度角大于230.958°时，将水体视为水色异常，当色度角小于230.958°时，将水体视为一般水体。选取2016年5月至2019年8月齐齐哈尔市的高质量Sentinel-2影像，水体位置保持不变;没有出现误差或遗漏，水体色度角变化明显异常，表明该方法具有良好的稳定性。此外，该方法仅适用于光学深水，而不适用于光学浅水。将该方法应用于雄安新区，结果显示了良好的识别精度，表明该方法具有较好的通用性。本研究以齐齐哈尔市为例，于2018年10月14日至15日进行了地面调查实验，获得了6个一般水样点和4个异常水样点的测量数据，包括水质遥感反射率、透明度、水色、水温、浑浊度等。

关键词：Sentinel-2；遥感识别；水色异常;水体色度角；遥感反射率

第一章 介绍

水体受到污染时，水色异常通常能够间接反映水体的质量。水体的异常颜色通常包括红色、黑色和灰色，但不包括富营养化水体的颜色绿色。在水色识别中存在着几个不确定因素，如个别水体之间的色彩敏感度的差异和经验的水色识别，被认为是应当通过人工目视解译来识别水色异常。为了避免这些不确定因素的影响，本研究采用水体的色度角来识别水色异常。当水体色度角大于230.958°时识别为水体异常。水色异常通常是由于污染物的非法排放和倾倒造成的，如工业废水、工业固体废物和生活垃圾，导致地表水中污染物浓度明显高于普通天然水体；这对水生生物及周边生态环境造成了严重危害。导致水色异常的因素一般分为三类：（1）工业类，包括废酸、废油、重金属、难降解的有机物以及其他工业固体废物。（2）生活类，包括生活污水、生活废物及其他废物;（3）农业类，包括畜禽废水和粪便的积累。图1展示了水色异常的例子^[1-5]。

图 1 水色异常的插图

水色异常分布不集中但却分布范围广。传统的人工实地调查方法无法进行快速、大规模的实时动态监测，且存在劳动力成本和经济成本高、效率低、报告容易出错等缺点。但是遥感技术具有监测范围广、信息获取快、周期短等优点;因此，它可以实时反映水体的动态，并利用历史遥感卫星数据探索水色多时段变化规律。

1890年，Francois Alphonse Forel^[6]第一次提出了水体颜色分类标准，将蓝色和绿色水体分为11个颜色等级。最初，在水色计的试管中，11种颜色是通过将不同比例的黄色剂(铬酸钾)加入到蓝色剂(硫酸铜)溶液中产生的。1892年，威利乌勒为水色表添加了从绿松石色到红褐色的十种颜色。Forel和乌勒生产的这11和10色等级就是今天所知的21色Forel - Ule色度计(或Forel -Ule)颜色指数;FUI)。诺沃亚等人^[7]通过制定方案、透射分析和色谱等方法在FUI尺度上进行了光谱分析。近年来，利用遥感技术和水色监测水质取得了一些进展。在1978年，Alfold和Munday^[8]基于Landsat MSS假彩色合成图像和水质评估了HIS色彩空间中色调和色彩饱和度之间的相关性。Wernand和van der Woerd^[9]发现，在国际照明委员会(CIE)颜色空间和FUI指数a的主波长之间有很好的一致性。根据国际照明委员会(CIE)颜色空间通过Landsat TM计算红色，绿色和蓝色的波段。Jaquet和Zand^[10]对水体营养状况与CIE颜色空间坐标之间的关系进行了定性评价。Bukata, Bruton, 以及 Jerome^[11]还有Bkkata^[12]确定了水色与水质的关系。Douml;rnhouml;fer^[13]利用多年的中分辨率成像光谱仪(MERIS)数据和神经网络算法来计算检索叶绿素的吸收，在Kummerow湖中检测了总悬浮物和有色溶解有机物(440纳米)，并检测了湖中的颜色变化。基于中分辨率成像光谱辐射测量(MODIS)数据，Wang^[14]通过检索水色的主波长，分析水彩与水体中光学活性成分的关系来对水色进行分类。Wernand^[15]提出了基于MERIS的遥感影像水体提取的FUI级算法。Garaba等[16]应用FUI系统对自然水域进行分类。利用MODIS数据，LI^[17]通过观察水色变化，探究了2000 - 2012年中国十大湖泊的水质变化和营养状况。Shen^[18]利用高分辨率多光谱影像的强度，采用纯度检验法对城市河流的黑色和恶臭水体进行识别。Wernand^[9]等人使用Forel-Ule海洋颜色比较指标进行了光谱分析。Rudorff等人^[19]在Landsat的基础上采用半分析方法来反演浊度，利用MODIS-Aqua卫星数据，测量采矿废水灾害对巴西东海岸多塞河羽流浑浊度的影响。Oron和Gitelson[20]利用遥感技术对某污水池的水质进行实时监测，找出污水遥感反射率Rrs (lambda;)变化的原因，提出通过观测遥感反射率Rrs (lambda;)的变化对严重污染的水质进行实时监测。

以往基于遥感的水质监测研究大多采用MERIS、MODIS和Landsat等卫星数据对水色正常的大型湖泊和水库的一般水体进行监测。但对水色异常的识别和监测研究较少^{[13-16,19-23]}。由于观测时间长，空间分辨率高，且各波段(除两个热红外波段外)空间分辨率相同，Landsat数据有利于水质的长期监测和分析^[21]。相比之下，由于空间分辨率较低，MERIS和MODIS数据多用于大型湖泊和水库水质监测^[13,19] 。由于水色异常多发生在城市河流和工业区的坑池中，且覆盖面积较小，上述卫星数据的空间分辨率不足以识别水色异常。本文从Sentinel-2影像中提取水体的色度角，用于识别水体颜色异常，该方法适用于红色、棕色和灰色水体，不适用于绿色的富营养化水体。Sentinel-2卫星具有高时间分辨率(哨兵2A和哨兵2B是互补的,重访周期是5天),高空间分辨率(60米)、幅宽为290公里times;290公里,且由于稳定的轨道，不需要卫星图像进行几何校正。通过哨兵2号影像提取色度角来识别水色异常。需要进行大气校正、波段重采样、水体提取等预处理。利用Sen2Cor和欧洲航天局(ESA)开发的SNAP软件对Sentinel-2影像数据进行大气校正和波段重采样，获得10 m空间分辨率的地表反射率数据。基于遥感数据的水体提取方法主要有两种:(1)通过水体指数，如修正归一化水体指数法(MNDWI)、归一化水体指数法(NDWI)、自动水体提取指数法(AWEI)、多波段水体指数法(MBWI)、多光谱水体指数(MuWI)等^[24-30];(2)通过支持向量机(SVM)，极大似然法、决策树和随机森林法等分类方法^[31,32]。利用水体指数提取水体的优点是应用方便、结果快速;但其波段信息有限，水体提取结果误差较大，最优阈值计算复杂，每幅场景图像都必须匹配一个最优阈值。相比之下，分类方法具有较高的准确率;然而，样品的采集复杂，处理耗时，样品选择的准确性也会影响水体提取的最终结果。

第二章 研究区和数据概况

2.1 研究区概况

齐齐哈尔市位于中国东北松嫩平原，位于东经122°-126°和北纬45°-48°处。2018年7月，齐齐哈尔市昂昂溪区污水坑池发现黑臭水体。黑龙江省政府向齐齐哈尔市政府发出监管函，要求齐齐哈尔市切实解决环境污染问题。在2016年7月之前,生活污水的排放和昂昂溪地区和工业和矿业公司生产的废水,如由黑龙江丰源实业集团有限公司,安康生物工程有限公司和活力源酵母有限公司,形成了几个巨大的黑色恶臭水体^[33]。

雄安新区位于中国河北省保定市，规划范围包括雄县、荣成县、安新县。2017年，对安新县因多年垃圾、污水积累而形成的387个坑池进行了筛选，制定了“一坑一策^[34]”的处理方案。研究区域如图2所示。

图 2 齐齐哈尔市和雄安新区研究区

2.2 数据获取

2018年10月14日和15日，在齐齐哈尔市富拉尔基区、昂昂溪区、德伯特县和扶余县收集了6个一般水体和4个水色异常的10个水样数据。2017年4月28日，在雄安新区安新县采集了4个一般水体和2个水色异常水体的6个水样。2018年10月5日，我们采集了雄安新区荣成县13个水样的数据，包括12个一般水体和1个水色异常。在每个试验点，测量水体的遥感反射率Rrs (lambda;)，并拍照，记录水体的现场情况。2018年和2017年，齐齐哈尔市和雄安新区分别开展了卫星对地准同步试验，试验时间相差10天。2018年，在雄安新区进行了星地同步试验，如图3所示：

图 3 (a)齐齐哈尔市和(b)雄安新区。注:在齐齐哈尔市，样本1-6为一般水体，7-10为异常水体。雄安新区的样例1 ~ 4为一般水体，样例5 ~ 6为异常水体

2.2.1 原位遥感反射率

在图3所示的每个测试地点，使用ASD field-specR3便携式光谱辐射仪采集水面光谱。光谱测量采用NASA海洋光学协议^[35]和Tang等人提出的水体光谱测量方法。为避免太阳耀斑和船体阴影的影响，观测方位角和天顶角分别设置为135和40^[35,36]。每个采样点的光谱采集顺序为参考板、水体、天光、参考板，其中参考板和天光采集10个光谱，水体采集15个光谱。在计算遥感反射率时，剔除采集过程中的异常值，然后计算剩余光谱的平均值。遥感反射率计算为：

(1)

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