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1、 基于遥感的湖泊水质监测及评价研究 自然地理学 一 遥感简介 二 研究概述 三 案例简介 四 问题与展望 报告内容 遥感 RemoteSensing 简称RS 就是 遥远的感知 是利用一定的技术设备和系统 远距离获取目标物的电磁波信息 并根据电磁波的特征进行分析和应用的技术 一 遥感 航天遥感 航空遥感 近地遥感 遥感类型 按照不同的平台分类 遥感卫星类型 按传感器特点分类 遥感卫星类型 按卫星轨道类型分类 遥感卫星类型 按空间分辨率分类 几种主要地球资源卫星技术指标 遥感技术的原理 地物在不断地吸收 发射 辐射 和反射电磁波 并且不同物体的电磁波特性不同 遥感就是根据这个原理 利用一定的技术
2、设备和装置 来探测地表物体对电磁波的反射和地物发射的电磁波 从而提取这些物体的信息 完成远距离识别物体 遥感技术系统及工作流程 遥感技术的特点 人工实地调查与利用遥感技术调查的比较 多 少 差 慢 好 快 多 少 高 低 小 有些地方不能人工调查 差 不能全天候观测 好 能全天侯观测 广 连续性好 能获得人眼看不到的信息 二 研究目的与研究意义 湖泊是地球上最重要的淡水资源地之一 具有调节河川径流 发展农业灌溉 提供工业水源和生活饮水 沟通水运 开发旅游业以及维持生物多样性和生态平衡等多种功能 在国民经济发展中起着非常重要的作用 是湖泊流域经济可持续发展和人们赖以生存的重要基础 湖泊水质监测是
3、掌握湖泊污染程度的必要手段 而传统的化学特征分析方法是采用离散点概面的方法 在边界条件较为复杂的湖泊可能不能够代表所有区域的分布特征 不能够连续反映整个湖面水质情况 存在一定的缺陷 遥感技术正适合从面上监测 并发展到动态监测的需要 可以大面积 迅速地提供水质信息 成为持久监测区域乃至全球尺度上湖泊 海洋 水库等水体质量监测的有效手段 是常规水质监测的重要补充 为湖泊生态经济区政府决策提供科学的依据 遥感水质监测的国内外研究进展 自20世纪70年代初开始 遥感技术由海洋水色遥感逐渐应用到内陆地水体研究中 从单纯的水域识别逐渐发展到对水质参数进行遥感监测 制图和预测 随着遥感技术的发展 对水质参数
4、光谱特征及数学模型研究的不断深入 遥感水质监测经历了从物理方法到经验方法 再到半经验方法的过程 半经验方法是90年代后的主要方法 随着对水体光谱特征研究的不断深入 算法的改进以及传感器技术的进步 遥感监测水质从定性逐渐发展到定量 而且可遥感监测的水质参数逐渐增加 从起初的水色遥感 如叶绿素a 悬浮物等 发展到间接遥感水质参数 如总磷 总氮 COD等 预测精度也在不断提高 正朝水质遥感产业化的方向发展 但是目前仍然依赖大量的地面监测数据 精度还没有达到商业要求 还未形成较好通用性的模型和算法 技术路线 遥感卫星影像收集 TM ETM 等 遥感图像的预处理 几何 辐射 大气校正等 水体提取 遥感水
5、体反射率 实验方案制定 水质参数实验 高光谱测量实验 水体实验 TSS TN等 光谱测量 水质参数数据 水体高光谱反射率 高光谱特征分析 高光谱水质参数反演模型 卫星光谱敏感波段或波段组合分析 多光谱卫星遥感水质参数反演模型 统计模型 模型适用性 精度分析 综合分析与专题制图 结论与建议 二 遥感水质监测的基本原理 从图中可以看出 太阳辐射到达水面的入射光L一包括太阳直射光和天空散射光 其中少部分被水面直接反射返回大气 形成水面散射光Ls 这种水面散射光带有少量水体本身的信息 它的强度与水面性质有关 如表面粗糙度 水面浮游生物 水面冰层等 其余的光经折射 透射进入水中 大部分被水分子所吸收和散
6、射 以及被水中悬浮物质 浮游生物等散射 反射 衍射形成水中散射光Lv 它的强度与水的混浊度相关 即与悬浮粒子的浓度和大小有关 随粒径相对于光辐射波长的大小 可以产生瑞利和米氏不同的散射 水体混浊度愈大 水下散射光愈强 两者呈正向相关 衰减后的水中散射光部分到达水体底部 固体物质 形成底部反射光L 它的强度与水深呈负向相关 且随着水体混浊度的增大而减小 遥感水质监测的基本原理 总辐射 水中散射光 水体反射率 遥感监测的水质参数 描述水的质量参数 即水质参数 通常用水中杂质的种类 成分和数量来表示 分为三大类 物理性水质参数 化学性水质参数和生物学水质参数 物理性水质参数包括温度 色度 嗅味 水深
7、 透明度 浊度 悬浮物 电导率等 化学性水质参数包括PH 碱度 硬度 阴离子 阳离子 含盐量 溶解氧 化学需氧量 生化需氧量 总需氧量 重金属等 生物学水质指标包括叶绿素 细菌总数 各种病原菌和病毒等 到目前为止 并不是所有的水质参数都能被遥感所监测 遥感监测从定性发展到定量 能够监测到的水质参数包括Chl一a TSS SD 溶解性有机物 水中入射与出射光的垂直衰减系数以及一些综合污染指标 如营养状态指数等 随着对水体光谱特的研究深入 算法的改进以及卫星遥感技术的迅速发展 内陆水体中与浮游植物 悬浮物 黄色物质三类污染物相关的可遥感的水质参数有Chl一a TSS CDOM SD TP TN 溶
8、解氧 DO 水温 T 化学需氧量 COD5 等 Chla TSS CDOM可以找到独立的光谱特征可以直接进行反演分析 其他水质参数常采用间接反演的方法进行遥感分析 遥感水质监测的常用方法 II类水体光学特征比I类水体复杂 因此 用于I类水体的水质遥感反演算法不完全适合于类水体的研究 根据II类水体的特点 利用适合的统计回归法或引入一些新的数据理论和模型算法 包括神经网络 主成分分析和生物 光学模型等 并深入进行辐射传输理论分析 尝试解决多元非线性组合问题 目前建立水质监测反演模型的算法有 分析方法 经验方法和半经验方法和其他方法 如 非线性最优化法 主成分分析法 人工神经网络法等较为典型的方法
9、 三 以南四湖水质监测及评价研究为例 南四湖流域概况南四湖位于山东省西南部 是南阳湖 独山湖 昭阳湖 微山湖四个相互联贯湖泊的总称 位于东经116034 一117021 北纬34027 一35020 拦湖大坝将湖一分为二 坝北为上级湖 坝南为下级湖 南四湖属于淮河流域泅河水系 南四湖是山东省最大的淡水湖泊 占山东省淡水水域面积的45 一 监测点位的布置 二 南四湖湖区遥感数据的获取与预处理 研究采用的遥感图像数据在中国遥感卫星地面站预订获得 保持与地面实地数据监测的同步性或准同步性 数据为2006年11月3日覆盖整个南四湖湖区的Landsat5号卫星7个波段的TM影像数据 一 大气纠正 二 水
10、体部分提取 三 叶绿素a模型的构建 四 悬浮物反演模型的构建与应用 五 南四湖富营养化程度评价研究 南四湖水体富营养状况评价 六 结论 从叶绿素a的浓度分布情况看 南四湖下级湖水质明显好于上级湖 从悬浮物的浓度分布情况看 南四湖下级湖水质明显好于上级湖 南四湖整个湖区已大面积出现富营养化现象 总体研究表明 南四湖水体中叶绿素a和悬浮物总体含量较高 水体已呈现富营养化状态 且南四湖的下级湖水质情况总体好于上级湖 四 存在的问题与展望 由于内陆水体本身的光谱特性复杂 辐射信息受大气散射的影响严重 常规遥感器分辨率较低 高光谱遥感数据处理技术不够成熟等原因 遥感在内陆水体监测中的应用远不如在地质 生
11、态 海洋等领域成熟 存在的问题有 1 水体光学特性的机理研究很少 2 水质定量遥感反演的指标种类少 可遥感的水质参数可行性分析研究几乎空白 3 反演方法以经验和半经验方法为主 分析方法方面的研究较少 四 存在的问题与展望 1 系统而深入地研究内陆水质参数的光谱特征及光谱分析技术 2 完善高光谱遥感数据处理技术 强调大气校正 信息提取技术 发展新算法和完善已有的算法 并向形成标准化应用处理算法软件包方向努力 3 加强水质参数反演的分析方法研究 提高模型的适用性 4 研究多种遥感数据融合技术 发展更多的反演算法和模型 提高监测精度 5 多时相遥感图像数据与同步地面站网人工监测数据相结合 建立水环境质量评价模型及水污染趋势预报模型 并与数据传输系统 GIS GPS结合 建立全国水环境质量监测 评价及趋势预报系统 以实现准确 客观 动态 快速地对水环境质量监测 评价与发展趋势的预报
