孝感澴东湖泊叶绿素浓度的遥感反演研究

孙新丰，池圣慧，王有宁*，李嘉旭

(1.湖北工程学院 生命科学技术学院，湖北 孝感 432000；2.孝感市孝南区农业科学研究所,湖北 孝感 432000)

水体富营养化已经成为许多内陆湖所面临环境问题，也是改善水体环境面临的棘手问题之一，其导致水体中藻类的大量繁殖。藻类中的叶绿素a含量较为稳定，方便人们测定，因此，叶绿素a浓度是衡量水体富营养化程度的重要参数[1]。

遥感卫星数据对于水体监测具有监测面积广、监测时间长、监测效率高等优势[2]，随着近年来各个国家科技不断发展，世界上许多国家都发射了一些民用的高分辨率的光学遥感卫星，例如中国的高分一号和高分二号、美国的Landsat 8、法国的Spot 6等新型遥感卫星为内陆湖泊中的中小型湖泊的水质测量提供了新的、便捷的方法。Landsat 8号卫星新增的深蓝波段对成像质量优化较好，更有助于水面质量检测精度的提升[3]。水体的光谱特性是由于水体中含有各种生物活性物质的散射性质与吸收度决定的[4]，叶绿素a是水体中各种浮游植物中含有的常见色素，在一定程度上能够显示出水体中藻类植物的生物量，反映出水体处于的营养状态，对水体具有重要的指示意义。叶绿素a的遥感反演研究在水色遥感研究中处于较为重要的位置，内陆湖泊的叶绿素a浓度的反演算法起源于海洋遥感，由于海洋环境较为简单，因此出现了许多高精度算法[5]，但是内陆地区地表水体的光学相对复杂，建立精度高、适用性强的叶绿素a反演模型的难度较大。目前利用光谱特征来构建模型测算叶绿素a浓度的主要方法有经验法、半经验/半分析法、分析法[6-10]。

基于上述背景，本文以孝感市澴东湖为研究对象，通过获取的Landsat 8 OLI遥感数据，结合热乙醇法测定叶绿素a浓度数据建立有关于的澴东湖水系叶绿素a遥感反演模型[11]，分析当季澴东湖水域水体富营养化状况，以期为澴东湖水域环境治理提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

澴东湖位于孝感市东部，位于北纬30°47' ～ 30°54'，东经113°59' ～ 114°11'，江汉平原东北部，湖北省中北部偏东，由三湖一河(包括王母湖、野猪湖、童家湖和府河)和周边湿地组成(见图1)，澴东湖生态保护已被纳入全国54个生态良好湖泊保护试点项目，其水体环境质量与区域生态保护密切相关。水域面积为53.7 km2，流域面积为902.1 km2，平均海拔低于50 m，湖底高程为18.7 m，年平均降水量为1000 ～ 1200 mm，年平均气温为16.2 ℃。随着孝感经济的不断发展和城市不断向外扩张，大量的城镇、乡镇的生活污水、工业废水、农业面源污染物等超标排入湖泊，导致近年来部分湖泊有机污染物超标，水体富营养化较为严重。

图1 澴东湖区位与采样点分布图

1.2 遥感数据与处理

Landsat 8卫星美国陆地卫星计划(Landsat)的第八颗卫星，OLI(陆地成像仪)共有9个波段：海岸波段(B1， 0.433 ～ 0.453 μm)、蓝波段(B2， 0.450 ～ 0.515 μm)、绿波段(B3， 0.525 ～ 0.600 μm)、红波段(B4， 0.630 ～ 0.680 μm)、近红外波段(B5， 0.845 ～ 0.885 μm)、短波红外1(B6， 1.560 ～ 1.660 μm)、短波红外2(B7，2.100 ～ 2.300 μm)、全色波段(B8， 0.500 ～ 0.680 μm)、卷云波段(B9，1.360 ～ 1.390 μm)。本文选用了2020年10月22日地理空间数据云的遥感数据，其中的B4和B5波段数据用于叶绿素a的遥感反演研究。

根据Landsat 8 OLI数据特点以及澴东湖水质反演的技术要求，先获取澴东湖Landsat 8卫星OLI影像数据下载，对获取的澴东湖Landsat 8卫星OLI影像数据进行预处理，最终澴东湖泊裁剪图如图2所示。

图2 预处理标准假彩色合成显示图

1.3 水样采集与叶绿素a测定

2020年11月15日，设置澴东湖采样点69个，分别为王母湖26个采样点，野猪湖30个采样点，童家湖13个采样点，采样点分布见图1，对每个采样点进行编号，王母湖采样点的编号为W1～W26，野猪湖采样点的编号为Y1～Y30，童家湖采样点的编号为T1～T13。每个采样点取2个水样装瓶带回实验室待测，同时用GPS记录采样点经纬度。

每一个采样点取200 mL水样，经滤纸(直径25 mm Whatman GF/F玻璃纤维滤膜或国产0.45 μm孔径混合纤维滤膜)过滤[12]，之后将滤膜向内对折，放入10 mL的离心管中，将带样品滤纸的离心管放入-20 ℃的低温冰箱中或者冰箱的冷冻室中。为保证样品完全冷冻，至少一昼夜后才能萃取测定。用热乙醇法测定样品叶绿素a含量(μg/L)，将样品经过水浴、萃取、过滤、定容，将定容完的萃取液，以90%的乙醇作为参比液在紫外分光光度计上进行比色，测定在波长665 nm和750 nm处萃取液和盐酸酸化后的吸光度[11]。计算公式为：

Chl-a=27.9×[(E665-E750)-(A665-A750)] ×V乙醇/V水样

式中：Chl-a为热乙醇法测定叶绿素含量(μg/L)，E665为乙醇萃取液在波长665 nm处的吸光度，E750为乙醇萃取液在波长750 nm处的吸光度，A665为酸化后的乙醇萃取液在665 nm处的吸光度，A750为酸化后的乙醇萃取液在750 nm处的吸光度，V乙醇萃取液定容之后的体积(mL)，V水样为过滤水样的体积(L)。

经热乙醇法测得澴东湖水域采样点(王母湖为W1 ～ W26，野猪湖为Y1 ～ Y30，童家湖为T1 ～ T13)叶绿素a浓度如表1所示。

表1 热乙醇法测得澴东湖水域采样点叶绿素a浓度表

2 结果与分析

2.1 叶绿素a反演模型

将经过预处理后的Landsat 8 OLI的B3 ～ B5波段的波谱反射率与实测的叶绿素a浓度值进行相关性分析[13]，在王母湖、野猪湖、童家湖3个湖泊的叶绿素a实测数据中，随机选取14个实测点作为Landsat 8叶绿素a浓度反演模型的验证点，所选取的验证点不加入Landsat 8叶绿素a浓度反演模型的构建。根据部分文献以及各种研究分析的经验[14-15]，进行了单波段、波段比值等组合算法，得到3个湖泊相关系数的平均值，如表2所示。

由表2可以看出，构建的叶绿素a遥感反演模型相关系数大多在0.1到0.4之间，其中波段组合B5/B4在10个模型中Chl-a相关系数最好，相关系数为0.753，与实测数据相关性较强，以波段组合B5/B4分别建立3个湖泊叶绿素a反演模型，如图3所示。野猪湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为：[Chl-a]=23.779×(B5/B4)-2.101，R2=0.6941。王母湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为：[Chl-a]=48.507×(B5/B4)-8.5165，R2=0.652。童家湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为：[Chl-a]=71.921×(B5/B4)+1.0834，R2=0.6652。

表2 各波段组合算法与叶绿素a实测相关系数表

图3 澴东湖叶绿素a浓度反演模型

2.2 模型精度验证

随机选取王母湖未参与模型构建点5个、野猪湖未参与模型构建点5个、王母湖未参与模型构建点4个，利用随机获取的点来进行模型精度评价，各点数据见表3。

表3 验证点浓度(μg/L)与图像获取点浓度(μg/L)对比表

由表3得到的王母湖、野猪湖、童家湖验证点数据，本实验所用的精度评价指标为决定系数(R2)[14]、标准误差(RMSE)、中值绝对百分误差(ME)以及平均绝对百分误差(MAPE)[15]，其中RMSE(ERMS)、ME(EM)、MAPE(EMAP)的表达式为：

通过对反演精度检验得出王母湖叶绿素a浓度反演决定系数R2=0.9117(y=1.0077x+0.5847)，标准误差(RMSE)、中值绝对百分误差(ME)以及平均绝对百分误差(MAPE)分别为RMSE=0.3367 μg/L、ME=13.91%、MAPE=24.018%。野猪湖叶绿素a浓度精度检验决定系数R2=0.9203(y=0.837x+0.3745)，标准误差(RMSE)、中值绝对百分误差(ME)以及平均绝对百分误差(MAPE)分别为RMSE=0.2895 μg/L、ME=17.26%、MAPE=19.575%。童家湖叶绿素a浓度决定系数R2=0.957(y=0.9871x-3.5636)，标准误差(RMSE)、中值绝对百分误差(ME)以及平均绝对百分误差(MAPE)分别为RMSE=0.4258 μg/L、ME=11.37%、MAPE=12.028%。三个湖泊检验结果表现均较好，其中标准误差、中值绝对百分误差、平均绝对百分误差均在容许范围内，表明该模型在澴东湖(王母湖、野猪湖、童家湖)叶绿素a浓度反演上具有可信度，具有一定的实用性。

2.3 反演结果

通过对澴东湖水系的3个湖泊辐射定标、大气校正、区域裁剪、掩膜处理等操作后，将上述模型导入到ENVI中，根据实测数据，利用ENVI中的波段运算方法构成的叶绿素a浓度遥感反演模型，最终得出3个湖泊的叶绿素a浓度分布图(见图4)。从图4中可以看出王母湖叶绿素a浓度总体趋势不是特别明显，但是湖中心(深水区)叶绿素a浓度的大致范围15 μg/L到25 μg/L之间，周边部分区域叶绿素a浓度较高，叶绿素a浓度超过了30 μg/L，有发生水体富营养化的可能。野猪湖叶绿素a浓度在空间分布上有一定的差异性，叶绿素a的梯度较为明显，呈现出湖中心(主要为深水区)浓度低，靠近湖岸区(主要为浅水区)浓度高的空间分布趋势。童家湖叶绿素a浓度普遍较高，基本上都超过了40 μg/L，湖心地区(深水区)叶绿素a浓度大致在40 μg/L到45 μg/L。部分靠近湖岸地区(浅水区)叶绿素a浓度超过50 μg/L，基本上处于水体富营养状态。

图4 澴东湖叶绿素a浓度反演结果

在水域环境中，叶绿素a浓度值超过一定的数值就会有水体富营养化的风险[16]，因此以50 μg/L为富营养化的临界点[17]，制作出澴东湖水体叶绿素a浓度超标图，如图5所示。王母湖北面有小部分区域的叶绿素a浓度超过了50 μg/L，其余水域超标面积较小，整体而言，王母湖水质环境较好，富营养区域面积较低。野猪湖东南和西南两面均有极小一部分叶绿素a浓度超标，其余地方基本没有超标，整体而言，野猪湖水质环境也较好，整个水体中叶绿素a含量在3个湖中最少，叶绿素a浓度超标区域也较少。童家湖湖岸周边(浅水区)的大部分地区叶绿素a浓度均超过50 μg/L，富营养区域较多，整体而言，童家湖叶绿素a浓度超标面积远超王母湖和野猪湖，平均水体叶绿素a含量在3个湖中也最多，水体环境较差。

图5 澴东湖水体叶绿素a超标浓度分布图

3 结论与讨论

3.1 结论

1)因叶绿素a的散射特性和光学特性，本文利用Landsat 8 OLI数据中B3、B4、B5 3个与叶绿素a浓度相关性较高的波段，来进行反演模型的构建，本文进行了11个波段的组合，其中单个波段与叶绿素a浓度相关系数较低，并不能很好地构建叶绿素a遥感反演模型，因此采用波段比值来进行叶绿素a遥感反演模型的构建，其中相关系数最好的就是B5/B4波段组合，与叶绿素a的相关系数达到0.753，其余的R值都低于0.6，以此波段组合建立遥感反演模型：野猪湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为[Chl-a]=23.779(B5/B4)-2.101(R2=0.6941)，王母湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为：[Chl-a]=48.507(B5/B4)-8.5165(R2=0.652)，童家湖Landsat 8叶绿素a浓度反演模型为：[Chl-a]=71.921(B5/B4)+1.0834(R2=0.6652)。用3种模型构建时随机选出的验证点验证，王母湖、野猪湖、童家湖决定系数R2分别为0.9117、0.9203、0.957，均大于0.9，验证曲线的拟合度较好。王母湖、野猪湖、童家湖标准误差RMSE分别为0.3367 μg/L、0.2895 μg/L、0.4258 μg/L，标准误差均小于0.5 μg/L，遥感反演方程的精确度较高。王母湖、野猪湖、童家湖的中值绝对百分误差、平均绝对百分误差分别为13.91%、17.26%、11.37%以及24.018%、19.575%、12.028%，该反演模型的准确度也在可接受的范围之内。反演结果可信度较高，具备一定的科学严谨性。

2)通过对澴东湖水系的野猪湖、王母湖、童家湖叶绿素a浓度的反演结果显示，3个湖泊叶绿素a浓度分布都具有一定的空间差异性，靠近部分岸边的浅水区的叶绿素a浓度明显高于湖心的深水区。在3个湖泊中童家湖叶绿素a浓度普遍较高，湖中心(深水区)的平均叶绿素a浓度超过了40 μg/L，湖岸边的区域(浅水区)大部分地区叶绿素a浓度超过了50 μg/L。王母湖、野猪湖湖心深水区的叶绿素a浓度在20 μg/L到25 μg/L，湖岸的浅水区浓度只有少部分地区超过了30 μg/L。相较于童家湖，王母湖、野猪湖的叶绿素a浓度较低，叶绿素a浓度超标区域也少，整体水域环境较好。童家湖叶绿素a浓度超标严重，超标区域面积较大，整体水质环境较为恶劣。

3.2 讨论

1)本研究获取的2020年10月22日Landsat 8 OLI影像数据，由于当时气温较低，浮游植物的生物量较少，提取遥感图像时获取的反射率较低[18]，叶绿素a浓度与实际叶绿素a浓度可能有一定的偏差。

2)王母湖连接着邓家河，北面区域是邓家河河水汇入地，可能由于邓家河两岸有较多的农田、住户以及部分养殖业，导致产生了许多生活污水、化肥、生活垃圾以及有机农药大量流入河流，通过邓家河汇聚到王母湖中，并且王母湖水域面积较小，自净能力较差[19]，造成了王母湖北面小部分地区叶绿素a浓度过高，王母湖湖岸边其他叶绿素a浓度超标地方均有许多村镇，许多人口聚集地，其产生的生活污水对王母湖产生了一定的影响，导致叶绿素a浓度少量超标。野猪湖东南面有下马溪河的河水汇入，可能由于河水汇入点周围空间较为狭小，水体流动性较差，导致污染物较为容易在周围堆积，从而造成东南面水体富营养化，西南面可能也是因为部分区域水体流动性较差导致部分区域叶绿素a浓度超标。但由于野猪湖水域面积较大，其自净能力比王母湖和童家湖自净能力较强，可能北面汇入的杨店河的河水汇入点面积较大，流动能力较强，并没有污染物堆积，因此北边叶绿素a浓度没有超标。童家湖水体中叶绿素a浓度大面积超标，可能由于其被围垦后的水域面积较小，水的流动性较差，导致水体自净能力差。周边养殖业较为盛行，污水产出量较大，再加上界河和彭家河携带的河岸生活污水、化肥、有机农药等污染物的河水汇入，童家湖中的有机污染物也较多，从而导致了童家湖水体富营养化严重，水体中叶绿素a浓度普遍高于野猪湖和王母湖。