环境卫星CCD影像在太湖湖泛暗色水团监测中的应用

李旭文，牛志春，姜 晟，金 焰

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)

·环境预警·

环境卫星CCD影像在太湖湖泛暗色水团监测中的应用

李旭文，牛志春，姜 晟，金 焰

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)

太湖地区2009年5月11日、2010年8月21日、2011年7月28日和2011年9月24日的环境卫星CCD影像显示，在太湖西部沿岸带、竺山湖等水域存在湖泛暗色水团现象。由于环境CCD缺少辅助反演气溶胶信息的2.1 μm波段，试验了基于空气自动监测子站获得的与环境卫星CCD成像时间接近的地面能见度测量数据进行FLAASH大气校正的方法，反演结果总体上符合水体光谱特征。提取了湖泛水体、对照水体样区在CCD各波段的光谱反射率数据统计特征。结果表明，和对照水体相比，湖泛水体在环境卫星CCD的可见光—近红外波段具有较低的反射率，与人眼观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类存在，在环境卫星CCD近红外(波段4)具有比可见光(波段3)略高的反射率，其规律与基于Landsat ETM的湖泛暗色水团遥感分析结果相一致。

环境卫星;CCD;遥感;太湖;湖泛;监测

湖泛黑水团是指湖泊局部水体颜色发暗甚至发黑的现象，近年来在太湖偶有发生，对湖泊生态环境造成较大影响，其危害是多方面的，可导致水体包括鱼类等各种生物死亡并腐败分解，局部生态环境崩溃，如果发生在饮用水源地，将造成严重的供水危机。研究表明，藻类死亡和受污染的底泥是湖泛形成的物质基础［1，2］，适宜的水温、气压、风速为湖泛现象的发生提供了条件［3］。卫星遥感是直接观测湖泛暗色水团等水环境生态问题十分重要的技术手段［4－6］，在 Landsat、国产环境一号(HJ1)卫星等中高分辨率的卫星遥感影像能够较为清晰准确地提取［7］，由于湖泛发生需要特定的条件、面积不大、持续时间只有1～5d等原因，MODIS影像较难识别出湖泛的分布，Landsat空间分辨率达30 m，较适合监测湖泛这一类中小尺度的水环境问题［8］，但是重访周期需要16 d，在时间上不容易捕捉到湖泛现象。实践证明，这些国外的卫星遥感影像均难以及时、快速、准确地捕捉到湖泛黑水团信息。中国自主设计的环境一号卫星，以面向生态环境保护、环境监管应用为主要目标，从环保部门及时、动态监测地表水、空气、生态质量的需求出发，在技术设计上独具特色，尤其是星上CCD相机载荷的设计，具有700 km大幅宽、高达30 m分辨率、多波段等优势，是近年来具备中国技术特色的重要环境遥感监测手段。通过对太湖地区2009年5月、2010年8月、2011年7月、2011年9月环境一号CCD相机影像数据的处理，识别出在太湖发生的湖泛黑水团，充分展现了环境一号影像对中国湖泊生态问题的快速监测预警作用。

1 数据处理方法

1.1 影像资料

综合近年来太湖湖泛发生情况及对环境一号卫星CCD影像的观察，选取了2009—2011年间4景存在湖泛现象的HJ1A、HJ1B星CCD影像数据(表1)。其中，2009年5月11日的湖泛发生在太湖的竺山湖区，当时有关环境监测部门还开展了现场监测，遥感影像上湖泛特征与地面结果互相印证;2010年8月，太湖地区高温持续时间很长，从8月1日起到月末，获得的12景CCD数据很好地展示了蓝藻水华频繁暴发，进而导致在当年8月20—21日局部水域湖泛现象发生［2］;2011年7月28日的湖泛发生在太湖宜兴附近及兰山嘴一带近岸水域;2011年9月24日的影像上，官渎港—社渎港—烧香港水色较暗黑，尚未得到地面监测和观测资料的同步验证，暂判读为暗色水体。

表1 2009—2011年存在湖泛现象的环境卫星CCD影像的日期和图幅

1.2 数据处理总体流程

为了定量研究太湖湖泛黑水团的光谱遥感信号特征，必须先对环境一号卫星CCD遥感影像进行必要的大气校正处理，获得地面反射率影像。利用遥感处理软件ENVI完成了数据处理，数据处理流程见图1。

图1 基于环境一号CCD影像计算太湖湖泛黑水团光谱反射率的处理流程

1.2.1 辐射定标及辐亮度影像数据准备

利用绝对定标系数将环境卫星CCD影像DN值转换为辐亮度图像的公式为:

式中:L——辐亮度，W/(m2·sr·μm);A——绝对定标系数增益;L0——绝对定标系数偏移量。

环境卫星影像数据自带了XML元数据文件，其中的＜absCalibType＞＜/absCalibType＞数据项描述了绝对辐射定标系数。由于环境卫星在轨运行后，太空工作环境较恶劣，长期运行后传感器载荷的元器件有所老化，都可能使辐射定标系数改变，因此中国资源卫星应用中心每年定期组织进行在轨场地定标，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。环境卫星CCD影像数据自带的定标系数与资源卫星应用中心公布的年度场地定标系数有所不同，表2列出了涉及的4景影像的年度场地定标、影像数据自带定标系数。从处理结果来看，基于自带元数据反演的水体光谱反射率值的波动范围比基于年度场地定标系数反演的光谱反射率值的波动范围要小。

表2 HJ1A、B星CCD相机(增益2)的定标系数

在ENVI遥感信息处理软件中完成传感器辐射定标及辐亮度影像生成的处理流程如下:

① 根据HJ1A、B星CCD数据的成像年份，从表1—3中选用对应年份各波段的相应定标参数，利用ENVI的Basic Tool－＞Band Math工具完成式(1)的计算，分别得到各波段的辐亮度影像。

② 利用Basic Tool－＞Layer Stacking工具将4个波段的辐亮度数据组合成一个BSQ格式的多波段数据文件。

③编辑该多波段数据文件的头文件信息，在波段列表中，右键打开Edit Header－＞Edit Attributes－＞Wavelength，将每个波段的中心波长输入——b1(480 nm)，b2(560 nm)，b3(660 nm)，b4(830 nm)。

④将BSQ格式的多波段数据文件转换为大气校正工具FLAASH所需的BIL格式。

1.2.2 环境卫星CCD光谱响应函数的准备

卫星传感器的光谱响应函数是大气校正和定量反演的重要前提，在FLAASH工具中需要读入卫星传感器的光谱响应函数信息，因此，亦需要预先准备好HJ1A、B星CCD1、2共4个传感器的光谱响应函数文件。

从环保部卫星环境应用中心网站(www.secmep.cn)下载 HJ1A、B 星 CCD1、2的4个光谱响应曲线数据文件，它们均为5列文本格式，第1列记录了波长，单位为nm，第2，3，4，5列分别为该CCD的波段1，2，3，4 的光谱响应值。

在ENVI中，使用波谱曲线工具来建立HJ1A、B星CCD1、2的4个光谱响应曲线，存储为ENVI波谱库文件(.sli)，供FLAASH处理时调用。

① 选择 Window－ ＞Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，选择File－＞Input Data－＞ASCII，如图2所示，自动将第一列作为X轴，后面4列作为Y轴，生成了4条曲线。

② 选择Edit－ ＞Data Parameters，更改每一条曲线的名称:分别命名为HJ1ACCD1、HJ1ACCD2、HJ1BCCD1和HJ1BCCD2。

③选择File－＞Save Plot As－＞Spectral Library，将4条曲线保存为波谱库文件，例如，环境1A星CCD1光谱响应曲线.sli。

图2 环境卫星CCD的光谱响应函数曲线

1.2.3 过境时刻地面能见度数据的收集

由于环境卫星CCD缺少中心波长在2.1 μm附近的反射率受气溶胶影响很小的波段，因此，利用CCD影像本身的信息提取大气气溶胶信息较为困难，基于暗目标等的大气校正方法难以应用，尚无十分成熟的反演方法。有研究利用与成像时刻很近的MODIS气溶胶产品信息用于环境一号星CCD数据大气校正［9］，有的利用AERONET等气溶胶地基观测网的数据辅助用于大气校正［10，11］，均获得较合理的反演结果。近年来，太湖流域各地环境监测站兴建了空气自动监测子站，由于灰霾等大气污染监测问题日益受到重视，2010年以来部分地区空气子站增配了能见度地面观测仪，开始积累能见度数据。环境卫星一般在10:30～11:00间过境太湖，笔者利用临近太湖(离湖心直线距离在40 km以内)、代表性较好的苏州市监测中心站测量的550 nm波长处能见度数据，取10时和11时的实测结果的平均值作为FLAASH大气校正的输入参数。具体数据见表3。由于未收集到2009年5月11日环境卫星过境时的地面能见度数据，在FLAASH中暂取预设值40 km。1.2.4 FLAASH 大气校正处理

表3_环境卫星过境前后较近时刻的地面能见度_数据

续表3

对各景环境卫星CCD数据使用FLAASH进行大气校正，由于FLAASH中辐亮度的单位是μW/(cm2·nm·sr)，因此输入的BIL格式辐亮度数据以Scale Factor取10完成单位换算。环境卫星的高度取650 km，像元大小为30 m，影像中心经纬度数据、成像时刻可以在元数据XML文件中查到，以2011年7月28日为例:

大气模式的选取依卫星遥感成像月份确定，该研究的环境卫星 CCD数据涉及5，7，8以及9月份，对7，8月高温季节，CCD数据取Tropical模式，5，9月份取 Mid-Latitude Summer模式。气溶胶类型选Rural模式，由于环境卫星CCD缺乏2.1 μm波段，故反演方法选择None，即FLAASH不从影像本身的多光谱信息来反演气溶胶特征，而是以输入的地面空气自动监测子站采集的能见度作为初始值，推演气溶胶信息。在Initial Visibility中输入表3的地面能见度平均值。

通过Multispectral Settings来配置大气校正所需要的环境卫星CCD光谱响应函数，通过Filter Function File选择对应的卫星/CCD的光谱响应函数文件，Index First Band缺省选0即可。

完成了FLAASH处理后，就获得了环境卫星CCD影像的地面反射率数据，可进行湖泛水域光谱反射率特征分析。

2 湖泛影像特征分析

2.1 2009年5月11日影像(图3)

从影像上可以解译出，在太湖西北部的竺山湖中，有一大片水域呈暗黑水色，其中还有呈粉红色调的蓝藻水华，与两天前(5月9日)的环境卫星CCD影像上该片水域水色差异十分明显。利用ArcGIS软件量算其总面积为21.39 km2。从水色发黑的程度，大致可将其分为两个片区(图3)，一片水色为较深黑色，面积约16.4 km2;另一片水色为灰黑色，面积约4.99 km2。当天有关监测部门在现场开展了湖泛调查和水质监测，现场观察到水色发暗、死鱼、腥臭，遥感影像上的湖泛分布得到了地面观察和监测报告的有力验证。

2.2 2010年8月21日影像(图4)

宜兴市周铁镇沙塘港—官渎港入湖河口一片与岸线平行的水色较暗，尤其在沙塘港一带呈深黑色，是十分典型的湖泛黑水团。利用ArcGIS软件量算其总面积为11.69 km2，延伸长约12.90 km。

图3 2009年5月11日发生在太湖竺山湾的湖泛现象空间分布

图4 2010年8月21日发生在太湖西部沿岸带湖泛现象空间分布

2.3 2011年7月28日影像(图5)

宜兴市东的南溪河入太湖的大浦口—洪巷港一带，有长条状与岸线平行的深黑色水团，面积为5.94 km2，延伸长约 8.9 km;另一片位于更南部的乌溪港—兰山嘴(兰右)一带的太湖水域，延伸长约7.16 km，面积约 2.05 km2。

2.4 2011年9月24日影像(图6)

该景影像上，蓝藻水华暴发规模较大，遥感解译可以看出，宜兴市官渎港—社渎港—烧香港入湖河口一带与岸线平行的太湖水域，水色相对较暗，CCD各波段反射率均不高。往太湖湖心方向的开阔水域则漂浮了大量蓝藻水华，呈典型的叶绿素遥感反射率特征，在波段2有较高的反射率，在近红外的波段4则有超过0.5的反射率，表明蓝藻积聚程度很高，在水华区航行的船舶“犁”出的航迹也十分清晰可见。

图5 2011年7月28日发生在太湖西部沿岸带湖泛现象空间分布

2.5 湖泛水域光谱反射率特征

以上4景影像上湖泛水域、暗色水域、无湖泛对照水域及蓝藻水华的环境卫星CCD各波段光谱反射率数据统计见表5，曲线见图7。

表5 湖泛水域与其他参照水域、蓝藻水华的

续表5

2.6 讨论

从环境卫星CCD各波段反射率的数值看，湖泛区水体、其他水体的反射率曲线基本处于水体反射率波动范围，蓝藻水华的反射率曲线也显示了典型的叶绿素反射特征(图7)，因此，以上基于地面能见度数据及FLAASH模型的环境卫星CCD影像的大气校正取得了十分合理的效果。在环境卫星CCD各波段，湖泛水体反射率总体上比其他对照水体要低，由于湖泛黑水团除了死亡蓝藻，还有一定量的活体藻类，湖泛水体还显示了微弱的藻体叶绿素反射特征，导致环境卫星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日影像上较为明显(图4和图5)。但是，由于不同时相的CCD数据在大气校正时选择的大气模式、气溶胶模式等存在差异，CCD本身未配备2.1 μm中红外波段，加之资源卫星中心公布的绝对辐射定标系数缺乏应用层面的大量验证，因此，不同时相间湖泛水体光谱反射率值存在0.03～0.05的幅值漂移。另一方面，湖泛本身是人的肉眼在可见光波段感知为暗、墨色的水体光学现象，往往是现场人员综合现场气味、鱼虾死亡、与外围对照水体水色差异、溶解氧极低等因素作出的判断。因此，对于环境卫星CCD数据，尚无法确立具有普适性、能在不同时相间精细识别和比较的湖泛反射率阈值范围。不过，这些因素并不影响湖泛黑水团的解译，在空间方面，通过和在同一景影像上对照水体的比较，以及湖泛本身的色调纹理特征、分布范围、延伸和规模，可以识别湖泛;在时间方面，湖泛黑水团为“时变”较快的生态现象，一般持续2～3 d，发生之前一般是常态水色或蓝藻水华，发生期内水色要比周边常态水色更呈暗黑，发生后数天水面自净恢复为常态水色，可以与沼泽化浅水区和其他湿地相区分。总之，应从时间和空间上对系列影像进行解译比较，剔除水浅区域底泥、沼泽化等显示的暗黑影像特征，才能客观地识别湖泛现象及其时空分布。

图7 环境卫星CCD影像上湖泛水域与对照水域、蓝藻水华的光谱反射率曲线

从湖泛的分布来看，2009—2011年的环境卫星CCD资料表明，主要在太湖的西部沿岸区易发生小规模湖泛现象(图8)，多在沿岸的水域呈长条状分布，或受小型湖湾的狭口影响，呈面状分布，太湖东部以及开阔、流动较畅通的水域，一般不易发生湖泛。

图8 4景CCD影像上太湖湖泛的分布范围

3 结语

湖泛现象是富营养化较严重的湖泊在特殊的水质和气象水文条件下容易发生的生态问题，如果发生在饮用水源地、渔业养殖区等敏感水域，将带来严重的后果。快速捕捉湖泛的发生区域、分布范围，对于保障水生态安全和预警十分重要，单纯靠地面巡查要花费大量的人力物力，且往往难以及时、快速识别和应急响应。通过对国产环境卫星CCD近年来太湖地区影像的处理，准确高效地提取了太湖湖泛分布信息。实践证明，对蓝藻水华、湖泛以及其他时变较快的生态问题，中国环境卫星多星组网构成1～2 d的重访能力［5］，地面分辨率为30 m的CCD影像数据对湖泊等水体中的小尺度、光谱上弱幅(然而较稳定的)特征、时变快的生态环境现象的捕捉和持续监控能力非常强大，具有很强的业务化应用潜力，建议今后在环保部层面(如环保部卫星环境应用中心)开展基于环境卫星的中国水生态问题遥感在线监视平台建设，实现环境卫星遥感数据“在线处理”作业模式，在最快的时间内自动提取出中国各流域、各湖泊水体的异常生态信息，大大提高水环境监测预警和安全保障能力。

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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

国家水环境监测技术体系研究与示范项目(2009ZX07527-006);水体污染控制与治理重大专项项目(2009ZX07101-011)。

李旭文(1966—)，男，研究员级高工，硕士，研究方向为环境信息系统、环境遥感应用、生态监测。