使用 GF5-AHSI 影像进行滇池水质参数反演

本研究基于高分五号卫星的 AHSI 数据对叶绿素 a、总磷和总氮进行了逆建模，并采用波段组合法分析了滇池整体水质状况。该方法为滇池水环境监测提供了技术支持。

研究区域和数据源概述

1. 研究区概况

滇池湖（图 1）是云南省最大的淡水湖，被誉为“高原明珠”。湖面高程 1887.4 m，流域面积约 2920 km，湖面面积约 330 km，平均水深 5 m，最深处 11 m。湖面北部长 40 公里，东西方向平均宽 7 公里。该流域位于亚热带季风潮湿气候区;年平均气温小于 15 °C，降水季节变化显著，年平均降水量为 935 mm。该湖位于昆明市下游，是昆明盆地最低的凹区。从地形和地形来看，昆明市整体污水和工业废水排放汇合进入滇池。此外，随着经济的发展，城市土地面积的扩大加剧了湖泊的污染。根据 GB3838-2002《地表水环境质量标准》，滇池湖的水质曾被归类为 V.级以下。然而，经过 20 多年的整治工作，自 2018 年以来，滇池湖水质一直保持在 IV 级。

图1 研究区域的示意图位置

2. 遥感数据和预处理

本研究选择的遥感数据来自 2018 年 12 月 10 日跨越昆明的 GF-5 AHSI（高级高光谱成像仪）影像数据集。GF-5 卫星搭载的 AHSI 光谱范围为 0.4 μm 至 2.5 μm，振幅为 60 km，空间分辨率为 30 m，可见光波段光谱分辨率为 5 nm，短波红外波段光谱分辨率为 10 nm。与 Landsat 8 、Sentinel 2 和 HJ-1 等其他传感器相比，AHSI 高光谱传感器能够提供更有效的光谱信息。

但是，由于太阳位置、大气条件和传感器性能限制的影响，遥感图像在大气辐射传输过程中会受到图像失真的影响。因此，需要进行图像预处理来消除和校正这些影响。GF-5 AHSI 数据的预处理主要包括辐射定标、大气校正、正直校正和半人工滇池水体提取。使用 ENVI5.3 软件辐射校正工具栏中的辐射校准子工具对 GF-5 卫星图像数据进行辐射校准，然后使用 FLAASH 工具进行大气校正。图 2 显示了大气校正前后的图像比较。最后，基于滇池区域距离矢量数据，提取滇池水域，有效光谱波段数为 298 个。 为进一步检验所提模型的准确性，本研究利用 2018 年 12 月 10 日同期的 GF-1 卫星 WFV 多光谱数据，结合 GF-5 卫星数据，对滇池湖水质参数进行了反演。

3. 实测水质数据

实测水质数据由云南省生态环境厅提供，并与 GF-5 卫星的发射时间同步;这些数据包括三个水质参数的值：叶绿素 A、总磷和总氮。滇池湖区有 9 个水质参数监测站（如图 1 所示），一般覆盖整个湖区。水质参数的检测遵循 HJ897-2017 《用分光光度法测定叶绿素 a》、GB11893-89 《用钼酸铵分光光度法测定总磷》和 HJ636-2012 《用碱性过硫酸钾消除法和紫外分光光度法测定总氮》三个标准，以确保参数测量的准确性和可靠性。以 1 小时的间隔测量叶绿素 a，以 4 小时的间隔测量总磷和总氮。本研究中使用的水质参数的测量浓度是在日常测量中平均的，每个水质参数总共进行了 56 次测量。

模型构建和检索

1. 滇池水光谱特性

图 3 显示了基于 GF-5 卫星图像的滇池湖 9 个站点水体的光谱反射率曲线。值得注意的是，滇池水体的反射率表现出以下光谱特性：在 400~580 nm 范围内，反射率呈增加趋势，在 580 nm 左右形成反射峰。这个峰值是由于叶绿素和胡萝卜素的弱吸收以及普通藻类、浮游植物和悬浮物的散射效应而形成的。 图3 滇池站点的高光谱反射曲线

作为水中常见藻类、浮游植物和悬浮物的散射效应。在 590 nm 和 690 nm 之间，滇池湖的反射率总体呈下降趋势，反射谷位于 670 nm 和 690 nm 之间。这个谷是由于叶绿素 a 在水体中的强烈吸收而引起的。在 690 nm 和 720 nm 之间存在一个快速上升的陡峰，由于浮游植物色素的荧光作用，它是确定水体中叶绿素是否存在的重要依据;具体来说，水和叶绿素 A 的吸收系数之和在此波长间隔内达到最小值。目前，高光谱传感器无法区分缺乏独特光学特性的变量，例如氮和磷。因此，通过依赖氮和磷与营养物质的关系以及它们对水的浑浊度和颜色的影响，可以获得用于提取氮和磷的近似光谱带。断桥和草海中心两个站点的反射率曲线图与其他站点相似，但它们的比反射率值相对较低，表明这两个站点的反射率较低。

2. 水质参数与单波段反射相关性分析

滇池水质参数（叶绿素 a、总磷和总氮）的实测浓度与相应的单波段光谱反射值相关联，得到的相关系数如图 4 所示。 图4 滇池湖各水质参数与单波段反射率的相关系数 如图 4 所示，叶绿素 a 与 390 nm 和 1000 nm 之间在所有波长上均具有光谱反射率，仅在 570 nm 波长附近呈负相关，最高相关系数集中在 690 nm 和 970 nm 之间。对于总氮，浓度与 480 nm 和 880 nm 之间的光谱反射率呈正相关，380 nm 和 480 nm 之间以及 880 nm 和 1000 nm 之间呈部分负相关，510 nm 和 580 nm 之间高度相关。

3. 水质参数反演分析

基于 GF-5 卫星数据构建的叶绿素 a、全磷、总氮模型，对滇池水域这 3 个水质参数进行了反演分析。从反演结果（图 5）可以清楚地看到滇池中叶绿素 a 、总磷和总氮的空间分布特征。如图 5 所示，叶绿素 a 主要分布在滇池北部地区，那里的叶绿素 a 浓度较高。这可能与该地区的污水排放有关，造成了比较严重的污染。滇池全湖全分布，其中这些因子的浓度在滇池中部和南部最高，符合实际情况。

滇池污染的原因有很多。首先，这与滇池位于城市下游有关，其东岸和北岸毗邻官渡经济开发区，大量城市生活污水从该区排入滇池，再加上其南岸主要是农业用地，那里的农业肥料径流和围绕湖建造的工厂排放的废水对其污染造成了重大影响。其次，滇池位于磷矿区，雨季地表磷的流失，随着地表径流进入滇池，增加了湖中的磷含量。此外，昆明地处亚热带季风气候，全年气温变化小，降雨量大，日照充足;因此，条件非常适合藻类的生长，导致快速繁殖，从而获得高叶绿素 A 含量。综上所述，滇池的污染不仅与人为因素有关，还与当地的气候和地质环境有关。通过反转水质参数，我们可以全面掌握滇池的污染情况。这种方法为政府部门实施预防和控制措施提供了必要的技术支持。 图5 滇池流域水质参数浓度空间分布