基于GF-1卫星WFV数据的潘家口水库水质参数遥感估算模型研究

收稿日期：2017-05-09

基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0503507-03）；国家自然科学基金重点项目（91637209）；国家自然科学基金项目

（41440010）

作者简介：翟召坤（1991-），男，山东淄博人，硕士生，主要从事水资源遥感与软件系统开发研究。E-mail ：zhaokunzhai@

通信作者：卢善龙（1979-），男，湖南安化人，博士，副研究员，主要从事水资源遥感与湿地生态研究。

E-mail ：lusl@ 文章编号：1672-3031（2018）04-0297-10

中国水利水电科学研究院学报

第16卷第4期

基于GF-1卫星WFV 数据的潘家口水库

水质参数遥感估算模型研究

翟召坤1，2，卢善龙1，暴柱4，马津1，王萍3，戴乙5

（1.中国科学院遥感与数字地球研究所，中国科学院数字地球重点实验室，遥感科学国家重点实验室，北京

100101；2.国家基础地理信息中心，北京

100830；

3.山东科技大学测绘科学与工程学院，海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东青岛

266590；

4.海河流域水环境监测中心引滦工程分中心，河北唐山

063700；

5.水利部海河水利委员会，海河流域水资源保护局，海河流域水环境监测中心，天津

300170）

摘要：为全面掌握潘家口水库水污染的真实状况，支撑库区近年来开展的水环境综合治理工作。本研究基于2016年10月11日高分一号卫星数据和实测数据，和潘家口水库30个实测水质样本，建立了叶绿素a 和溶解氧的遥感估算模型，精度评价结果表明，叶绿素a 和溶解氧估算模型总体平均相对误差为19.1%，可满足库区水质监测评估需要；试验期内根据遥感模拟结果发现，水库上游水质情况相对较好，中下游水质情况相对较差，库区水

质情况与库区投饵网箱数量、周边生活污水排放量和工矿区污染源密切相关。本研究为库区水环境治理工作积累了一期关键的空间全覆盖的水质遥感监测成果，同时也可为未来库区水质业务化监测提供新的技术手段。关键词：遥感监测；水质监测；水质参数估算；高分一号WFV 数据中图分类号：TP 79

文献标识码：A

doi ：10.13244/ki.jiwhr.2018.04.008

1研究背景

水质监测是水质状况评价和水污染防治的主要依据，传统水质监测主要采用实地采样和实验室

分析等手段，以点带面评价水体水质，监测精度高，但仅局限于部分区域，无法全面反映水生态系统的总体时空变化，且费时、费力、成本较高［1］

。遥感技术以客观准确、监测范围广、定期重返的优势为水质监测提供了新的途径，克服了常规方法空间代表性差的缺点，并可发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物的迁移特征

［2-3］

，随着水污染问题的日渐严重，遥感技术在水质监测方面发挥

着越来越大的作用。内陆湖泊、水库属于二类水体，受人类活动影响，富营养化程度较高，水体组分和光谱特征较海洋也更为复杂［4］

，海洋水色反演模型适用性受限，且水域面积相对较小，对遥感数据空间分辨率具有较高的要求，因此，利用陆地卫星多光谱数据发展区域化的经验模型是内陆湖泊、水库水质监测的主要方法，目前用于内陆水体水质监测的中等空间分辨率的陆地卫星主要有Landsat TM/ETM+/OLI 、HJ-CCD 、ASTER 和GF1-WFV 等。

潘家口水库是天津、唐山及滦河下游的重要水源地，近年来，随着国民经济的快速发展和城市

规模的不断扩大，水库上游及周边工业、生活废污水排放量急剧增加，导致水体富营养化程度较高，且库区网箱养鱼规模已超过水库承载能力，致使库区水质进一步恶化。此外，水库上游水土流失严重，也是造成库区水污染的一个重要因素。目前水库通过瀑河口、燕子峪、潘家口和潘家口水

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库坝上4个监测断面的水质情况来评价库区水质状况，随着库区水质恶化情势加剧，水库不同区域的水质情况呈现较大差异，现有监测断面已经无法准确刻画库区水质污染真实状况，急需引入水质遥感监测方法。

搭载在高分一号（GF-1）卫星上的4台宽幅相机（Wide Field of View ，WFV ）空间分辨率为16m ，均优于Landsat8-OLI 和HJ-CCD 数据；单个传感器幅宽为200km ，且具备全球4d 重访能力，均优于Landsat8-OLI 和ASTER 数据。该数据已被证明在内陆湖泊、水库水环境监测方面具有很好的应用效果和前景：梁文秀等

［5］

从辐射、光谱和空间3个方面客观评价GF1-WFV 的数据特征，结果表明，

GF1-WFV 数据在大范围中小型内陆水体环境动态监测方面具有良好的应用前景；朱利等

［6］

将

GF1-WFV 数据应用于太湖水质遥感监测，并将监测结果与HJ-1A 数据监测结果进行对比，表明GF1-WFV 与HJ1A-CCD 数据对水质参数的反演结果具有一致性，可有效反映叶绿素a 浓度、悬浮物浓度、透明度和富营养化指数的空间变化规律；Li 等［7］

将GF1-WFV 数据应用于鄱阳湖悬浮颗粒物监

测，取得了较好的效果；Tian 等［8］

利用GF1-WFV 和MODIS 数据，对香港西北部后海湾的总悬浮物浓度进行监测，为沿海和内陆水质定量监测提供方法参考。前人在潘家口水库水质监测和评价方面的研究均以水质监测断面数据为基础

［9-11］

，无法客观准确地掌握库区水质的空间分布特征。为了更准确

的掌握库区水质的空间分布规律及探索新的监测手段，本文以2016年10月在潘家口水库开展的星-地协同水环境观测试验数据为基础，以2016年10月11日GF1-WFV 影像和30个实测水质样点数据为数据源，通过特征波段或波段组合反射率与实测水质参数的相关性分析，构建了潘家口水库叶绿素a 和溶解氧的遥感估算模型，并分析了各水质参数的空间分布特征及可能的影响原因。

2

研究区域概况与数据源

2.1

研究区概况

潘家口水库位于河北省承德市和唐山市的交界处，地跨承德、宽城、兴隆、迁西

四县（图1），坝址在迁西县桃园村北部的滦河干流上，直接流入库区的河流有滦河干流、柳河和瀑

河，其中滦河干流径流量最大，柳河和瀑河是滦河干流的支流，流量较小。

图1研究区位置

2.2遥感数据本研究使用GF-1卫星16m 空间分辨率多光谱CCD 影像，传感器为WFV3，该数据

有蓝、绿、红和近红外4个波段（表1），其空间分辨率16m ，幅宽800km ，重访周期4d ，获取时间为2016年10月11日。GF1-WFV3数据预处理主要包括辐射定标、大气校正、正射校正和几何校正。

（1）辐射定标。辐射定标利用ENVI 软件，将GF1-WFV3获取的DN 值通过辐射定标公式（式（1））

基于GF-1卫星WFV 数据的潘家口水库水质参数遥感估算模型研究翟召坤等

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