基于遙感的湖泊水質監測及評價

研究

自然地理學目前一頁\總數三十五頁\編于十三點

一、遙感簡介二、研究概述三、案例簡介

四、問題與展望

報告內容目前二頁\總數三十五頁\編于十三點遙感（RemoteSensing，簡稱RS），就是“遙遠的感知”。是利用一定的技術設備和系統，遠距離獲取目標物的電磁波信息，并根據電磁波的特征進行分析和應用的技術。一、遙感目前三頁\總數三十五頁\編于十三點航天遙感航空遙感近地遙感遙感類型（按照不同的平臺分類）各種遙感平臺示意圖

高空(10-20千米)

中空(5-10千米)

低空(<5千米)

地面目標物

航天平臺

航空平臺

地面平臺

>80千米

目前四頁\總數三十五頁\編于十三點遙感衛星類型—按傳感器特點分類遙感衛星類型—按衛星軌道類型分類遙感衛星類型——按空間分辨率分類目前五頁\總數三十五頁\編于十三點幾種主要地球資源衛星技術指標衛星傳感器波段空間分辨率（米）光譜范圍覆蓋范圍SPOT-5HRG全色B1:greenB2:redB3:nearinfraredB4:short-waveinfrared(SWIR)2.5or5101010200.48-0.710.50-0.590.61-0.680.78-0.891.58-1.7560kmSPOT-4HRVIR全色B1:greenB2:redB3:nearinfraredB4:short-waveinfrared(SWIR)10202020200.61-0.680.50-0.590.61-0.680.78-0.891.58-1.7560kmSPOT-1

SPOT-2

SPOT-3HRV全色B1:greenB2:redB3:nearinfrared102020200.50-0.730.50-0.590.61-0.680.78-0.8960kmLandsat7ETM+全色B1:blueB2:greenB3:redB4:nearinfraredB5:midinfraredB7:midinfraredB6:thermalinfrared153030303030301200.50–0.900.45–0.520.52–0.600.63–0.690.76–0.901.55–1.752.08–2.3510.4-12.5185kmIKONOS全色B1:blueB2:greenB3:redB4:nearinfrared1.04.04.04.04.00.45–0.900.45–0.520.51–0.600.63–0.700.76–0.8511kmQuickBird全色B1:blueB2:greenB3:redB4:nearinfrared0.612.442.442.442.440.45-0.900.45–0.520.52-0.600.63–0.690.76–0.9016.5km目前六頁\總數三十五頁\編于十三點遙感技術的原理

地物在不斷地吸收、發射（輻射）和反射電磁波，并且不同物體的電磁波特性不同。遙感就是根據這個原理，利用一定的技術設備和裝置，來探測地表物體對電磁波的反射和地物發射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠距離識別物體。遙感衛星樹木水體草叢裸露的地表路面建筑物目前七頁\總數三十五頁\編于十三點遙感技術系統及工作流程目前八頁\總數三十五頁\編于十三點遙感技術的特點人工實地調查與利用遙感技術調查的比較人工實地調查利用遙感技術調查花費時間時效性連續性調查人員調查成本調查范圍多少差（慢）好（快）多少高低小，有些地方不能人工調查差，不能全天候觀測好，能全天侯觀測廣，連續性好，能獲得人眼看不到的信息目前九頁\總數三十五頁\編于十三點二、研究目的與研究意義

湖泊是地球上最重要的淡水資源地之一,具有調節河川徑流、發展農業灌溉、提供工業水源和生活飲水、溝通水運、開發旅游業以及維持生物多樣性和生態平衡等多種功能,在國民經濟發展中起著非常重要的作用,是湖泊流域經濟可持續發展和人們賴以生存的重要基礎。湖泊水質監測是掌握湖泊污染程度的必要手段,而傳統的化學特征分析方法是采用離散點概面的方法,在邊界條件較為復雜的湖泊可能不能夠代表所有區域的分布特征,不能夠連續反映整個湖面水質情況,存在一定的缺陷。遙感技術正適合從面上監測,并發展到動態監測的需要,可以大面積、迅速地提供水質信息,成為持久監測區域乃至全球尺度上湖泊、海洋、水庫等水體質量監測的有效手段。是常規水質監測的重要補充,為湖泊生態經濟區政府決策提供科學的依據。目前十頁\總數三十五頁\編于十三點

遙感水質監測的國內外研究進展

自20世紀70年代初開始,遙感技術由海洋水色遙感逐漸應用到內陸地水體研究中,從單純的水域識別逐漸發展到對水質參數進行遙感監測、制圖和預測。隨著遙感技術的發展,對水質參數光譜特征及數學模型研究的不斷深入,遙感水質監測經歷了從物理方法到經驗方法,再到半經驗方法的過程,半經驗方法是90年代后的主要方法。隨著對水體光譜特征研究的不斷深入、算法的改進以及傳感器技術的進步,遙感監測水質從定性逐漸發展到定量,而且可遙感監測的水質參數逐漸增加,從起初的水色遙感(如葉綠素a、懸浮物等)發展到間接遙感水質參數(如總磷、總氮、COD等),預測精度也在不斷提高,正朝水質遙感產業化的方向發展。但是目前仍然依賴大量的地面監測數據,精度還沒有達到商業要求,還未形成較好通用性的模型和算法。目前十一頁\總數三十五頁\編于十三點技術路線

遙感衛星影像收集（TM、ETM+等）遙感圖像的預處理（幾何、輻射、大氣校正等）水體提取遙感水體反射率實驗方案制定水質參數實驗高光譜測量實驗水體實驗（TSS、TN等）光譜測量水質參數數據水體高光譜反射率高光譜特征分析高光譜水質參數反演模型衛星光譜敏感波段或波段組合分析多光譜衛星遙感水質參數反演模型統計模型模型適用性精度分析綜合分析與專題制圖結論與建議目前十二頁\總數三十五頁\編于十三點二、遙感水質監測的基本原理

從圖中可以看出,太陽輻射到達水面的入射光L一包括太陽直射光和天空散射光,其中少部分被水面直接反射返回大氣,形成水面散射光Ls。這種水面散射光帶有少量水體本身的信息,它的強度與水面性質有關,如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰層等。其余的光經折射、透射進入水中,大部分被水分子所吸收和散射,以及被水中懸浮物質、浮游生物等散射、反射、衍射形成水中散射光Lv。它的強度與水的混濁度相關,即與懸浮粒子的濃度和大小有關(隨粒徑相對于光輻射波長的大小,可以產生瑞利和米氏不同的散射),水體混濁度愈大,水下散射光愈強,兩者呈正向相關。衰減后的水中散射光部分到達水體底部(固體物質)形成底部反射光L。,它的強度與水深呈負向相關.且隨著水體混濁度的增大而減小。目前十三頁\總數三十五頁\編于十三點遙感水質監測的基本原理

總輻射水中散射光水體反射率目前十四頁\總數三十五頁\編于十三點

遙感監測的水質參數

描述水的質量參數(即水質參數)通常用水中雜質的種類、成分和數量來表示,分為三大類:物理性水質參數、化學性水質參數和生物學水質參數。物理性水質參數包括溫度、色度、嗅味、水深、透明度、濁度、懸浮物、電導率等;化學性水質參數包括PH、堿度、硬度、陰離子、陽離子、含鹽量、溶解氧、化學需氧量、生化需氧量、總需氧量、重金屬等;生物學水質指標包括葉綠素、細菌總數、各種病原菌和病毒等。到目前為止,并不是所有的水質參數都能被遙感所監測,遙感監測從定性發展到定量,能夠監測到的水質參數包括Chl一a、TSS、SD、溶解性有機物、水中入射與出射光的垂直衰減系數以及一些綜合污染指標,如營養狀態指數等。隨著對水體光譜特的研究深入、算法的改進以及衛星遙感技術的迅速發展,內陸水體中與浮游植物、懸浮物、黃色物質三類污染物相關的可遙感的水質參數有Chl一a、TSS、CDOM、SD、TP、TN、溶解氧(DO)、水溫(T)、化學需氧量(COD5)等。Chla、TSS、CDOM可以找到獨立的光譜特征可以直接進行反演分析,其他水質參數常采用間接反演的方法進行遙感分析。目前十五頁\總數三十五頁\編于十三點遙感水質監測的常用方法

II類水體光學特征比I類水體復雜,因此,用于I類水體的水質遙感反演算法不完全適合于類水體的研究,根據II類水體的特點,利用適合的統計回歸法或引入一些新的數據理論和模型算法,包括神經網絡、主成分分析和生物-光學模型等,并深入進行輻射傳輸理論分析,嘗試解決多元非線性組合問題。目前建立水質監測反演模型的算法有:分析方法、經驗方法和半經驗方法和其他方法(如:非線性最優化法、主成分分析法、人工神經網絡法等較為典型的方法)。目前十六頁\總數三十五頁\編于十三點三、以南四湖水質監測及評價研究為例

南四湖流域概況南四湖位于山東省西南部,是南陽湖、獨山湖、昭陽湖、微山湖四個相互聯貫湖泊的總稱,位于東經116034‘一117021‘;北緯34027’一35020’。攔湖大壩將湖一分為二,壩北為上級湖,壩南為下級湖。南四湖屬于淮河流域泅河水系。南四湖是山東省最大的淡水湖泊,占山東省淡水水域面積的45%。目前十七頁\總數三十五頁\編于十三點（一）、監測點位的布置

目前十八頁\總數三十五頁\編于十三點(二)南四湖湖區遙感數據的獲取與預處理研究采用的遙感圖像數據在中國遙感衛星地面站預訂獲得,保持與地面實地數據監測的同步性或準同步性,數據為2006年11月3日覆蓋整個南四湖湖區的Landsat5號衛星7個波段的TM影像數據。目前十九頁\總數三十五頁\編于十三點一）、大氣糾正

目前二十頁\總數三十五頁\編于十三點二）、水體部分提取

目前二十一頁\總數三十五頁\編于十三點（三）、葉綠素a模型的構建

目前二十二頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十三頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十四頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十五頁\總數三十五頁\編于十三點（四）、懸浮物反演模型的構建與應用

目前二十六頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十七頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十八頁\總數三十五頁\編于十三點目前二十九頁\總數三十五頁\編于十三點（五）南四湖富營養化程度評價研究

目前三十頁\總數三十五頁\編于十三點南四湖水體富營養狀況評價

目前三十一頁\總數三十五頁\編于十三點目前三十二頁\總數三十五頁\編于十三點（六）結論從葉綠素a的濃度分布情況看,南四湖下級湖水質明顯好于上級湖。從懸浮物的濃度分布情況看,南四湖下級湖水質明顯好于上級湖。南四湖整個湖區已大面積出現富營養化現象。總體研究表明,南四湖水體中葉綠素a和懸浮物總體含量較高,水體已呈現富營養化狀態,且南四湖的下級湖水質情況總體好于上級湖。目前三十三頁\總數三十五頁\編于十三點四、存在的問題與展望由于內陸水體本身的光譜特性復雜,輻射信息受大