基于Landsat8数据的巢湖悬浮物浓度分析

陈婉佳，何政伟，高孝杰，滕 靖

（1.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；

2.国土资源部 国土资源信息技术与应用重点实验室，四川 成都 610059）

基于Landsat8数据的巢湖悬浮物浓度分析

陈婉佳1,2，何政伟1,2，高孝杰1，滕 靖1,2

（1.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；

2.国土资源部 国土资源信息技术与应用重点实验室，四川 成都 610059）

利用4景Landsat8数据，以巢湖为研究对象，获得2013-05-12巢湖悬浮物的质量浓度特征。利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云对遥感带来的干扰。通过MNDWI指数提取水体信息，对深蓝波段与蓝光波段进行归一化指数计算，然后进行密度分割得到悬浮物浓度分级图，分析其空间变化。

Landsat8；巢湖；悬浮物浓度；空间变化

1 研究区概况

巢湖位于安徽省中部，是中国五大淡水湖之一。它资源丰富，气候温和，在农业、水产业、运输业等方面发挥着重要作用。然而，80年代以来,受生态环境恶化影响，上游水土流失，将大量土壤带入湖内，加之周围城市污染物的注入, 使得悬浮物浓度含量高，水质遭到严重破坏[1]。

2 数据与方法

2.1 实验数据

美国于2013-02-11发射的Landsat8卫星携带两个主要载荷：陆地成像仪OLI和热红外传感器TIRS。与Landsat7的ETM+相比，OLI /TIRS有很大改进[2,3]。本文采用的Landsat8影像获取时间为2013-04-12，下载于USGS网站。

2.2 数据处理

影像为UTM/WGS84 投影/坐标系，处理格式为Level 1T，即已进行基于地形的几何校正。其处理均利用ENVI5.1软件进行，主要包括：

1）辐射定标和大气校正。辐射定标将DN值转化为表观大气反射率[4]。大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影像，本文对Landsat8的多光谱波段进行FLASSH大气校正。校正时输入OLI卷云波段。由于该波段光谱范围位于强烈的水汽吸收带，大部分地面反射的电磁波信息无法穿过大气层，所以卷云波段的信息量很低[2]。它可有效剔除强烈反射太阳辐射的卷云对遥感带来的干扰，消除云、太阳耀斑等影响。

2）水体信息提取。考虑到巢湖的湖岸线有水泥道路、裸露的基岩以及植被覆盖，本文采用徐涵秋提出的改进归一化差异水体指数MNDWI来提取水体[5]。其表达式为：

其中，Green和MIR分别为绿光波段和中红外波段，对应于Landsat8的3和6波段。

需要指出的是，巢湖内部有小岛存在，需要绘制矢量图层进行掩膜。对提取出的水体计算其均值，统计如表1，其反射光谱曲线如图1。

表1 不同时间影像水体的均值

3）波段选择。清水的反射率随着波长的升高而降低，而含悬浮物水体的反射率则会呈现先升高后降低[2]。由图1可见，水体均值的反射光谱曲线从OLI 1到OLI 4先升高后下降，可知悬浮物浓度较高。徐涵秋提出将1、2波段进行减法运算以增强图像，突出悬浮物浓度差[2]。这样做虽然能够反映悬浮物的浓度含量，但在没有实测资料的情况下，用差值影像的灰度值来直接代替悬浮物的浓度含量稍欠科学性。在本文中，选取第1、2波段，通过计算悬浮物浓度归一化指数NDSI，将灰度值的绝对值转换为相对值，便于归纳悬浮物信息的统计分布性。其公式如下：

式中， B2为蓝光波段；B1为深蓝波段。

图1 4个时间水体的反射光谱曲线

3 结果与分析

统计NDSI指数值。为避免噪声影响，用线性拉伸的方法去除直方图两端各0.5%的数据，使大部分的悬浮物信息得到增强。为了能够进行统一的阈值划分，进行以下运算使得范围固定在0～1之间：

式中，x为NDSI指数值；max、min分别为其最大值、最小值。

计 算 得 到2013-05-12的Y值 范 围 依 次为：0.008 204～0.049 909；0.024 102～0.052 424；0.013 648～0.057 217；0.018 782～0.049 179。对运算后的影像进行密度分割处理，影像越红的地方，浓度差越大。将水中悬浮物信息从低到高分为5级：0～0.2为低；0.2～0.4为较低；0.4～0.6为中；0.6～0.8为较高；＞0.8为高。得到4个时间悬浮物浓度的分级图（图2），统计每个级别的信息（表2），从而显示2013年度巢湖悬浮物浓度的时空变化。

表2 不同时相悬浮物浓度信息统计

图2 4个时间悬浮物浓度分级图

由表2可见，4个时间段悬浮物中等以下浓度的面积在增加，中等浓度的面积在减少，而较高及高浓度的面积呈现先增加后减少。如图2，2013-05-14的分级图上，高浓度区域集中在西半湖北部、西南部边缘、湖心岛四周以及东半湖东缘；而2013-08-18的高浓度区域明显增多，散布于巢湖北、西、东边缘；2013-10-21高浓度区域范围明显下降；2013-12-24高及较高浓度范围有上升趋势。

巢湖周围共有大小入湖河流 33 条，在西半湖北部的汇流湖湾区域，所分布的3 条重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受来自合肥市的地表径流水体，受到了严重污染[6,7]。而东半湖北部为巢湖市，随着城市化进程加快以及土地利用类型变化，造成陆上泥沙被带入湖中。同时，人类活动产生的重金属污染物，在西半湖北部3个重污染河道的迁移、汇集下，堆积在距河口700 m 以上的湖湾低洼区，导致该处浓度相对较高[8]。

巢湖在长江、淮河两大河流之间，属亚热带和暖温带过渡性的副热带季风气候区，夏季降水较多。巢湖市与肥西县交界处，夏季多暴雨，影响湖内底泥而产生搅动，增加了悬浮物浓度。在夏季汛期，长江水位高于巢湖，也使得湖水不能下泄长江，浓度从而增加。一到夏季，巢湖蓝藻开始大量繁殖，受微生物影响，悬浮物的浓度也明显增强。不同的季节，巢湖上方盛行的风向不同，加上湖体自身的水流方向也不一致，综合导致了悬浮物浓度空间分布具有季节性。

4 结 语

本文利用Landsat8新增的卷云波段有效剔除卷云对遥感带来的干扰；利用MNDWI指数对巢湖水体进行提取；通过Landsat8深蓝和蓝光波段计算悬浮物浓度归一化指数，可较好反映水体悬浮物分布；利用密度分割，分级后可直观定量地反映悬浮物浓度在时间和空间分布上的变化。

研究结果显示，巢湖悬浮物分布有以下特点：① 受降雨和风力的影响，悬浮物浓度具有季节性特征，表现为春夏悬浮物浓度高于秋冬；②北部入湖口悬浮物浓度较高；③西半湖悬浮物浓度总体高于东半湖，北部高于南部；④西半湖的北部位于合肥市南部，东半湖的东北部位于巢湖西部，均受城市气候和经济活动影响，悬浮物浓度总体较高；⑤在西半湖的湖湾低洼处，悬浮物浓度整体较周围区域高。

[1] 管义国,王心源,吉文帅,等. 巢湖水体悬浮物的遥感分析[J].城市环境与城市生态,2007(5):38-43

[2] 徐涵秋,唐菲. 新一代Landsat系列卫星:Landsat 8遥感影像新增特征及其生态环境意义[J]. 生态学报,2013,33(11):3 249-3 257

[3] 李旭文,牛志春,姜晟,等. Landsat8卫星OLI遥感影像在生态环境监测中的应用研究[J]. 环境监控与预警,2013,5(6):1-5

[4] 韦玉春,汤国安,杨昕,等. 遥感数字图像处理教程[M].北京:科学出版社,2011

[5] 徐涵秋. 利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI) 提取水体信息的研究[J].遥感学报, 2005, 9(5) : 589-595

[6] 徐康,刘付程,安宗胜,等. 巢湖表层沉积物中磷赋存形态的时空变化[J].环境科学, 2011,32(11):3 255-3 263

[7] 刘成,邵世光,范成新,等. 巢湖重污染汇流湾区沉积物重金属污染特征及风险评价[J].中国环境科学, 2014,34(4):1 031-1 037

[8] 余辉,余建平. 洪泽湖表层沉积物重金属分布特征及其风险评价[J].环境科学, 2011,32(2):437-444

图2 系统功能界面（审图号：SN(2013)074号）

3 结 语

根据当前监管系统的建设模式，分析了GIS应用在监管系统中的局限性，并以山东测量标志动态监管信息系统为例，基于公共服务平台，重点研究分布式共享、工作流、移动数据采集等几项关键技术，解决了测量标志巡查信息未能及时更新同步、申请审核流程运转效率低下、分级管理存在的数据重复建设等问题，促进了测量标志管理的规范化、巡查的信息化、服务的网络化、信息更新的准实时化，从而保证了测量标志动态监管工作的顺利进行。

参考文献

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[4] 李文菲.基于中间件技术的数据交换平台的设计与实现 [D].北京：中国科学院研究生院，2006

[5] 张毓鲲.支持面向服务体系结构（SOA）的中间件平台研究与实现 [D]. 上海：华东师范大学，2006

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[9] 王正海，张红军.WebGIS实现技术及关键问题研究[J].软件导刊，2006(7):30-32

作者简介：叶晓卿，硕士，研究方向为GIS开发与应用。

P237.9

B

1672-4623（2015）03-0101-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.036

陈婉佳，硕士，主要从事测绘、遥感地质与地理信息系统工作。

2014-07-17。

项目来源：教育部博士点专项科研基金资助项目（20095122110003）。