李旭文,牛志春,姜 晟,金 焰
(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)
·環(huán)境預警·
環(huán)境衛(wèi)星CCD影像在太湖湖泛暗色水團監(jiān)測中的應(yīng)用
李旭文,牛志春,姜 晟,金 焰
(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)
太湖地區(qū)2009年5月11日、2010年8月21日、2011年7月28日和2011年9月24日的環(huán)境衛(wèi)星CCD影像顯示,在太湖西部沿岸帶、竺山湖等水域存在湖泛暗色水團現(xiàn)象。由于環(huán)境CCD缺少輔助反演氣溶膠信息的2.1 μm波段,試驗了基于空氣自動監(jiān)測子站獲得的與環(huán)境衛(wèi)星CCD成像時間接近的地面能見度測量數(shù)據(jù)進行FLAASH大氣校正的方法,反演結(jié)果總體上符合水體光譜特征。提取了湖泛水體、對照水體樣區(qū)在CCD各波段的光譜反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征。結(jié)果表明,和對照水體相比,湖泛水體在環(huán)境衛(wèi)星CCD的可見光—近紅外波段具有較低的反射率,與人眼觀察湖泛水色暗黑的感官一致,另一方面,湖泛水域由于仍有一定的藻類存在,在環(huán)境衛(wèi)星CCD近紅外(波段4)具有比可見光(波段3)略高的反射率,其規(guī)律與基于Landsat ETM的湖泛暗色水團遙感分析結(jié)果相一致。
環(huán)境衛(wèi)星;CCD;遙感;太湖;湖泛;監(jiān)測
湖泛黑水團是指湖泊局部水體顏色發(fā)暗甚至發(fā)黑的現(xiàn)象,近年來在太湖偶有發(fā)生,對湖泊生態(tài)環(huán)境造成較大影響,其危害是多方面的,可導致水體包括魚類等各種生物死亡并腐敗分解,局部生態(tài)環(huán)境崩潰,如果發(fā)生在飲用水源地,將造成嚴重的供水危機。研究表明,藻類死亡和受污染的底泥是湖泛形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[1,2],適宜的水溫、氣壓、風速為湖泛現(xiàn)象的發(fā)生提供了條件[3]。衛(wèi)星遙感是直接觀測湖泛暗色水團等水環(huán)境生態(tài)問題十分重要的技術(shù)手段[4-6],在 Landsat、國產(chǎn)環(huán)境一號(HJ1)衛(wèi)星等中高分辨率的衛(wèi)星遙感影像能夠較為清晰準確地提取[7],由于湖泛發(fā)生需要特定的條件、面積不大、持續(xù)時間只有1~5d等原因,MODIS影像較難識別出湖泛的分布,Landsat空間分辨率達30 m,較適合監(jiān)測湖泛這一類中小尺度的水環(huán)境問題[8],但是重訪周期需要16 d,在時間上不容易捕捉到湖泛現(xiàn)象。實踐證明,這些國外的衛(wèi)星遙感影像均難以及時、快速、準確地捕捉到湖泛黑水團信息。中國自主設(shè)計的環(huán)境一號衛(wèi)星,以面向生態(tài)環(huán)境保護、環(huán)境監(jiān)管應(yīng)用為主要目標,從環(huán)保部門及時、動態(tài)監(jiān)測地表水、空氣、生態(tài)質(zhì)量的需求出發(fā),在技術(shù)設(shè)計上獨具特色,尤其是星上CCD相機載荷的設(shè)計,具有700 km大幅寬、高達30 m分辨率、多波段等優(yōu)勢,是近年來具備中國技術(shù)特色的重要環(huán)境遙感監(jiān)測手段。通過對太湖地區(qū)2009年5月、2010年8月、2011年7月、2011年9月環(huán)境一號CCD相機影像數(shù)據(jù)的處理,識別出在太湖發(fā)生的湖泛黑水團,充分展現(xiàn)了環(huán)境一號影像對中國湖泊生態(tài)問題的快速監(jiān)測預警作用。
綜合近年來太湖湖泛發(fā)生情況及對環(huán)境一號衛(wèi)星CCD影像的觀察,選取了2009—2011年間4景存在湖泛現(xiàn)象的HJ1A、HJ1B星CCD影像數(shù)據(jù)(表1)。其中,2009年5月11日的湖泛發(fā)生在太湖的竺山湖區(qū),當時有關(guān)環(huán)境監(jiān)測部門還開展了現(xiàn)場監(jiān)測,遙感影像上湖泛特征與地面結(jié)果互相印證;2010年8月,太湖地區(qū)高溫持續(xù)時間很長,從8月1日起到月末,獲得的12景CCD數(shù)據(jù)很好地展示了藍藻水華頻繁暴發(fā),進而導致在當年8月20—21日局部水域湖泛現(xiàn)象發(fā)生[2];2011年7月28日的湖泛發(fā)生在太湖宜興附近及蘭山嘴一帶近岸水域;2011年9月24日的影像上,官瀆港—社瀆港—燒香港水色較暗黑,尚未得到地面監(jiān)測和觀測資料的同步驗證,暫判讀為暗色水體。
表1 2009—2011年存在湖泛現(xiàn)象的環(huán)境衛(wèi)星CCD影像的日期和圖幅
為了定量研究太湖湖泛黑水團的光譜遙感信號特征,必須先對環(huán)境一號衛(wèi)星CCD遙感影像進行必要的大氣校正處理,獲得地面反射率影像。利用遙感處理軟件ENVI完成了數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)處理流程見圖1。
圖1 基于環(huán)境一號CCD影像計算太湖湖泛黑水團光譜反射率的處理流程
1.2.1 輻射定標及輻亮度影像數(shù)據(jù)準備
利用絕對定標系數(shù)將環(huán)境衛(wèi)星CCD影像DN值轉(zhuǎn)換為輻亮度圖像的公式為:
式中:L——輻亮度,W/(m2·sr·μm);A——絕對定標系數(shù)增益;L0——絕對定標系數(shù)偏移量。
環(huán)境衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)自帶了XML元數(shù)據(jù)文件,其中的<absCalibType></absCalibType>數(shù)據(jù)項描述了絕對輻射定標系數(shù)。由于環(huán)境衛(wèi)星在軌運行后,太空工作環(huán)境較惡劣,長期運行后傳感器載荷的元器件有所老化,都可能使輻射定標系數(shù)改變,因此中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心每年定期組織進行在軌場地定標,以確保遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的可靠性與準確度。環(huán)境衛(wèi)星CCD影像數(shù)據(jù)自帶的定標系數(shù)與資源衛(wèi)星應(yīng)用中心公布的年度場地定標系數(shù)有所不同,表2列出了涉及的4景影像的年度場地定標、影像數(shù)據(jù)自帶定標系數(shù)。從處理結(jié)果來看,基于自帶元數(shù)據(jù)反演的水體光譜反射率值的波動范圍比基于年度場地定標系數(shù)反演的光譜反射率值的波動范圍要小。
表2 HJ1A、B星CCD相機(增益2)的定標系數(shù)
在ENVI遙感信息處理軟件中完成傳感器輻射定標及輻亮度影像生成的處理流程如下:
① 根據(jù)HJ1A、B星CCD數(shù)據(jù)的成像年份,從表1—3中選用對應(yīng)年份各波段的相應(yīng)定標參數(shù),利用ENVI的Basic Tool->Band Math工具完成式(1)的計算,分別得到各波段的輻亮度影像。
② 利用Basic Tool->Layer Stacking工具將4個波段的輻亮度數(shù)據(jù)組合成一個BSQ格式的多波段數(shù)據(jù)文件。
③編輯該多波段數(shù)據(jù)文件的頭文件信息,在波段列表中,右鍵打開Edit Header->Edit Attributes->W(wǎng)avelength,將每個波段的中心波長輸入——b1(480 nm),b2(560 nm),b3(660 nm),b4(830 nm)。
④將BSQ格式的多波段數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為大氣校正工具FLAASH所需的BIL格式。
1.2.2 環(huán)境衛(wèi)星CCD光譜響應(yīng)函數(shù)的準備
衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)是大氣校正和定量反演的重要前提,在FLAASH工具中需要讀入衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)信息,因此,亦需要預先準備好HJ1A、B星CCD1、2共4個傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)文件。
從環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心網(wǎng)站(www.secmep.cn)下載 HJ1A、B 星 CCD1、2的4個光譜響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)文件,它們均為5列文本格式,第1列記錄了波長,單位為nm,第2,3,4,5列分別為該CCD的波段1,2,3,4 的光譜響應(yīng)值。
在ENVI中,使用波譜曲線工具來建立HJ1A、B星CCD1、2的4個光譜響應(yīng)曲線,存儲為ENVI波譜庫文件(.sli),供FLAASH處理時調(diào)用。
① 選擇 Window- >Start New Plot Window,ENVI Plot Window窗口中,選擇File->Input Data->ASCII,如圖2所示,自動將第一列作為X軸,后面4列作為Y軸,生成了4條曲線。
② 選擇Edit- >Data Parameters,更改每一條曲線的名稱:分別命名為HJ1ACCD1、HJ1ACCD2、HJ1BCCD1和HJ1BCCD2。
③選擇File->Save Plot As->Spectral Library,將4條曲線保存為波譜庫文件,例如,環(huán)境1A星CCD1光譜響應(yīng)曲線.sli。
圖2 環(huán)境衛(wèi)星CCD的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線
1.2.3 過境時刻地面能見度數(shù)據(jù)的收集
由于環(huán)境衛(wèi)星CCD缺少中心波長在2.1 μm附近的反射率受氣溶膠影響很小的波段,因此,利用CCD影像本身的信息提取大氣氣溶膠信息較為困難,基于暗目標等的大氣校正方法難以應(yīng)用,尚無十分成熟的反演方法。有研究利用與成像時刻很近的MODIS氣溶膠產(chǎn)品信息用于環(huán)境一號星CCD數(shù)據(jù)大氣校正[9],有的利用AERONET等氣溶膠地基觀測網(wǎng)的數(shù)據(jù)輔助用于大氣校正[10,11],均獲得較合理的反演結(jié)果。近年來,太湖流域各地環(huán)境監(jiān)測站興建了空氣自動監(jiān)測子站,由于灰霾等大氣污染監(jiān)測問題日益受到重視,2010年以來部分地區(qū)空氣子站增配了能見度地面觀測儀,開始積累能見度數(shù)據(jù)。環(huán)境衛(wèi)星一般在10:30~11:00間過境太湖,筆者利用臨近太湖(離湖心直線距離在40 km以內(nèi))、代表性較好的蘇州市監(jiān)測中心站測量的550 nm波長處能見度數(shù)據(jù),取10時和11時的實測結(jié)果的平均值作為FLAASH大氣校正的輸入?yún)?shù)。具體數(shù)據(jù)見表3。由于未收集到2009年5月11日環(huán)境衛(wèi)星過境時的地面能見度數(shù)據(jù),在FLAASH中暫取預設(shè)值40 km。1.2.4 FLAASH 大氣校正處理
表3_環(huán)境衛(wèi)星過境前后較近時刻的地面能見度_數(shù)據(jù)
續(xù)表3
對各景環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)使用FLAASH進行大氣校正,由于FLAASH中輻亮度的單位是μW/(cm2·nm·sr),因此輸入的BIL格式輻亮度數(shù)據(jù)以Scale Factor取10完成單位換算。環(huán)境衛(wèi)星的高度取650 km,像元大小為30 m,影像中心經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、成像時刻可以在元數(shù)據(jù)XML文件中查到,以2011年7月28日為例:
大氣模式的選取依衛(wèi)星遙感成像月份確定,該研究的環(huán)境衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù)涉及5,7,8以及9月份,對7,8月高溫季節(jié),CCD數(shù)據(jù)取Tropical模式,5,9月份取 Mid-Latitude Summer模式。氣溶膠類型選Rural模式,由于環(huán)境衛(wèi)星CCD缺乏2.1 μm波段,故反演方法選擇None,即FLAASH不從影像本身的多光譜信息來反演氣溶膠特征,而是以輸入的地面空氣自動監(jiān)測子站采集的能見度作為初始值,推演氣溶膠信息。在Initial Visibility中輸入表3的地面能見度平均值。
通過Multispectral Settings來配置大氣校正所需要的環(huán)境衛(wèi)星CCD光譜響應(yīng)函數(shù),通過Filter Function File選擇對應(yīng)的衛(wèi)星/CCD的光譜響應(yīng)函數(shù)文件,Index First Band缺省選0即可。
完成了FLAASH處理后,就獲得了環(huán)境衛(wèi)星CCD影像的地面反射率數(shù)據(jù),可進行湖泛水域光譜反射率特征分析。
從影像上可以解譯出,在太湖西北部的竺山湖中,有一大片水域呈暗黑水色,其中還有呈粉紅色調(diào)的藍藻水華,與兩天前(5月9日)的環(huán)境衛(wèi)星CCD影像上該片水域水色差異十分明顯。利用ArcGIS軟件量算其總面積為21.39 km2。從水色發(fā)黑的程度,大致可將其分為兩個片區(qū)(圖3),一片水色為較深黑色,面積約16.4 km2;另一片水色為灰黑色,面積約4.99 km2。當天有關(guān)監(jiān)測部門在現(xiàn)場開展了湖泛調(diào)查和水質(zhì)監(jiān)測,現(xiàn)場觀察到水色發(fā)暗、死魚、腥臭,遙感影像上的湖泛分布得到了地面觀察和監(jiān)測報告的有力驗證。
宜興市周鐵鎮(zhèn)沙塘港—官瀆港入湖河口一片與岸線平行的水色較暗,尤其在沙塘港一帶呈深黑色,是十分典型的湖泛黑水團。利用ArcGIS軟件量算其總面積為11.69 km2,延伸長約12.90 km。
圖3 2009年5月11日發(fā)生在太湖竺山灣的湖泛現(xiàn)象空間分布
圖4 2010年8月21日發(fā)生在太湖西部沿岸帶湖泛現(xiàn)象空間分布
宜興市東的南溪河入太湖的大浦口—洪巷港一帶,有長條狀與岸線平行的深黑色水團,面積為5.94 km2,延伸長約 8.9 km;另一片位于更南部的烏溪港—蘭山嘴(蘭右)一帶的太湖水域,延伸長約7.16 km,面積約 2.05 km2。
該景影像上,藍藻水華暴發(fā)規(guī)模較大,遙感解譯可以看出,宜興市官瀆港—社瀆港—燒香港入湖河口一帶與岸線平行的太湖水域,水色相對較暗,CCD各波段反射率均不高。往太湖湖心方向的開闊水域則漂浮了大量藍藻水華,呈典型的葉綠素遙感反射率特征,在波段2有較高的反射率,在近紅外的波段4則有超過0.5的反射率,表明藍藻積聚程度很高,在水華區(qū)航行的船舶“犁”出的航跡也十分清晰可見。
圖5 2011年7月28日發(fā)生在太湖西部沿岸帶湖泛現(xiàn)象空間分布
以上4景影像上湖泛水域、暗色水域、無湖泛對照水域及藍藻水華的環(huán)境衛(wèi)星CCD各波段光譜反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5,曲線見圖7。
表5 湖泛水域與其他參照水域、藍藻水華的
續(xù)表5
從環(huán)境衛(wèi)星CCD各波段反射率的數(shù)值看,湖泛區(qū)水體、其他水體的反射率曲線基本處于水體反射率波動范圍,藍藻水華的反射率曲線也顯示了典型的葉綠素反射特征(圖7),因此,以上基于地面能見度數(shù)據(jù)及FLAASH模型的環(huán)境衛(wèi)星CCD影像的大氣校正取得了十分合理的效果。在環(huán)境衛(wèi)星CCD各波段,湖泛水體反射率總體上比其他對照水體要低,由于湖泛黑水團除了死亡藍藻,還有一定量的活體藻類,湖泛水體還顯示了微弱的藻體葉綠素反射特征,導致環(huán)境衛(wèi)星CCD波段4的反射率有小幅抬升,在2010年8月21日、2011年7月28日影像上較為明顯(圖4和圖5)。但是,由于不同時相的CCD數(shù)據(jù)在大氣校正時選擇的大氣模式、氣溶膠模式等存在差異,CCD本身未配備2.1 μm中紅外波段,加之資源衛(wèi)星中心公布的絕對輻射定標系數(shù)缺乏應(yīng)用層面的大量驗證,因此,不同時相間湖泛水體光譜反射率值存在0.03~0.05的幅值漂移。另一方面,湖泛本身是人的肉眼在可見光波段感知為暗、墨色的水體光學現(xiàn)象,往往是現(xiàn)場人員綜合現(xiàn)場氣味、魚蝦死亡、與外圍對照水體水色差異、溶解氧極低等因素作出的判斷。因此,對于環(huán)境衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù),尚無法確立具有普適性、能在不同時相間精細識別和比較的湖泛反射率閾值范圍。不過,這些因素并不影響湖泛黑水團的解譯,在空間方面,通過和在同一景影像上對照水體的比較,以及湖泛本身的色調(diào)紋理特征、分布范圍、延伸和規(guī)模,可以識別湖泛;在時間方面,湖泛黑水團為“時變”較快的生態(tài)現(xiàn)象,一般持續(xù)2~3 d,發(fā)生之前一般是常態(tài)水色或藍藻水華,發(fā)生期內(nèi)水色要比周邊常態(tài)水色更呈暗黑,發(fā)生后數(shù)天水面自凈恢復為常態(tài)水色,可以與沼澤化淺水區(qū)和其他濕地相區(qū)分。總之,應(yīng)從時間和空間上對系列影像進行解譯比較,剔除水淺區(qū)域底泥、沼澤化等顯示的暗黑影像特征,才能客觀地識別湖泛現(xiàn)象及其時空分布。
圖7 環(huán)境衛(wèi)星CCD影像上湖泛水域與對照水域、藍藻水華的光譜反射率曲線
從湖泛的分布來看,2009—2011年的環(huán)境衛(wèi)星CCD資料表明,主要在太湖的西部沿岸區(qū)易發(fā)生小規(guī)模湖泛現(xiàn)象(圖8),多在沿岸的水域呈長條狀分布,或受小型湖灣的狹口影響,呈面狀分布,太湖東部以及開闊、流動較暢通的水域,一般不易發(fā)生湖泛。
圖8 4景CCD影像上太湖湖泛的分布范圍
湖泛現(xiàn)象是富營養(yǎng)化較嚴重的湖泊在特殊的水質(zhì)和氣象水文條件下容易發(fā)生的生態(tài)問題,如果發(fā)生在飲用水源地、漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)等敏感水域,將帶來嚴重的后果。快速捕捉湖泛的發(fā)生區(qū)域、分布范圍,對于保障水生態(tài)安全和預警十分重要,單純靠地面巡查要花費大量的人力物力,且往往難以及時、快速識別和應(yīng)急響應(yīng)。通過對國產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)星CCD近年來太湖地區(qū)影像的處理,準確高效地提取了太湖湖泛分布信息。實踐證明,對藍藻水華、湖泛以及其他時變較快的生態(tài)問題,中國環(huán)境衛(wèi)星多星組網(wǎng)構(gòu)成1~2 d的重訪能力[5],地面分辨率為30 m的CCD影像數(shù)據(jù)對湖泊等水體中的小尺度、光譜上弱幅(然而較穩(wěn)定的)特征、時變快的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象的捕捉和持續(xù)監(jiān)控能力非常強大,具有很強的業(yè)務(wù)化應(yīng)用潛力,建議今后在環(huán)保部層面(如環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心)開展基于環(huán)境衛(wèi)星的中國水生態(tài)問題遙感在線監(jiān)視平臺建設(shè),實現(xiàn)環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)“在線處理”作業(yè)模式,在最快的時間內(nèi)自動提取出中國各流域、各湖泊水體的異常生態(tài)信息,大大提高水環(huán)境監(jiān)測預警和安全保障能力。
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Remote Sensing Monitoring of Black Color Water Blooms in Lake Taihu Based on HT Satellite CCD Data
LI Xu-wen,NIU Zhi-chun,JIANG Sheng,JIN Yan
(Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center,Najing,Jiangsu 210036,China)
HJ1 Satellite CCD images acquired on May 11,2009,August 21,2010,July 28,2011 and September 24,2011,respectively,showed occurrences of dark color water bloom(DCWB)near the shore of western part of lake Taihu.Due to lack of 2.1μm band in HJ1 CCD which is important to the retrieval of aerosol status,the synchronous ground measured visibility data from an ambient air quality station which is geographically close to lake Taihu were used in FLAASH atmospheric correction.Results showed DCWB had lower reflectance at HJ-1 CCD bands,1,2,3 and 4 than reference water bodies,and reflectance at band 4 was gently higher than at band 3,spectral characteristics was in coincidence with those derived from Landsat ETM sources.
HJ1 satellite;CCD;Satellite remote sensing;Lake Taihu;black color water bloom(BCWB);monitoring
X824
A
1674-6732(2012)-03-0001-09
10.3969/j.issn.1674-6732.2012.03.001
2012-03-30
國家水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系研究與示范項目(2009ZX07527-006);水體污染控制與治理重大專項項目(2009ZX07101-011)。
李旭文(1966—),男,研究員級高工,碩士,研究方向為環(huán)境信息系統(tǒng)、環(huán)境遙感應(yīng)用、生態(tài)監(jiān)測。