珠江广州河段水体污染的遥感监测应用研究

收稿日期:2002-01-07

作者简介:马跃良(1965-),男,浙江海盐人,副研究员,现主要从事环境遥感、遥感生物地球化学以及科研管理工作,现为中国科学院南海海洋研究所在职博士。

基金项目:国家自然科学基金项目、广东省科技攻关项目和中国科学院广州地球化学研究所所长基金资助

珠江广州河段水体污染的遥感监测应用研究

马跃良1,2,王云鹏2,贾桂梅2

(1.中国科学院南海海洋研究所,广东广州510301;2.中国科学院广州地球化学研究所,广东广州510640)

摘　要:由于城市工业废水和居民生活污水大量的排放,珠江水质受到严重污染,尤其有机污染更加严重,各项水质指标均严重超标。本文将运用遥感技术对珠江广州河段水环境质量中的水质污染进行监测应用研究,并建立了水质污染预测遥感模型。研究结果表明,利用遥感资料能有效地监测珠江水质污染状况,在监测水环境质量中遥感技术是一种快速、全面、有效的技术手段和方法。 关键词:遥感;水体污染;监测;珠江

中图分类号:X 87 文献标识码:A 文章编号:1001-2141(2003)03-0013-04

自1972年美国陆地卫星(L andsat 1)发射后,从陆地卫星上获得的遥感数据就开始被应用于河流、湖泊、海洋等水质的监测和评价中。遥感是一门远离地物而获得地物电磁波信息以识别地物状态或性质的高技术,水体及其污染物的光谱特性是利用遥感信息进行水质监测与评价的理论依据,随着遥感技术的不断提高,遥感监测水质从定性发展到定量,许多学者开展了用遥感的方法估算水体污染的水质各种参数,从而监

测水质的变化情况。如Carpen ter [1]、R itch ie [2]

等利用遥感数据定量监测水体中悬浮物进行了探讨;

L illesand

[3]

等利用遥感数据预测和评价了湖泊水库的

富营养状态;V erdin [4]利用遥感数据评价了污染水体

中藻类色素浓度;L ath rop [5]、B aban [6]、D ekker [7]

等利用TM 数据监测水质中透明度、叶绿素浓度、总悬浮

物等一系列的水体参数遥感研究;R itch ie [8]、

H arding [9]、Gitelson [10]、H an [11]

、

陈楚群[12]、舒守荣[13]、田国良[14]等利用卫星遥感和航空遥感等手段对水体中叶绿素进行了测量和分析,并研究了叶绿素的光谱反射特性;李旭文[15]利用TM 数据对苏州运河水质进行了综合分析,余丰宁[16]用TM 图象对太湖北部水质进行了主成分监督分类的研究;周勇[17]利用遥感和

G IS 技术对武汉东湖水环境进行了综合评价;张韬[18]

应用遥感技术对呼和浩特地表水污染进行了调查;王学军[19]应用遥感技术监测和评价了太湖水质状况。本文以珠江广州河段为研究对象,探讨如何利用遥感

TM 数据监测段水体污染的方法研究。

1　数据获取

1.1　水质监测参数的选择和监测数据的获取

为了获取正确的水质监测数据,本研究选取的监测点与广州市环境监测站的常规监测断面相一致,共选取9个珠江广州河段监测断面,水质监测参数主要选取pH 值、T SS (总悬浮物)、DO (溶解氧)、COD (高锰酸盐指数)、BOD (生化需氧量)、N H 3-N (氨氮)、

NO 2-N (亚硝酸盐氮)、NO 3-N (硝酸盐氮)、挥发酚、石油类等参数进行分析,数据从广东省环境监测站获

取(表1)。

1.2　遥感数据获取

本研究选择陆地卫星TM 数据作为珠江水体遥感信息源,进行水质的监测和评价。TM 数据获取时间尽可能与水质监测参数数据接近,这样才能保证TM 数据与水质监测参数有良好的相关性和可对比性。遥感数据资料从中国科学院遥感卫星地面站获取。

遥感数据首先经过遥感图象预处理,主要包括辐射校正、几何校正等。该项预处理工作在中国科学院遥感卫星地面站预先完成,利用1∶10万的地形图进行地理定位,定出珠江广州河段9个监测断面的精确地理位置,然后经过遥感信息的提取,获取9个监测断面的TM 数据6个波段的平均灰度值以及TM 波段在可见光波段的亮度值(TM V )(见表2)。根据遥感信息数据与水质监测参数进行模型分析,用来分析和评价水质污染状况。

2　结果与讨论

2.1　单因子相关分析

第25卷　第3期

重　庆　环　境　科　学

2003年3月

表1　珠江广州河段各个断面水质监测参数结果

监测断面pH T SS DO COD BOD N H3-N NO2-N NO3-N挥发酚石油类

雅　岗6.88

(0.62)

33

(0.22)

3.9

(1.35)

3.43

(0.57)

1.88

(0.47)

1.02

(2.04)

0.145

(0.97)

1.01

(0.05)

0.004

(0.80)

0.09

(1.80)

硬颈海6.94

(0.56)

37

(0.25)

1.7

(2.08)

4.45

(0.74)

2.75

(0.69)

2.16

(4.32)

0.156

(1.04)

0.81

(0.04)

0.004

(0.80)

0.12

(2.40)

黄　沙7.04

(0.46)

37

(0.25)

1.5

(2.13)

5.08

(0.85)

3.42

(0.85)

2.53

(5.06)

0.115

(0.77)

0.82

(0.04)

0.005

(1.00)

0.13

(2.60)

东　朗7.30

(0.20)

41

(0.27)

3.0

(1.63)

5.50

(0.92)

3.62

(0.91)

2.09

(4.18)

0.072

(0.48)

0.84

(0.04)

0.005

(1.00)

0.14

(2.80)

平　洲7.29

(0.21)

34

(0.23)

5.1

(0.97)

2.91

(0.49)

1.27

(0.32)

1.18

(2.36)

0.019

(0.13)

0.78

(0.04)

0.003

(0.60)

0.12

(2.40)

猎　德7.08

(0.42)

57

(0.38)

0.8

(2.30)

6.27

(1.04)

4.44

(1.11)

3.29

(6.58)

0.111

(0.74)

0.66

(0.03)

0.005

(1.00)

0.15

(3.00)

长　洲7.16

(0.34)

49

(0.33)

2.5

(1.76)

4.15

(0.69)

3.34

(0.83)

2.06

(4.12)

0.096

(0.64)

0.92

(0.05)

0.003

(0.60)

0.10

(2.00)

墩头基7.15

(0.35)

55

(0.37)

3.1

(1.59)

3.70

(0.62)

3.48

(0.87)

1.68

(3.36)

0.118

(0.79)

0.99

(0.05)

0.004

(0.80)

0.10

(2.00)

莲花山7.11

(0.39)

50

(0.33)

3.5

(1.47)

3.46

(0.58)

3.18

(0.80)

1.25

(2.50)

0.114

(0.76)

1.00

(0.05)

0.003

(0.60)

0.07

(1.40)

注:括号中的数据为污染指数。

表2　珠江广州河段各断面污染指数和TM灰度值

断　面A TM1TM2TM3TM4TM5TM7TM V 雅　岗8.89108.244.646.124.614.38.866.30硬颈海12.92107.542.342.22613.16.264.00黄　沙14.01108.740.142.226.513.47.763.67东　朗12.43104.841.044.324.811.56.363.37平　洲7.75113.645.848.526.115.58.369.30猎　德16.60100.938.841.623.19.95.560.43长　洲11.36106.342.842.221.811.56.163.77墩头基10.80108.943.242.922.411.76.365.00莲花山8.88110.444.347.128.913.87.967.27

注:A为水质参数的综合污染指数,TM V为TM在可见光波段的亮度值。

由于水质受污染后,其反射光谱及遥感影象色调上存在差异,因而,在遥感图象数据上的灰度值也有一定的差异性,从TM多波段数据的彩色合成显示的亮度值和水质空间分布规律可以看出,它们有很好的对应关系,亮度暗的水体,其水质较差。因而,我们根据TM资料上各断面的灰度值与水质监测结果进行回归分析,找出两者之间的相关关系,为遥感定量分析提供依据。

利用TM数据6个波段与水质监测参数进行相关分析,分析结果见表3。分析结果表明,TM数据与pH值、挥发酚等水质参数相关性很差,红外波段的TM数据与水质参数的相关性也不明显,而可见光波段与水质参数之间有一定的相关,特别水质参数中溶解氧(DO)、生化耗氧量(BOD)、化学耗氧量(COD)、氨氮(N H3-N)与TM l、TM2、TM3及TM V相关性较高,除溶解氧外,都呈负相关;位于近红外的波段TM5、TM7与水质参数之间也有一定程度的相关; TM4与水质监测参数间相关较差。这说明了水质中有机污染越严重,其在可见光波段的TM数据值就越低,在TM图象上其灰度越暗。因而,TM的可见光波段能良好地反映出珠江水质情况。

表3　水质监测参数与TM各波段的相关性

TM V TM1TM2TM3TM4TM5TM7 T SS-0.47-0.49-0.37-0.42-0.42-0.76-0.65 DO0.910.760.900.900.240.710.68 COD-0.92-0.88-0.97-0.71-0.26-0.77-0.67 BOD-0.85-0.78-0.84-0.74-0.32-0.9-0.77 N H3-N-0.91-0.79-0.95-0.82-0.34-0.77-0.75 NO2-N-0.39-0.33-0.25-0.50-0.03-0.21-0.14 NO3-N0.480.430.600.320.070.300.43

2.2　一元回归分析

从上面的TM波段与水质监测参数的相关分析可知,可见光波段能很好地反映出水质的污染状况,因而,对TM可见光波段与水质监测参数进行一元回归分析,以水质监测参数为自变量,遥感数据为因变量作了一系列一元回归分析,回归方程如下:

TM V=70.51-0.1308(T SS) r=-0.47 TM V=59.868+1.7648(DO) r=0.91　

41　重　庆　环　境　科　学 25卷