遙感湖泊水質(zhì)的監(jiān)測

1、編輯課件1基于遙感的湖泊水質(zhì)監(jiān)測及評價研究 自然地理學編輯課件2 一一 、 遙感簡介遙感簡介 二、二、 研究概述研究概述 三、案例簡介三、案例簡介 四、問題與展望四、問題與展望 報告內(nèi)容報告內(nèi)容編輯課件3 遙感（遙感（Remote Sensing，簡稱，簡稱RS），就是，就是“遙遠的感知遙遠的感知”。是利用一定的技術(shù)。是利用一定的技術(shù)設(shè)備和系統(tǒng)，遠距離獲取目標物的電磁波信設(shè)備和系統(tǒng)，遠距離獲取目標物的電磁波信息，并根據(jù)電磁波的特征進行分析和應(yīng)用的息，并根據(jù)電磁波的特征進行分析和應(yīng)用的技術(shù)。技術(shù)。一、遙感一、遙感編輯課件4遙感類型（按照不同的平臺分類）（按照不同的平臺分類）各種遙感平臺示意圖 高

2、空 (10 -20 千米 ) 中空 (5 -10 千米 ) 低空 (80 千米 編輯課件5遙感衛(wèi)星類型按傳感器特點分類遙感衛(wèi)星類型按衛(wèi)星軌道類型分類遙感衛(wèi)星類型按空間分辨率分類編輯課件6幾種主要地球資源衛(wèi)星技術(shù)指標衛(wèi)星衛(wèi)星傳感器傳感器波段波段空間分辨率（米）空間分辨率（米）光譜范圍光譜范圍覆蓋范圍覆蓋范圍SPOT-5HRG全色B1: greenB2: redB3:near infraredB4:short-wave infrared (SWIR)2.5 or 5101010200.48 - 0.710.50 - 0.590.61 - 0.680.78 - 0.891.58 - 1.7560 k

3、mSPOT-4HRVIR全色B1: greenB2: redB3:near infraredB4:short-wave infrared (SWIR)10202020200.61 - 0.680.50 - 0.590.61 - 0.680.78 - 0.891.58 - 1.7560 kmSPOT-1SPOT-2SPOT-3HRV全色B1: greenB2: redB3:near infrared102020200.50 - 0.730.50 - 0.590.61 - 0.680.78 - 0.8960kmLandsat 7ETM+全色B1: blueB2: greenB3: redB4:ne

4、ar infrared B5: mid infraredB7: mid infraredB6:thermal infrared153030303030301200.50 0.900.45 0.520.52 0.600.63 0.690.76 0.901.55 1.752.08 2.3510.4 - 12.5185 kmIKONOS全色B1: blueB2: greenB3:redB4:near infrared1.04.04.04.04.00.45 0.900.45 0.520.51 0.600.63 0.700.76 0.8511 kmQuickBird全色B1: blueB2: green

5、B3: redB4:near infrared0.612.442.442.442.440.45 - 0.900.45 0.520.52 - 0.600.63 0.690.76 0.9016.5 km 編輯課件7遙感技術(shù)的原理遙感技術(shù)的原理 地物在不斷地吸收、發(fā)射（輻射）和反射電地物在不斷地吸收、發(fā)射（輻射）和反射電磁波，并且不同物體的電磁波特性不同。磁波，并且不同物體的電磁波特性不同。 遙感就是根據(jù)這個原理，利用一定的技術(shù)設(shè)遙感就是根據(jù)這個原理，利用一定的技術(shù)設(shè)備和裝置，來探測地表物體對電磁波的反射和地備和裝置，來探測地表物體對電磁波的反射和地物發(fā)射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完物發(fā)射的

6、電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠距離識別物體。成遠距離識別物體。遙感衛(wèi)星樹木水體草叢裸露的地表路面建筑物編輯課件8遙感技術(shù)系統(tǒng)及工作流程遙感技術(shù)系統(tǒng)及工作流程編輯課件9遙感技術(shù)的特點遙感技術(shù)的特點人工實地調(diào)查與利用遙感技術(shù)調(diào)查的比較人工實地調(diào)查與利用遙感技術(shù)調(diào)查的比較人工實地調(diào)查人工實地調(diào)查利用遙感技術(shù)調(diào)查利用遙感技術(shù)調(diào)查花費時間花費時間時效性時效性連續(xù)性連續(xù)性調(diào)查人員調(diào)查人員調(diào)查成本調(diào)查成本調(diào)查范圍調(diào)查范圍多多少少差（慢）差（慢）好（快）好（快）多多少少高高低低小，有些地方不能人工調(diào)查小，有些地方不能人工調(diào)查差，不能全天候觀測差，不能全天候觀測好，能全天侯觀測好，能全天侯觀測廣，連續(xù)性

7、好，能獲得人眼看不到的信息廣，連續(xù)性好，能獲得人眼看不到的信息編輯課件10二、研究目的與研究意義二、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(diào)節(jié)河川徑流、發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉、提供工業(yè)水源和生活飲水、溝通水運、開發(fā)旅游業(yè)以及維持生物多樣性和生態(tài)平衡等多種功能,在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著非常重要的作用,是湖泊流域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和人們賴以生存的重要基礎(chǔ)。 湖泊水質(zhì)監(jiān)測是掌握湖泊污染程度的必要手段,而傳統(tǒng)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(qū)域的分布特征,不能夠連續(xù)反映整個湖面水質(zhì)情況,存在一定的缺陷。遙感技術(shù)正適合從面上監(jiān)測,并發(fā)展到動態(tài)監(jiān)測的

8、需要,可以大面積、迅速地提供水質(zhì)信息,成為持久監(jiān)測區(qū)域乃至全球尺度上湖泊、海洋、水庫等水體質(zhì)量監(jiān)測的有效手段。是常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測的重要補充,為湖泊生態(tài)經(jīng)濟區(qū)政府決策提供科學的依據(jù)。ZONDY CYBER GROUP CO.,LTD編輯課件 遙感水質(zhì)監(jiān)測的國內(nèi)外研究進展遙感水質(zhì)監(jiān)測的國內(nèi)外研究進展 自20世紀70年代初開始,遙感技術(shù)由海洋水色遙感逐漸應(yīng)用到內(nèi)陸地水體研究中,從單純的水域識別逐漸發(fā)展到對水質(zhì)參數(shù)進行遙感監(jiān)測、制圖和預測。 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,對水質(zhì)參數(shù)光譜特征及數(shù)學模型研究的不斷深入,遙感水質(zhì)監(jiān)測經(jīng)歷了從物理方法到經(jīng)驗方法,再到半經(jīng)驗方法的過程,半經(jīng)驗方法是90年代后的主要方法。隨著對

9、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(shù)的進步,遙感監(jiān)測水質(zhì)從定性逐漸發(fā)展到定量,而且可遙感監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)逐漸增加,從起初的水色遙感(如葉綠素a、懸浮物等)發(fā)展到間接遙感水質(zhì)參數(shù)(如總磷、總氮、COD等),預測精度也在不斷提高,正朝水質(zhì)遙感產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。但是目前仍然依賴大量的地面監(jiān)測數(shù)據(jù),精度還沒有達到商業(yè)要求,還未形成較好通用性的模型和算法。ZONDY CYBER GROUP CO.,LTD編輯課件技技術(shù)術(shù)路路線線 遙感衛(wèi)星影像收集遙感衛(wèi)星影像收集（TM、ETM+等）等）遙感圖像的預處理遙感圖像的預處理（幾何、輻射、大（幾何、輻射、大氣校正等）氣校正等）水體提取水體提取遙感水

10、體反射率遙感水體反射率實驗方案制定實驗方案制定水質(zhì)參數(shù)實驗水質(zhì)參數(shù)實驗高光譜測量實驗高光譜測量實驗水體實驗水體實驗（TSS、TN等）等）光譜測量光譜測量水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)水體高光譜反射率水體高光譜反射率高光譜特征分析高光譜特征分析高光譜水質(zhì)參數(shù)高光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型反演模型衛(wèi)星光譜敏感波段或波段組合分析衛(wèi)星光譜敏感波段或波段組合分析多光譜衛(wèi)星遙感水質(zhì)參數(shù)反演模型多光譜衛(wèi)星遙感水質(zhì)參數(shù)反演模型統(tǒng)計模型統(tǒng)計模型模型適用性模型適用性精度分析精度分析綜合分析與專題制圖綜合分析與專題制圖結(jié)論與建議結(jié)論與建議編輯課件13二、遙感水質(zhì)監(jiān)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

11、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(zhì)有關(guān),如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰層等。其余的光經(jīng)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(zhì)、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(guān),即與懸浮粒子的濃度和大小有關(guān)(隨粒徑相對于光輻射波長的大小,可以產(chǎn)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(guān)。衰減后的水中散射光部分到達水體底部(固體物質(zhì))形成底部反射光L。,它的強度與水深呈負向相關(guān).且隨著水體混濁度的增大而減小。編輯課件14

12、遙感水質(zhì)監(jiān)測的基本原理總輻射水中散射光水體反射率編輯課件15遙感監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù) 描述水的質(zhì)量參數(shù)(即水質(zhì)參數(shù))通常用水中雜質(zhì)的種類、成分和數(shù)量來表示,分為三大類:物理性水質(zhì)參數(shù)、化學性水質(zhì)參數(shù)和生物學水質(zhì)參數(shù)。物理性水質(zhì)參數(shù)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(zhì)參數(shù)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(zhì)指標包括葉綠素、細菌總數(shù)、各種病原菌和病毒等。到目前為止,并不是所有的水質(zhì)參數(shù)都能被遙感所監(jiān)測,遙感監(jiān)測從定性發(fā)展到定量,能夠監(jiān)測到的水質(zhì)參數(shù)包括Chl一a、TSS、SD、溶解性有機物、水中入射

13、與出射光的垂直衰減系數(shù)以及一些綜合污染指標,如營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等。隨著對水體光譜特的研究深入、算法的改進以及衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展,內(nèi)陸水體中與浮游植物、懸浮物、黃色物質(zhì)三類污染物相關(guān)的可遙感的水質(zhì)參數(shù)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(zhì)參數(shù)常采用間接反演的方法進行遙感分析。編輯課件16遙感水質(zhì)監(jiān)測的常用方法 I I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(zhì)遙感反演算法不完全適合于類水體的研究,根據(jù)I I類水體的特點,利用適合的統(tǒng)計回歸法或引

14、入一些新的數(shù)據(jù)理論和模型算法,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(zhì)監(jiān)測反演模型的算法有:分析方法、經(jīng)驗方法和半經(jīng)驗方法和其他方法(如:非線性最優(yōu)化法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等較為典型的方法)。編輯課件17三、以南四湖水質(zhì)監(jiān)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(lián)貫湖泊的總稱,位于東經(jīng)116034一117021;北緯34027一350 20 。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

15、淡水水域面積的45%。編輯課件18（一）、監(jiān)測點位的布置編輯課件19(二)南四湖湖區(qū)遙感數(shù)據(jù)的獲取與預處理研究采用的遙感圖像數(shù)據(jù)在中國遙感衛(wèi)星地面站預訂獲得,保持與地面實地數(shù)據(jù)監(jiān)測的同步性或準同步性,數(shù)據(jù)為2006年11月3日覆蓋整個南四湖湖區(qū)的Landsat5號衛(wèi)星7個波段的TM影像數(shù)據(jù)。編輯課件20一）、大氣糾正編輯課件21二）、水體部分提取編輯課件22（三）、葉綠素a模型的構(gòu)建編輯課件23編輯課件24編輯課件25編輯課件26（四）、懸浮物反演模型的構(gòu)建與應(yīng)用編輯課件27編輯課件28編輯課件29編輯課件30（五）南四湖富營養(yǎng)化程度評價研究編輯課件31南四湖水體富營養(yǎng)狀況評價編輯課件32編輯

16、課件33（六）結(jié)論從葉綠素a的濃度分布情況看,南四湖下級湖水質(zhì)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(zhì)明顯好于上級湖。南四湖整個湖區(qū)已大面積出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象?？傮w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(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài),且南四湖的下級湖水質(zhì)情況總體好于上級湖。編輯課件34四、存在的問題與展望由于內(nèi)陸水體本身的光譜特性復雜, 輻射信息受大氣散射的影響嚴重, 常規(guī)遙感器分辨率較低, 高光譜遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)不夠成熟等原因, 遙感在內(nèi)陸水體監(jiān)測中的應(yīng)用遠不如在地質(zhì)、生態(tài)、海洋等領(lǐng)域成熟, 存在的問題有: 1)水體光學特性的機理研究很少。2) 水質(zhì)定量遙感反演的指標種類少, 可遙感的水質(zhì)參數(shù)可行性分析研究幾乎空白。3) 反演方法以經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法為主, 分析方法方面的研究較少。編輯課件35四、存在的問題與展望1) 系統(tǒng)而深入地研究內(nèi)陸水質(zhì)參數(shù)的光譜特征及光譜分析技術(shù)。2) 完善高光譜