城市景體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的模型及其應(yīng)用研究結(jié)題報(bào)告書

1、長安大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告 項(xiàng)目名稱： 城市景體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的模型 及其應(yīng)用研究 項(xiàng)目類別： 創(chuàng)新訓(xùn)練 創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練 創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目編號(hào)： 201210710118 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 李晨龍 專業(yè)班級(jí)： 所屬學(xué)院： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 執(zhí)行年限：2012 年 4 月28日 至 2014 年4 月28日 電 話:e-mail: 2580937855 填表日期： 2013年12月6日 長安大學(xué)教務(wù)處制一、 基本情況項(xiàng)目名稱城市景觀水體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測模型的研究成果形式論文立項(xiàng)時(shí)間2012 年 4 月 28日完成時(shí)間2014年4 月 28日鑒定時(shí)

2、間 年 月 日項(xiàng)目主要研究人員序號(hào)姓 名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)所在學(xué)院項(xiàng)目分工1李晨龍201129040203化學(xué)工程與工藝2班環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2馬凱201129040204化學(xué)工程與工藝2班環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院3朱海昌201129040216化學(xué)工程與工藝2班環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院4趙珊201129040226化學(xué)工程與工藝2班環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院5溫婷婷201129030124建筑環(huán)境于設(shè)備工程環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院二、 研究過程簡介研究目的 本研究以城市景觀水體為靶區(qū)，以多光譜數(shù)據(jù)遙感反演為主要方法，通過尺度轉(zhuǎn)換，水質(zhì)分析，開展水質(zhì)定量遙感監(jiān)測和對水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)識(shí)別的方法和技術(shù)研究，探索城市景觀水體富

3、營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的便捷方法，通過發(fā)展適合城市景觀水體水質(zhì)定量遙感監(jiān)測的波段分析和構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)與遙感水質(zhì)監(jiān)測同步完成的城市景觀水體營養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)價(jià)識(shí)別，搭建一個(gè)基層水利、環(huán)境及其它相關(guān)業(yè)務(wù)管理部門易于掌握的，具有可操作性的多光譜城市景觀水質(zhì)遙感監(jiān)測平臺(tái)。研究意義城市景觀水體是營造城市優(yōu)美景觀，為城市居民提供休閑游憩的場所，主要包括城市里的天然湖泊、人工湖泊、景觀池塘、景觀河道等。城市景觀水體多為靜止或流動(dòng)性差的封閉緩流水體，水域面積小、水深較淺、水環(huán)境容量小、自凈能力差、容易出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。一旦發(fā)生，水體顏色泛綠，發(fā)出難聞的腥臭味，嚴(yán)重影響周邊的自然環(huán)境和人居環(huán)境，喪失了水體的景

4、觀功能。由于地表水體存在富營養(yǎng)化問題，其中的氨氮、總磷、總氮、化學(xué)需氧量等有機(jī)物質(zhì)會(huì)以水為介質(zhì)，在下滲過程中，透過地層進(jìn)入地下水中。雖然地表水在經(jīng)過地層變?yōu)榈叵滤倪^程中或多或少得到一定凈化，但是地下水的水質(zhì)還會(huì)受到不小的影響。為了發(fā)揮城市景觀水體功能，營造優(yōu)美城市環(huán)境，有效防治地下水進(jìn)一步污染，對城市景觀水體水質(zhì)做到快捷準(zhǔn)確監(jiān)測和及時(shí)治理就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的城市景觀水體水質(zhì)監(jiān)測采用實(shí)地、點(diǎn)上采樣和實(shí)驗(yàn)室分析等手段，這類監(jiān)測方法有一定的準(zhǔn)確性，但容易受局部擾動(dòng)的影響，不能反映整個(gè)水體生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，不能滿足對水質(zhì)實(shí)時(shí)、大尺度監(jiān)測評(píng)價(jià)要求。遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，給水質(zhì)

5、的監(jiān)測評(píng)價(jià)提供了新的機(jī)遇與選擇。水質(zhì)遙感監(jiān)測是利用經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)或者物理分析的方法，選擇合適的遙感波段數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)參數(shù)的遙感估測模型來反演水體中的水質(zhì)參數(shù)濃度。水質(zhì)遙感監(jiān)測方法可以反映水質(zhì)在空間和時(shí)間上的分布和變化情況，發(fā)現(xiàn)其它一些方法難以揭示的污染源和污染物遷移特征，具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，既可以滿足大范圍水質(zhì)監(jiān)測的需要，也可以動(dòng)態(tài)跟蹤污染事件的發(fā)生、發(fā)展。如何針對城市景觀水體，通過多光譜遙感監(jiān)測技術(shù)和地面準(zhǔn)同步水質(zhì)分析技術(shù)的科學(xué)組裝，實(shí)現(xiàn)對水體富營養(yǎng)化的方便快捷監(jiān)測，及時(shí)地掌握城市景觀水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)，是探索切實(shí)有效的修復(fù)方法改善其水質(zhì),恢復(fù)并提高水體

6、生態(tài)系統(tǒng)景觀功能與價(jià)值,以提高其生態(tài)環(huán)境效益與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。因此，應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)變化機(jī)理研究，進(jìn)而研究水資源的合理利用和保護(hù)，有效防治地下水進(jìn)一步污染，維護(hù)地下水安全，成為當(dāng)前國際、國內(nèi)遙感界的研究熱點(diǎn)之一。本研究以位于西安市區(qū)的漢城湖、興慶湖、護(hù)城河、曲江池、未央湖、蓮湖公園、渭河咸陽段、豐慶公園及革命公園等景觀水體為研究對象，主要應(yīng)用多時(shí)相的多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過尺度轉(zhuǎn)換等方法，進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的遙感信息提取和定量反演研究，引入數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，揭示城市景觀水體富營養(yǎng)化過程中隱含的客觀規(guī)律，利用一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)法-支持向量機(jī)（svm-support vector mac

7、hine）1-5及模糊模式識(shí)別交叉迭代模型對遙感反演的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的模糊模式識(shí)別，構(gòu)建一個(gè)適合于城市景觀水體水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測與富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)識(shí)別的計(jì)算準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定的計(jì)算模型。通過以上研究，回答科學(xué)與生產(chǎn)中的幾個(gè)實(shí)際問題：城市景觀水體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的機(jī)理模型是什么？如何進(jìn)行城市景觀水體水質(zhì)參數(shù)敏感波段分析與選擇及如何建立基于定量遙感反演技術(shù)的城市景觀水體富營養(yǎng)化快捷綜合評(píng)價(jià)方法與模型？從而全面及時(shí)地掌握城市景觀水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)，揭示水體富營養(yǎng)化形成的機(jī)理和發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為制定具有時(shí)效性的控制水體富營養(yǎng)化的治理措施提供科學(xué)依據(jù)。研究報(bào)告見附件一研究結(jié)論富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別和

8、監(jiān)測是治理水體富營養(yǎng)化危害的主要依據(jù)，隨著城市景觀水體富營養(yǎng)化問題的日益嚴(yán)重，城市景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別和監(jiān)測成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必須解決的重大問題。水質(zhì)遙感監(jiān)測方法具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低、便于進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測的特殊優(yōu)勢，在城市景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別和監(jiān)測中具有巨大的應(yīng)用潛力。本文在總結(jié)分析國內(nèi)外水質(zhì)遙感監(jiān)測和湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)識(shí)別研究領(lǐng)域已有的理論、技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，將西安市景觀水體作為研究區(qū)，以富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別指標(biāo)總氮(tn)、總磷(tp)、葉綠素 a(chl-a)、和透明度(sd)為研究對象，系統(tǒng)研究了利用 landsat5 etm 遙感數(shù)據(jù)反演景觀水體水質(zhì)組分的方法和技術(shù)

9、。研究內(nèi)容涉及遙感數(shù)據(jù)的獲取及與其同步(準(zhǔn)同步)的地面數(shù)據(jù)采集、遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理、水質(zhì)參數(shù)的光譜特征分析、波段數(shù)據(jù)分析和最佳波段和波段組合的選擇、利用ga-svm方法構(gòu)建水質(zhì)濃度遙感定量反演模型及模型精度的分析和檢驗(yàn)，并將識(shí)別結(jié)果與景觀水體實(shí)際的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行對比分析驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。本文研究重點(diǎn)放在利用ga-svm方法構(gòu)建水質(zhì)濃度遙感定量反演模型和對水質(zhì)濃度遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行富營養(yǎng)化狀態(tài)的識(shí)別研究上。通過以上研究得到如下結(jié)論：（1）本研究以西安市景觀水體為實(shí)驗(yàn)對象，發(fā)展適合水質(zhì)濃度遙感監(jiān)測的多光譜波段分析技術(shù)。采用實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)與水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測光譜數(shù)據(jù)和多光譜遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，選擇水質(zhì)參

10、數(shù)的最佳反演波段和波段組合。研究結(jié)果顯示 tm1tm4 波段數(shù)據(jù)非常適合用來反演景觀水體水質(zhì)指標(biāo)濃度，并且利用波段比值算法計(jì)算的tm1tm4 波段組合數(shù)據(jù)明顯增強(qiáng)了水質(zhì)指標(biāo)遙感反演的靈敏度。（2）將ga-svm方法應(yīng)用于水質(zhì)遙感定量反演模型的建立過程中。通過大量的訓(xùn)練和測試構(gòu)建了適合水質(zhì)濃度遙感反演的svm模型。并將該建模方法應(yīng)用于20002012年西安市不同時(shí)相的 etm 遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)指標(biāo)濃度遙感定量反演研究，反演精度均在控制誤差以內(nèi)，得到了西安市各景觀水體各月不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的分布狀況圖。實(shí)現(xiàn)了不受時(shí)間和地域限制對景觀水體進(jìn)行大范圍的監(jiān)測和評(píng)價(jià)。（3）利用實(shí)測水質(zhì)濃度數(shù)據(jù)，將svm模型應(yīng)

11、用于 20002012年西安市景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的識(shí)別研究。富營養(yǎng)化識(shí)別結(jié)果與2010年4月10月實(shí)際調(diào)查的西安市景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)相符，能夠客觀準(zhǔn)確的反映出水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，驗(yàn)證了模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。對后續(xù)進(jìn)行基于水質(zhì)遙感反演的湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)的模糊模式識(shí)別研究提供了計(jì)算準(zhǔn)確、結(jié)果可靠的評(píng)價(jià)識(shí)別模型。（4）本研究構(gòu)建了一個(gè)基于 etm 數(shù)據(jù)的水質(zhì)遙感監(jiān)測體系，從 tm 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理到水質(zhì)指標(biāo)反演、水體富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別監(jiān)測，監(jiān)測體系中的各個(gè)環(huán)節(jié)均已實(shí)現(xiàn)。該體系為進(jìn)一步開展城市景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)識(shí)別的業(yè)務(wù)化衛(wèi)星監(jiān)測打下了基礎(chǔ)。此外，本文所構(gòu)建的水質(zhì)遙感定量反演 svm經(jīng)過必要的驗(yàn)證

12、和完善后，均可以直接應(yīng)用于其它景觀水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的遙感識(shí)別和監(jiān)測研究。研究的特色1) 研究思路獨(dú)特，解決了城市景觀水體污染監(jiān)測時(shí)間上的連續(xù)性問題，明確掌握了污染物的連續(xù)變化及遷移規(guī)律，為城市地下水污染治理提供了有針對性的資料。重點(diǎn)探討城市景觀水體水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型與遙感水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型的結(jié)合，吸收了水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、遙感與地理信息系統(tǒng)等學(xué)科的研究成果，具有鮮明的多學(xué)科交叉性與綜合性的特點(diǎn)。2) 研究方法創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了城市景觀水體其它方法從點(diǎn)上監(jiān)測到遙感方法面上監(jiān)測的突破。遙感技術(shù)可快速、大范圍、周期性的對湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也可以進(jìn)行長年的不同時(shí)段不同季節(jié)的監(jiān)測對比，能全面及時(shí)地掌握湖泊（

13、水庫）的富營養(yǎng)化狀況；遙感技術(shù)的大部分工作可在室內(nèi)計(jì)算機(jī)上完成，與在現(xiàn)場采集水樣相比，省時(shí)省力。在對同一湖泊的不同水域可同時(shí)完成營養(yǎng)狀態(tài)的監(jiān)測評(píng)價(jià)。各成員承擔(dān)的研究任務(wù)分解水質(zhì)分析及遙感反演模型研究-李晨龍，朱海昌，馬凱采樣點(diǎn)的選擇及室內(nèi)水質(zhì)分析-趙珊，溫婷婷野外采樣及室內(nèi)水質(zhì)分析-馬凱，李晨龍，朱海昌，趙珊，溫婷婷遙感反演及地面驗(yàn)證方案的制定及實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分析-馬凱，朱海昌，李晨龍，趙珊，溫婷婷三、 研究總結(jié)報(bào)告預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行與項(xiàng)目研究實(shí)踐情況 一，資料的收集（2012.4-2012.6） 通過現(xiàn)場勘測和調(diào)研，查找書籍文獻(xiàn)，上網(wǎng)搜索，對課題的研究思路和內(nèi)容有了深入的理解，根據(jù)研究思路與內(nèi)容和研究

14、區(qū)的基礎(chǔ)資料，我們確定了水體取樣的城市:西安，咸陽，渭南，寶雞，收集了研究區(qū)的基礎(chǔ)資料。本研究以城市景觀水體為靶區(qū)，采用多光譜數(shù)據(jù)遙感反演、地面準(zhǔn)同步水質(zhì)監(jiān)測驗(yàn)證等方法，考慮水體空間變異性，通過尺度轉(zhuǎn)換，水質(zhì)分析，以探索適合城市景觀水體水質(zhì)定量遙感監(jiān)測的波段分析和模型構(gòu)建技術(shù)，開展水質(zhì)定量遙感監(jiān)測和水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)識(shí)別方法和技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)與遙感水質(zhì)監(jiān)測的同步完成。 二，資料分析與項(xiàng)目計(jì)劃制定（2012.7-2012.8） 通過對所收集的資料整理分析，確定了課題研究計(jì)劃。該研究項(xiàng)目整個(gè)過程將持續(xù)了兩年。 三，野外實(shí)地調(diào)查（2012.9-2012.10）對西安市，咸陽市，寶雞市，渭南市主要景觀

15、水體進(jìn)行了取樣分析，通過實(shí)驗(yàn)測定，獲取了各個(gè)取樣地點(diǎn)景觀水體的研究指標(biāo)，包括總氮，總磷，葉綠素a，溶解氧含量。 四，樣品分析及數(shù)據(jù)處理（2012.11-2013.7）對于所取樣品進(jìn)行測定，將總氮，總磷，葉綠素a，溶解氧量的具體數(shù)據(jù)得出，最終在對數(shù)據(jù)經(jīng)行計(jì)算處理。 五，撰寫結(jié)題報(bào)告，科技論文（2013.8-2014.4） 根據(jù)研究結(jié)果及數(shù)據(jù)撰寫結(jié)題報(bào)告及科技論文，并對論文進(jìn)行投稿發(fā)表。 研究工作中取得的主要成績和收獲 本創(chuàng)新小組所有成員先后多次到西安，咸陽，渭南，寶雞等地進(jìn)行野外考察和景觀水體樣品的采集，在進(jìn)行深入的理論分析基礎(chǔ)上，建立遙感和水質(zhì)參數(shù)關(guān)系模型，并對水質(zhì)的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并撰

16、寫城市景觀水體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的模型及其應(yīng)用研究，包括研究區(qū)一系列相關(guān)的遙感影像及反映城市景觀水體富營養(yǎng)化變化的地面實(shí)測數(shù)據(jù)，科技論文multispectral data applied in monitoring and evaluating the water trophic state of south lake qujiang based on gasvm已經(jīng)進(jìn)入投稿階段，有望被ei收錄。研究工作存在的不足與改進(jìn)建議 第一階段：存在資料較為繁雜，難于辨別，由于知識(shí)的缺乏，對于資料的理解存在較為大的問題，處于一種發(fā)現(xiàn)問題才進(jìn)行學(xué)習(xí)的狀態(tài)，所以進(jìn)度較慢。 第二階段：對于一些資料的重點(diǎn)

17、不是很明確，導(dǎo)致做計(jì)劃時(shí)有些迷茫，計(jì)劃與實(shí)際情況有一些偏差。 第三階段：對于野外實(shí)地活動(dòng)沒有經(jīng)驗(yàn)，在取樣時(shí)有些細(xì)節(jié)問題注意不到。 第四階段：測定數(shù)據(jù)時(shí)對于實(shí)驗(yàn)室操作不熟練，測數(shù)據(jù)時(shí)往往會(huì)進(jìn)行很多遍。數(shù)據(jù)的分析存在專業(yè)知識(shí)不足的問題，關(guān)于運(yùn)用到統(tǒng)計(jì)學(xué)的東西只能邊學(xué)邊用分析數(shù)據(jù)，進(jìn)度很慢。 第五階段：撰寫論文時(shí)對論文的構(gòu)思，結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容的寫作上都一些問題。尚需深入研究的問題一城市景觀水體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的模型在實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)具體監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步調(diào)整與完善，不斷提高期預(yù)測的準(zhǔn)確度。四、論文及專利登記表序號(hào)姓名論文名稱期刊名稱期刊級(jí)別刊號(hào)發(fā)表時(shí)間本人角色論文類別備注注：1.發(fā)表的論文應(yīng)標(biāo)明“獲得國家級(jí)或省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助” 2. 期刊級(jí)別注明ei收錄、中文核心期刊、省一級(jí)期刊、普通四類 3. 本人角色注明是第幾作者 4. 論文類別包括教育和專業(yè)