湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測與評價方法研究.pdf

1、湖泊是地球上重要的淡水資源，但隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和工業(yè)化程度的加劇以及人為活動的影響，湖泊污染和富營養(yǎng)化問題日益嚴重，因此必須加強湖泊水質(zhì)的監(jiān)測和治理。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測耗時耗力，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、及時的提供整個湖區(qū)的水質(zhì)狀況，具有監(jiān)測范圍廣、成本低和便于進行長期動態(tài)監(jiān)測的特殊優(yōu)勢，在湖泊水質(zhì)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)測指標。該指標體系包括葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)、水溫、水深等指標，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)。 研究以太湖為實驗區(qū)，通過對太湖水體實測光譜的分析，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)測最具有潛力的數(shù)據(jù)源之一。本文將經(jīng)過大氣糾正(直方圖最小值去除法)的MODIS波段反射率進行組合，并分別與葉綠素a和懸浮物濃度進行相關(guān)分析。通過數(shù)百種波段組合的試驗分析，發(fā)現(xiàn)MODIS陸地波段1-4(包括250m和500m數(shù)據(jù))對水質(zhì)參數(shù)反應(yīng)比較靈敏，本文對此進行

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)計回歸方法針對不同季節(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)、自組織性和容錯性能，正適合模擬這種錯

5、綜復(fù)雜的關(guān)系。本研究通過大量的訓(xùn)練和測試，采用MODIS250m兩個波段和500m前四個波段分別構(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。 為了探測太湖水質(zhì)的發(fā)展演變趨勢，研究應(yīng)用所建模型以及多時相MODIS數(shù)據(jù)對太湖水體中的葉綠素a和懸浮物含量，以及太湖的水質(zhì)狀況進行了變化監(jiān)測研究。同時，對太湖展開動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，并對2004年太湖全年內(nèi)的水質(zhì)變異特征進行了分析，指出7、8月份是太湖優(yōu)勢水體類型(

6、Ⅳ類水體)變化幅度最大的時段。 在葉綠素a、懸浮物等水質(zhì)遙感指標反演的基礎(chǔ)上，本文討論了其與水體營養(yǎng)狀況評價指標之間的關(guān)系，并分別采用TSI、TSIM以及TLI等評價指數(shù)對太湖水體夏秋兩季的營養(yǎng)狀態(tài)進行了遙感評價。結(jié)果表明，太湖夏季水體富營養(yǎng)化程度十分嚴重，秋季水體相對較好。通過分析比較，認為TLI指數(shù)綜合考慮了Chla、TP、TN、SD、CODMn等指標，適于用來評價太湖水體的營養(yǎng)狀況。 基于上述研究，本文構(gòu)建了一