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1、水系分析的意义以及水系与地貌之间内在联系 地貌学及第四纪地质学结课报告一、前言地球是人类的家，人类一直都十分关心自己赖以生存和发展的地球表面的状况，从而萌生出各种地理概念。随着人类社会的发展，地理知识的积累，逐步形成一门研究地球表面自然现象和人文现象，以及它们之间的相互关系和区域分异的学科。简单地说，地理学就是研究人与地理环境关系的学科，研究的目的是为了更好的开发和保护地球表面的自然资源，协调自然与人类的关系。 geography 一词源自希腊文 geo(大地)和 graphein(描述)。描述地球表面的科学。地理学描述和分析发生在地球表面上的自然、生物和人文现象的空间变化，探讨它们之间的相互
2、关系及其重要的区域类型。 随着科学技术的进步、各国各地区经济开发和建设以及环境管理和保护的需要，地貌学将成为一门有坚实的理论基础、应用理论的基础性学科，也是一门与生产实际紧密联系的应用性学科，学科的内容和结构也将发生变化。 地球表面是一个不均一的层面，存在着明显的区域分异。造成地球表面不均一和区域分异的主要原因是太阳能在地球表面分布的不均匀性和地球内能分布的不均匀性。人类是在一定的自然地理环境中生存和发展的，因此人类的体制和社会、政治、经济、文化等活动都存在着明显的区域差异。比如人种的差异、生活方式的差异等等。 在有，地球表面也是在不断变化的。在地球表面形成过程中，大陆与海洋的面积和位置几经变
3、迁，气候历经了炎热与寒冷、湿润与干旱的多次交替，生物由海洋发展到陆地，有简单到复杂、由低级到高级。 自然地理的变化影响人文地理、人文地理也反作用于自然地理。特别是在现代工业化时期，人类的活动是地球表面发生深刻的变化，一方面控制或减轻了某些自然灾害，另一方面诸如森林的砍伐、污染、荒漠化等等情况的出现，破坏了自然生态系统的平衡。随着人口的急剧增加、资源的大量消耗，人类的影响程度还在加剧。 地貌学不限于研究地球表面的各个要素，更重要的是把它作为统一的整体，综合地研究其组成要素及它们的空间组合。它着重于研究各要素之间的相互作用、相互关系以及地表综合体的特征和时、空变化规律。地貌学的综合性研究分为不同的
4、层次，层次不同，综合的复杂程度也不同。高层次的综合研究，即人地相关性的研究，是地貌学所特有的。 二、水系分析的意义以及水系与地貌之间内在联系 1 水分析意义与遥感技术1.1 遥感技术进行水环境质量监测水体遥感监测原理、特点。影响水质的参数有：水中悬浮物、藻类、化学物质、溶解性有机物、热释放物、病原体和油类物质等。随着遥感技术的革新和对物质光谱特征研究的深入，可以监测的水质参数种类也在逐渐增加，除了热污染和溢油污染等突发性水污染事故的监测外，用遥感监测的水质数据大致可以分为以下四大类：浑浊度、浮游植物、溶解性有机物、化学性水质指标。利用遥感技术进行水环境质量监测的主要机理是被污染水体具有独特的有
5、别于清洁水体的光谱特征，这些光谱特征体现在其对特定波长的光的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在遥感图象中体现出来。如当水体出现富营养化时，浮游植物中的叶绿素对近红外波段具有明显的“陡坡效应” ，故而这类水体兼有水体和植物的光谱特征，即在可见光波段反射率低，在近红外波段反射率却明显升高。水质参数的遥感监测过程。首先，根据水质参数选择遥感数据，并获得同期内的地面监测的水质分析数据。现今广泛使用的遥感图象波段较宽，所反映的往往是综合信息，加之太阳光、大气等因素的影响，遥感信息表现的不甚明显，要对遥感数据进行一系列校正和转换将原始数字图像格式转换为辐射值或反射率值。然后根据经验选择不同
6、波段或波段组合的数据与同步观测的地面数据进行统计分析，再经检验得到最后满意的模型方程。水质遥感监测常用的遥感数据多光谱遥感数据。在水质遥感监测中常用的多光谱遥感数据，包括美国 Landsat 卫星的 MSS、TM、ETM+ 数据，法国 SPOT 卫星的 HRV数据，气象卫星 NOAA 的 AVHRR 数据，印度遥感 IRS 系统的 LISS 数据，日本 JERS 卫星的 OPS(光学传感器)接收的多光谱图像数据，中巴地球资源 1 号卫星（CBERS-1）CCD 相机数据等。SPOT 地球观测卫星系统，较陆地卫星最大的优势是最高空间分辨率达 10m。SPOT 数据应用于水质研究中，学者们也做了一
7、些研究。如可以利用 SPOT 数据来估算悬浮物质浓度和估计藻类生物参数。AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)是装载在 NOAA 列卫星上的传感器，每天都可以提供可见光图像和两幅热红外图像，在水质监测等许多领域广泛应用，如 1986 年，国家海洋局第二海洋研究所用 NOAA 数据对杭州湾悬浮固体浓度进行了研究。成像光谱仪也称高光谱成像仪，实质上是将二维图像和地物光谱测量结合起来的图谱合一的遥感技术，其光谱分辨率高达纳米数量级。国内外的学者主要利用的有：美国的 AVIRIS 数据、加拿大的 CASI 数据、芬兰的 AISA 数据、中国的 PHI 数据以及 OMIS 数据、SEAWIFS 数据等进行了
8、水体水质遥感研究，对一些水质参数，如叶绿素浓度、悬浮物浓度、溶解性有机物作了估测 新型卫星遥感数据。新的卫星陆续升空为水质遥感监测提供了更高空间、时间和光谱分辨率的遥感数据。如美国的 Landsat ETM+、EO-1ALI、MODIS，欧空局的 Envlsat MERIS 等多光谱数据和美国的 EO-1Hyperion 高光谱数据。Koponen 用 AISA 数据模拟 MERIS 数据对芬兰南部的湖泊水质进行分类，结果表明分类精度和利用 AISA 数据几乎相同；Hanna 等利用 AISA 数据模拟 MODIS 和 MERIS 数据来研究这两种数据在水质监测中的可用性时发现；MERIS 以
9、 705nm 为中心的波段 9 很适合用来估算叶绿素 a 的浓度，但是利用模拟的 MODIS 数据得到的算法精度并不高。Sabine 等把 CASI 数据和 HyMap 数据结合，对德国梅克莱堡州湖区水质进行了监测，为营养参数和叶绿素浓度的定量化建立了算法。1.2 遥感在未来水文发展中的运用近年来随着国家对水文事业的发展有很大的鼓励和支持，水文事业得到了长足的发展，水文事业在不断创新和改革，逐渐对新技术和新科学的利用。水文工作逐步开始改变传统工作方式和设备，利用新的科学技术建立多层次、多方面水文信息网，以先进的遥感技术更准确的弥补水文工中的不足，是水文工作，自动化、智能化、高质量、高效率快速发
10、展最有效的途径。遥感技术是六十年代发展起来的一门新兴的综合性探测技术，它与空间科学，近代物理、电子计算技术等新的科学技术密切相关，是近代科学技术最新成就的综合成果，遥感技术，特别是航天遥感的发展，使人们能从宇宙空间的高度上，大范围、快读、周期性地探测地球上各种现象及其变化，使人类对地球科学的研究进入了一个新阶段。水文遥感是遥感技术应用于水文科学领域的总称。世界上许多国家都十分重视遥感技术在水文上的应用。因此，遥感技术也将对水文水资源水环境科学的发展起积极的推进作用。随着空间技术的飞速发展，近几十年来，人们越来越重视遥感技术在水文水资源方面的应用。70 年代末，美国科学院在探讨遥感技术在地学领域
11、的应用报告中指出：“水文学在理论研究和资料收集手段方面存在大量问题，只有通过空间技术和遥感手段才能解决”。遥感技术在水文水资源方面的应用，有着广阔的前景。如水资源的调查与监测；流域规划及流域生态环境的演化；防洪抗旱中的洪水、旱情的监测；水质监测及水环境分析；洪水预报；河流、湖库、沼泽、冰雪等的变化与演变等等，都可以应用遥感方法来研究。水文水资源遥感的特点是：动态遥感，定量分析、遥感、遥测、遥控的综合应用，与地理信息系统全球定位系统相结合。因此，水文水资源遥感比较复杂，所涉及的技术领域更广，要求的地面分辨率更高，实时处理的时段更短。1.3 利用遥感技术进行流域及水系状况的调查流域状况表示水文要素
12、形成的下垫面条件；水系状况反映了河道特征。根据卫星像片可以较准确地查清流域范围、流域概况（包括地形、土壤、植被等情况）、流域面积、河长、河网密度、水体面积及河宽、河流弯曲度等流域及水系状况。尤其在人迹罕到的荒漠、冰川、沼泽、高山地区，进行地面测量甚至航测都有困难，而利用卫片有突出的优点。水系是由河流的干流和各级直流，流域内的湖泊、沼泽等形成彼此连接的一个系统。在卫星图像上，水系的形态特征和密度。一般分三种类型：树枝状水系，表现为直流与主流的锐角表现为支流与主流以直角或近似直角相交，主要分布在垂直交叉的断裂、裂隙发育的沉积岩地区；放射状水系表现为从中心向外呈放射状，主要分布在火山，孤山和穹形隆起
13、地区。例如，在青藏铁路查勘中，应用卫片分析格尔木河流域受昆仑山纬向构造体系的影响，河流呈东西流向，梳状水系明显；在拉萨河流域，受两组交叉断裂带控制，呈网格水系，而且流域面积及河源都有较大的变动。水资源是人类社会赖以生存的发展的最重要的自然资源。随着工业化、都市化的发展，水资源问题日益引起人们的高度重视。查清水资源的数量和分布，是合理开发利用水资源的先决条件。许多国家的实践认为，应用遥感技术的多样性是查清水体表面、尤其是河流、湖泊、水库、沼泽的水资源的最好方法之一。根据遥感技术的多样性，使用不同波段，不同类型的的遥感资料。对快速探测水资源分布是极有效的。根据遥感技术的多样性，使用不同波段，不同型
14、号的遥感资料。对快速探测水资源的分布是极有效的。跟据遥感影像的色调、形态标志可以容易判读出各类型的地表水体。在卫星相片多波段图像上，河流、湖泊、沼泽、水库、冰川、冻土和积雪分布式很清楚的。尤其是 MSS6 和 MSS7 及 TM4、TM5 的卫片上。因为，在可见光范围内，水的反射特性有时与其他地面相似，但在红外线区，雪是反射器最强烈的，与无雪的地面也形成了明显的对照。雪和冰川在 MSS457合成的假彩色片上呈白色或淡蓝色，积雪和冰川的消长，通过比较不同时期的影象，可测定消长的面积，结合少量水文测验，还可以估算其消融量。所以，所以液态水和固态水是很容易区分的。1.4 水文遥感技术遥感技术在水文学
15、和水资源研究中的应用。在空中或远处利用传感器收集水体和周围环境的电磁波辐射，经过加工处理,使这种信息成为可识别的数据或影象,通过分析，显示水体分布，反映水文现象的时空变化。收集电磁波辐射的仪器称传感器，如照相机、扫描仪和雷达等。传感器安置在飞机或人造卫星等运载工具内实施遥感工作。水文遥感的特点是感测范围广、获得信息量大、动态监测和信息传递迅速等。 原理 物体由于性质和所处环境不同，对电磁波反射或辐射特性也不同，收集和分析这些电磁波信息，便能识别目标物。处于不同状态和环境的水体反射和辐射电磁波的特性不同，这是水文遥感的基本根据。在可见光与近红外波段，主要根据水体和周围环境对太阳光不同波长反射强度
16、的差异，对被研究的水体进行某一波段或多波段摄影，将获得的数据以影象形式记录下来进行判读分析。这种方法具有较高的几何精度和分辨率，可用来研究水体形态和分布,进行流域水系勘测和制图,通过不同时期相片的比较，可以研究水体变化和水系变迁。在中、远红外波段，主要根据水体和周围环境的辐射强度，利用红外扫描仪或红外辐射计等探测仪器获得被研究水体的热图象。利用这种方法不仅在白天而且在夜间也能进行探测，可用于研究水体分布及热状况，探测土壤水和地下水状态，也可用于水体污染监测等。在微波波段，主要根据水体在不同状态下表面微波发射率不同的特点，利用微波辐射计和雷达等获得水体及某些水文要素的信息。可以用来探测土壤水分、水土流失和河流管理。其中雷达测雨是利用雨滴对雷达发出的电磁波散射效应来测定降水的强度、发展、位置和移动。在水文学中遥感技术的研究内容主要有：水体和周围环境辐射波谱特性的研究；遥感数据处理和分析判读技术的研究；在水文学和水资源研究中遥感数据应用的研究。 应用 主要有
