湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、湖泊是地球上重要的淡水資源，但隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化程度的加劇以及人為活動(dòng)的影響，湖泊污染和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，因此必須加強(qiáng)湖泊水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和治理。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)耗時(shí)耗力，并且很難反映湖泊的整體水質(zhì)狀況，而遙感技術(shù)可以快速、及時(shí)的提供整個(gè)湖區(qū)的水質(zhì)狀況，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低和便于進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的特殊優(yōu)勢(shì)，在湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。 本文在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)已有的理論、技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了湖泊

2、水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)。該指標(biāo)體系包括葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)、水溫、水深等指標(biāo)，其中葉綠素a和懸浮物是影響水體光譜特征的主要物質(zhì)，同時(shí)也是研究和應(yīng)用中比較成熟的水質(zhì)參數(shù)。 研究以太湖為實(shí)驗(yàn)區(qū)，通過(guò)對(duì)太湖水體實(shí)測(cè)光譜的分析，揭示了太湖水體光學(xué)反射特征，這是遙感定量監(jiān)測(cè)太湖水質(zhì)的前提和基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，550nm、660nm以及690nm附近的波段與葉綠素a濃度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，而570nm與700nm附近的波段與懸浮物高度相關(guān)。

3、與單波段相比，波段組合算法(包括波段比值、差值、和差組合等)與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性有明顯的提高。 MODIS數(shù)據(jù)以其較高的時(shí)間分辨率、輻射分辨率和較多的波段設(shè)置成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)最具有潛力的數(shù)據(jù)源之一。本文將經(jīng)過(guò)大氣糾正(直方圖最小值去除法)的MODIS波段反射率進(jìn)行組合，并分別與葉綠素a和懸浮物濃度進(jìn)行相關(guān)分析。通過(guò)數(shù)百種波段組合的試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)MODIS陸地波段1-4(包括250m和500m數(shù)據(jù))對(duì)水質(zhì)參數(shù)反應(yīng)比較靈敏，本文對(duì)此進(jìn)行

4、了分析和篩選，從中選擇出最佳反演波段及波段組合。 由于太湖水體光譜特征的季節(jié)性差異明顯，研究提出了分期建模的思想，結(jié)合四期地面采樣數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)回歸方法針對(duì)不同季節(jié)構(gòu)建了相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)反演模型。所建模型在通用性上存在一定不足，但是較好地體現(xiàn)了所在季節(jié)太湖水體的光學(xué)特性。 太湖水體光學(xué)特征復(fù)雜，利用統(tǒng)計(jì)回歸方法難以精確地描述光譜反射率與水體組分之間的關(guān)系。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具備自適應(yīng)、自組織性和容錯(cuò)性能，正適合模擬這種錯(cuò)

5、綜復(fù)雜的關(guān)系。本研究通過(guò)大量的訓(xùn)練和測(cè)試，采用MODIS250m兩個(gè)波段和500m前四個(gè)波段分別構(gòu)建了適合太湖水體水質(zhì)參數(shù)反演的兩層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，反演精度令人滿意。 為了探測(cè)太湖水質(zhì)的發(fā)展演變趨勢(shì)，研究應(yīng)用所建模型以及多時(shí)相MODIS數(shù)據(jù)對(duì)太湖水體中的葉綠素a和懸浮物含量，以及太湖的水質(zhì)狀況進(jìn)行了變化監(jiān)測(cè)研究。同時(shí)，對(duì)太湖展開(kāi)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)2004年太湖全年內(nèi)的水質(zhì)變異特征進(jìn)行了分析，指出7、8月份是太湖優(yōu)勢(shì)水體類型(

6、Ⅳ類水體)變化幅度最大的時(shí)段。 在葉綠素a、懸浮物等水質(zhì)遙感指標(biāo)反演的基礎(chǔ)上，本文討論了其與水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，并分別采用TSI、TSIM以及TLI等評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)太湖水體夏秋兩季的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了遙感評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，太湖夏季水體富營(yíng)養(yǎng)化程度十分嚴(yán)重，秋季水體相對(duì)較好。通過(guò)分析比較，認(rèn)為TLI指數(shù)綜合考慮了Chla、TP、TN、SD、CODMn等指標(biāo)，適于用來(lái)評(píng)價(jià)太湖水體的營(yíng)養(yǎng)狀況。 基于上述研究，本文構(gòu)建了一