遥感湖泊水质的监测.ppt

基于遥感的湖泊水质监测及评价研究,自然地理学,一、遥感简介,二、研究概述,三、案例简介,四、问题与展望,报告内容,遥感（RemoteSensing，简称RS），就是“遥远的感知”。是利用一定的技术设备和系统，远距离获取目标物的电磁波信息，并根据电磁波的特征进行分析和应用的技术。,一、遥感,航天遥感,航空遥感,近地遥感,遥感类型,（按照不同的平台分类）,遥感卫星类型按传感器特点分类,遥感卫星类型按卫星轨道类型分类,遥感卫星类型按空间分辨率分类,几种主要地球资源卫星技术指标,遥感技术的原理,地物在不断地吸收、发射（辐射）和反射电磁波，并且不同物体的电磁波特性不同。遥感就是根据这个原理，利用一定的技术设备和装置，来探测地表物体对电磁波的反射和地物发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。,遥感技术系统及工作流程,遥感技术的特点,人工实地调查与利用遥感技术调查的比较,多,少,差（慢）,好（快）,多,少,高,低,小，有些地方不能人工调查,差，不能全天候观测,好，能全天侯观测,广，连续性好，能获得人眼看不到的信息,二、研究目的与研究意义,湖泊是地球上最重要的淡水资源地之一,具有调节河川径流、发展农业灌溉、提供工业水源和生活饮水、沟通水运、开发旅游业以及维持生物多样性和生态平衡等多种功能,在国民经济发展中起着非常重要的作用,是湖泊流域经济可持续发展和人们赖以生存的重要基础。湖泊水质监测是掌握湖泊污染程度的必要手段,而传统的化学特征分析方法是采用离散点概面的方法,在边界条件较为复杂的湖泊可能不能够代表所有区域的分布特征,不能够连续反映整个湖面水质情况,存在一定的缺陷。遥感技术正适合从面上监测,并发展到动态监测的需要,可以大面积、迅速地提供水质信息,成为持久监测区域乃至全球尺度上湖泊、海洋、水库等水体质量监测的有效手段。是常规水质监测的重要补充,为湖泊生态经济区政府决策提供科学的依据。,遥感水质监测的国内外研究进展,自20世纪70年代初开始,遥感技术由海洋水色遥感逐渐应用到内陆地水体研究中,从单纯的水域识别逐渐发展到对水质参数进行遥感监测、制图和预测。随着遥感技术的发展,对水质参数光谱特征及数学模型研究的不断深入,遥感水质监测经历了从物理方法到经验方法,再到半经验方法的过程,半经验方法是90年代后的主要方法。随着对水体光谱特征研究的不断深入、算法的改进以及传感器技术的进步,遥感监测水质从定性逐渐发展到定量,而且可遥感监测的水质参数逐渐增加,从起初的水色遥感(如叶绿素a、悬浮物等)发展到间接遥感水质参数(如总磷、总氮、COD等),预测精度也在不断提高,正朝水质遥感产业化的方向发展。但是目前仍然依赖大量的地面监测数据,精度还没有达到商业要求,还未形成较好通用性的模型和算法。,技术路线,遥感卫星影像收集（TM、ETM+等）,遥感图像的预处理（几何、辐射、大气校正等）,水体提取,遥感水体反射率,实验方案制定,水质参数实验,高光谱测量实验,水体实验（TSS、TN等）,光谱测量,水质参数数据,水体高光谱反射率,高光谱特征分析,高光谱水质参数反演模型,卫星光谱敏感波段或波段组合分析,多光谱卫星遥感水质参数反演模型,统计模型,模型适用性,精度分析,综合分析与专题制图,结论与建议,二、遥感水质监测的基本原理,从图中可以看出,太阳辐射到达水面的入射光L一包括太阳直射光和天空散射光,其中少部分被水面直接反射返回大气,形成水面散射光Ls。这种水面散射光带有少量水体本身的信息,它的强度与水面性质有关,如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰层等。其余的光经折射、透射进入水中,大部分被水分子所吸收和散射,以及被水中悬浮物质、浮游生物等散射、反射、衍射形成水中散射光Lv。它的强度与水的混浊度相关,即与悬浮粒子的浓度和大小有关(随粒径相对于光辐射波长的大小,可以产生瑞利和米氏不同的散射),水体混浊度愈大,水下散射光愈强,两者呈正向相关。衰减后的水中散射光部分到达水体底部(固体物质)形成底部反射光L。,它的强度与水深呈负向相关.且随着水体混浊度的增大而减小。,遥感水质监测的基本原理,总辐射,水中散射光,水体反射率,遥感监测的水质参数,描述水的质量参数(即水质参数)通常用水中杂质的种类、成分和数量来表示,分为三大类:物理性水质参数、化学性水质参数和生物学水质参数。物理性水质参数包括温度、色度、嗅味、水深、透明度、浊度、悬浮物、电导率等;化学性水质参数包括PH、碱度、硬度、阴离子、阳离子、含盐量、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总需氧量、重金属等;生物学水质指标包括叶绿素、细菌总数、各种病原菌和病毒等。到目前为止,并不是所有的水质参数都能被遥感所监测,遥感监测从定性发展到定量,能够监测到的水质参数包括Chl一a、TSS、SD、溶解性有机物、水中入射与出射光的垂直衰减系数以及一些综合污染指标,如营养状态指数等。随着对水体光谱特的研究深入、算法的改进以及卫星遥感技术的迅速发展,内陆水体中与浮游植物、悬浮物、黄色物质三类污染物相关的可遥感的水质参数有Chl一a、TSS、CDOM、SD、TP、TN、溶解氧(DO)、水温(T)、化学需氧量(COD5)等。Chla、TSS、CDOM可以找到独立的光谱特征可以直接进行反演分析,其他水质参数常采用间接反演的方法进行遥感分析。,遥感水质监测的常用方法,II类水体光学特征比I类水体复杂,因此,用于I类水体的水质遥感反演算法不完全适合于类水体的研究,根据II类水体的特点,利用适合的统计回归法或引入一些新的数据理论和模型算法,包括神经网络、主成分分析和生物-光学模型等,并深入进行辐射传输理论分析,尝试解决多元非线性组合问题。目前建立水质监测反演模型的算法有:分析方法、经验方法和半经验方法和其他方法(如:非线性最优化法、主成分分析法、人工神经网络法等较为典型的方法)。,三、以南四湖水质监测及评价研究为例,南四湖流域概况南四湖位于山东省西南部,是南阳湖、独山湖、昭阳湖、微山湖四个相互联贯湖泊的总称,位于东经116034一117021;北纬34027一35020。拦湖大坝将湖一分为二,坝北为上级湖,坝南为下级湖。南四湖属于淮河流域泅河水系。南四湖是山东省最大的淡水湖泊,占山东省淡水水域面积的45%。,（一）、监测点位的布置,(二)南四湖湖区遥感数据的获取与预处理,研究采用的遥感图像数据在中国遥感卫星地面站预订获得,保持与地面实地数据监测的同步性或准同步性,数据为2006年11月3日覆盖整个南四湖湖区的Landsat5号卫星7个波段的TM影像数据。,一）、大气纠正,二）、水体部分提取,（三）、叶绿素a模型的构建,（四）、悬浮物反演模型的构建与应用,（五）南四湖富营养化程度评价研究,南四湖水体富营养状况评价,（六）结论,从叶绿素a的浓度分布情况看,南四湖下级湖水质明显好于上级湖。从悬浮物的浓度分布情况看,南四湖下级湖水质明显好于上级湖。南四湖整个湖区已大面积出现富营养化现象。总体研究表明,南四湖水体中叶绿素a和悬浮物总体含量较高,水体已呈现富营养化状态,且南四湖的下级湖水质情况总体好于上级湖。,四、存在的问题与展望,由于内陆水体本身的光谱特性复杂,辐射信息受大气散射的影响严重,常规遥感器分辨率较低,高光谱遥感数据处理技术不够成熟等原因,遥感在内陆水体监测中的应用远不如在地质、生态、海洋等领域成熟,存在的问题有:1)水体光学特性的机理研究很少。2)水质定量遥感反演的指标种类少,可遥感的水质参数可行性分析研究几乎空白。3)反演方法以经验和半经验方法为主,分析方法方面的研究较少。,四、存在的问题与展望,1)系统而深入地研究内陆水质参数的光谱特征及光谱分析技术。2)完善高光谱遥感数据处理技术。强调大气校正、信息提取技术,发展新算法和完善已有的算法,并向形成标准化应用处理算法软件包方向努力。3)加强水质参数反演的分析方法研究,提高模型的适用性。4)研究多种遥感数据融合技术,发展更多的反演算法和模型,提高监测精度。5)多时相遥感图像数据与同步地面站网人工监测数据相结合,建立水环境质量评价模型及水污染趋势预报模型,并与数据传输系统、GIS、GPS结合,建立全国水环境质量监测、评价及趋势预报系统,以实现准确、客观、动态、快速地对水环境质量监测、评价与发展趋势的预报。,