遥感影像助力水体和城市黑臭水体识别

水是除了阳光和空气之外人类生存的三大自然要素之一，水孕育了生命。由于地球表面的3/4为海洋所覆盖，且水是人体新陈代谢的介质，所以水是人类重要的外环境和内环境的组成成分。

水体，水的集合体，是指被水覆盖的地段的自然综合体，它不仅包括是江、河、湖、海、地下水、冰川等，还包括水中的溶解质、悬浮物、底泥、水生生物等。按照水体所处的位置，可粗略分为地面水、地下水和海洋等三大类，这三类之间是可以互相转换的。其中地面水与人们的生产活动息息相关，地面水按照不同的用途对其进行分类，并制定相应的水质标准。

一、黑臭水体的来源与危害

城市黑臭水体是指城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体的统称。而“黑臭”是水体有机污染的一种极端现象，是由于水体缺氧、有机物腐败而造成的，已经成为我国许多中大型城市共同存在的环境污染问题。

城市黑臭水体不仅仅损害城市的美好形象，还对旅游业造成了严重的影响，限制了城市自身的发展；饮用水源的告急和居住环境恶化还将影响居民生活、危害身体健康；同时也会对河道的河流生态系统造成破坏，影响水体中鱼类及其他水生生物的正常发育和成长，严重的话可致使水生生物和水鸟等绝迹。

二、黑臭水体识别方法概述

由于生活污水、工业废水等排入河道当中，导致水体氮、磷营养盐急剧增高，在厌氧细菌作用下，滋生恶臭物质，从而导致城镇河道的水质呈现黑臭现象，同时造成城镇河道的生态系统严重失衡。城镇“因水而生、因水而兴”，加强城镇黑臭河道治理，维护城镇的生态环境，美化城镇的景观，改善人们居住的环境具有极其重要的意义。

1. 多波段阈值法识别水体

首先通过软件对遥感卫星影像进行辐射定标、大气校正等基本预处理步骤，然后对其设置多光谱参数。通过气溶胶反演，获得校正后的影像数据。选择绿、红、近红外、短波红外波段进行水体提取：

式中，TM(Green)、TM(Red)、TM(Near Infrared)和TM(SWIR1)分别对应遥感卫星影像的第三、四、五和六波段，100为一个设定的阈值。

这个算法可以将水体从森林、城市建筑物等提取出来，且能有效的将细流河网与交通道路干道区分开来。

2. 波段比值法识别城市黑臭水体

水体识别有别于我们之前遥感系列文章里提到的反演方式，它首先需要通过实地调查，进行光谱测量和水质分析，确定样本标准。然后才是对遥感影像数据进行处理，最后通过与实际样本数据进行对比，确定模型的准确度。

实验观测包括室外实验和室内实验两个部分。室外实验主要包括遥感反射率、透明度、溶解氧、氧化还原电位的测量和水样采集，同时记录样点经纬度等信息。室内实验主要包括通过软件对遥感影像数据进行正射校正、辐射定标、大气校正等预处理步骤。然后利用地面实测遥感反射率拟合为遥感卫星影像的多光谱数据，进行黑臭水体识别建模。

经实验发现，城市黑臭水体在550～700nm范围内光谱曲线变化最为平缓，斜率最低。遥感卫星影像对应此光谱范围的绿、红波段，很好地体现出城市黑臭水体这一光谱特征。因此，选择这两个波段组合的遥感反射率差、和的比值来识别城市黑臭水体。

式中，Rrs(Green)和Rrs(Red)分别为遥感卫星影像的第二、三波段大气校正后遥感反射率值，N1、N2为常数。

通过比值算法的识别结果与实际采样情况进行对比，识别正确率达到100%。

三、研究意义

对于水体和城市黑臭水体识别的意义，不仅仅局限于科研方向，而是与人类生活和发展密切相关。据研究表明城市黑臭水体对人口健康具有较大风险，主要体现在对长居人口的健康影响和短期暴露的健康风险。

该研究表明，黑臭水体各采样点均存在着健康风险系数大于1的情况，说明居住在离岸100m范围内的人群日均暴露剂量长期超过日允许暴露剂量，存在着微生物健康风险，且以细菌污染健康风险指数最大。

健康风险指数结果也表明，在不考虑男性、女性和儿童体质差异条件下，长期居住人口处于同样的离岸距离时，不存在健康风险差异。但是在短期暴露时间相等情况下，儿童健康风险最大，女性次之，男性的短期暴露健康风险最小。

总的来说，城市黑臭水体周围的长居人口潜在健康风险随着离岸距离增加，健康风险指数逐渐降低，长居人群微生物污染健康防线主要集中在离岸100m范围内，以细菌污染健康风险为主要风险来源。

四、尾声

除此之外，水是生态系统的血液，是地球环境中最重要和最有活力的因素，充足、优质的水资源是生态系统健康发展的物质基础，也是21世纪可持续发展战略实施的重要保障。随着水体污染问题的日渐严重，水质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题。

目前，我国各地方环境保护部门和水利部门采取的常规的水质监测方法，这种方法受人力、物力和气候水文条件的限制，采集的数据量不可能太多，且成本高、速度慢。并且对于整个水体而言，这些测点数据只具有局部和典型的代表意义。遥感技术的出现和发展为水体污染监测和研究开辟了新的途径，能够在一定程度上弥补水面采样观测的缺点，还能发现一些常规方法难以揭示的污染物排放源、迁移扩散方向、影响范围以及与清洁水混合稀释的特征，有利于查明污染物的来龙去脉，为科学的布设地面监测点提供依据，为水资源保护和规划以及可持续发展提供动态基础数据和科学决策依据。

撰文丨徐思雨

参考文献：

1. Knight_076，2020年5月。遥感图像水体提取。

2. 中国污水处理工程网，2018年1月。基于高分影像的城市黑臭水体遥感识别技术。

3. 刘建福等，2017年1月。城市黑臭水体的危害。