遙感湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)

一、遙感簡(jiǎn)介二、研究概述三、案例簡(jiǎn)介

四、問題與展望

報(bào)告內(nèi)容第一頁，共34頁。遙感（RemoteSensing，簡(jiǎn)稱RS），就是“遙遠(yuǎn)的感知”。是利用一定的技術(shù)設(shè)備和系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離獲取目標(biāo)物的電磁波信息，并根據(jù)電磁波的特征進(jìn)行分析和應(yīng)用的技術(shù)。一、遙感第二頁，共34頁。航天遙感航空遙感近地遙感遙感類型（按照不同的平臺(tái)分類）各種遙感平臺(tái)示意圖

高空(10-20千米)

中空(5-10千米)

低空(<5千米)

地面目標(biāo)物

航天平臺(tái)

航空平臺(tái)

地面平臺(tái)

>80千米

第三頁，共34頁。遙感衛(wèi)星類型—按傳感器特點(diǎn)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——按空間分辨率分類第四頁，共34頁。幾種主要地球資源衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)衛(wèi)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第五頁，共34頁。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(gè)原理，利用一定的技術(shù)設(shè)備和裝置，來探測(cè)地表物體對(duì)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，完成遠(yuǎn)距離識(shí)別物體。遙感衛(wèi)星樹木水體草叢裸露的地表路面建筑物第六頁，共34頁。遙感技術(shù)系統(tǒng)及工作流程第七頁，共34頁。遙感技術(shù)的特點(diǎn)人工實(shí)地調(diào)查與利用遙感技術(shù)調(diào)查的比較人工實(shí)地調(diào)查利用遙感技術(shù)調(diào)查花費(fèi)時(shí)間時(shí)效性連續(xù)性調(diào)查人員調(diào)查成本調(diào)查范圍多少差（慢）好（快）多少高低小，有些地方不能人工調(diào)查差，不能全天候觀測(cè)好，能全天侯觀測(cè)廣，連續(xù)性好，能獲得人眼看不到的信息第八頁，共34頁。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(yùn)、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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著非常重要的作用,是湖泊流域經(jīng)濟(jì)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(cè)是掌握湖泊污染程度的必要手段,而傳統(tǒng)的化學(xué)特征分析方法是采用離散點(diǎn)概面的方法,在邊界條件較為復(fù)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(gè)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(cè),并發(fā)展到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要,可以大面積、迅速地提供水質(zhì)信息,成為持久監(jiān)測(cè)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(cè)的有效手段。是常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要補(bǔ)充,為湖泊生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)政府決策提供科學(xué)的依據(jù)。第九頁，共34頁。

遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

自20世紀(jì)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(shí)別逐漸發(fā)展到對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)、制圖和預(yù)測(cè)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,對(duì)水質(zhì)參數(shù)光譜特征及數(shù)學(xué)模型研究的不斷深入,遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了從物理方法到經(jīng)驗(yàn)方法,再到半經(jīng)驗(yàn)方法的過程,半經(jīng)驗(yàn)方法是90年代后的主要方法。隨著對(duì)水體光譜特征研究的不斷深入、算法的改進(jìn)以及傳感器技術(shù)的進(jìn)步,遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)從定性逐漸發(fā)展到定量,而且可遙感監(jiān)測(cè)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(yù)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù),精度還沒有達(dá)到商業(yè)要求,還未形成較好通用性的模型和算法。第十頁，共34頁。技術(shù)路線

遙感衛(wèi)星影像收集（TM、ETM+等）遙感圖像的預(yù)處理（幾何、輻射、大氣校正等）水體提取遙感水體反射率實(shí)驗(yàn)方案制定水質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)高光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)水體實(shí)驗(yàn)（TSS、TN等）光譜測(cè)量水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)水體高光譜反射率高光譜特征分析高光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型衛(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)反演模型統(tǒng)計(jì)模型模型適用性精度分析綜合分析與專題制圖結(jié)論與建議第十一頁，共34頁。二、遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的基本原理

從圖中可以看出,太陽輻射到達(dá)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(duì)于光輻射波長(zhǎng)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(qiáng),兩者呈正向相關(guān)。衰減后的水中散射光部分到達(dá)水體底部(固體物質(zhì))形成底部反射光L。,它的強(qiáng)度與水深呈負(fù)向相關(guān).且隨著水體混濁度的增大而減小。第十二頁，共34頁。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的基本原理

總輻射水中散射光水體反射率第十三頁，共34頁。

遙感監(jiān)測(cè)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(xué)性水質(zhì)參數(shù)和生物學(xué)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(dǎo)率等;化學(xué)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(xué)需氧量、生化需氧量、總需氧量、重金屬等;生物學(xué)水質(zhì)指標(biāo)包括葉綠素、細(xì)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(cè),遙感監(jiān)測(cè)從定性發(fā)展到定量,能夠監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)參數(shù)包括Chl一a、TSS、SD、溶解性有機(jī)物、水中入射與出射光的垂直衰減系數(shù)以及一些綜合污染指標(biāo),如營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等。隨著對(duì)水體光譜特的研究深入、算法的改進(jìn)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(xué)需氧量(COD5)等。Chla、TSS、CDOM可以找到獨(dú)立的光譜特征可以直接進(jìn)行反演分析,其他水質(zhì)參數(shù)常采用間接反演的方法進(jìn)行遙感分析。第十四頁，共34頁。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的常用方法

II類水體光學(xué)特征比I類水體復(fù)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)II類水體的特點(diǎn),利用適合的統(tǒng)計(jì)回歸法或引入一些新的數(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(xué)模型等,并深入進(jìn)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(cè)反演模型的算法有:分析方法、經(jīng)驗(yàn)方法和半經(jīng)驗(yàn)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)。第十五頁，共34頁。三、以南四湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)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(dú)山湖、昭陽湖、微山湖四個(gè)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(jí)湖,壩南為下級(jí)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%。第十六頁，共34頁。（一）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置

第十七頁，共34頁。(二)南四湖湖區(qū)遙感數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理研究采用的遙感圖像數(shù)據(jù)在中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站預(yù)訂獲得,保持與地面實(shí)地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的同步性或準(zhǔn)同步性,數(shù)據(jù)為2006年11月3日覆蓋整個(gè)南四湖湖區(qū)的Landsat5號(hào)衛(wèi)星7個(gè)波段的TM影像數(shù)據(jù)。第十八頁，共34頁。一）、大氣糾正

第十九頁，共34頁。二）、水體部分提取

第二十頁，共34頁。（三）、葉綠素a模型的構(gòu)建

第二十一頁，共34頁。第二十二頁，共34頁。第二十三頁，共34頁。第二十四頁，共34頁。（四）、懸浮物反演模型的構(gòu)建與應(yīng)用

第二十五頁，共34頁。第二十六頁，共34頁。第二十七頁，共34頁。第二十八頁，共34頁。（五）南四湖富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)研究

第二十九頁，共34頁。南四湖水體富營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)

第三十頁，共34頁。第三十一頁，共34頁。（六）結(jié)論從葉綠素a的濃度分布情況看,南四湖下級(jí)湖水質(zhì)明顯好于上級(jí)湖。從懸浮物的濃度分布情況看,南四湖下級(jí)湖水質(zhì)明顯好于上級(jí)湖。南四湖整個(gè)湖區(qū)已大面積出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)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(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),且南四湖的下級(jí)湖水質(zhì)情況總體好于上級(jí)湖。第三十二頁，共34頁。四、存在的問題與展望由于內(nèi)陸水體本身的光譜特性復(fù)雜,輻射信息受大氣散射的影響嚴(yán)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(cè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)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(xué)特性的機(jī)理研究很少。2)水質(zhì)定量遙感反演的指標(biāo)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(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法為主,分析方法方面的研究較少。第三十三頁，共34頁。四、存在的問題與展望1)系統(tǒng)而深入地研究?jī)?nèi)陸水質(zhì)參數(shù)的光譜特征及光譜分析技術(shù)。2)完善高光譜遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)。強(qiáng)調(diào)大氣校正、信息提取技術(shù),發(fā)展新