遥感湖泊水质的监测

ZONDY CYBER GROUP CO.,LTD
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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 水体实验
（TSS、TN等） 水质参数数据
卫星光谱敏感波段或波段组合分析
遥感卫星类型——按空
间分辨率分类
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几种主要地球资源卫星技术指标
卫星
传感器
波段
空间分辨率（米）
光谱范围
覆盖范围
SPOT-5
SPOT-4 SPOT-1 SPOT-2 SPOT-3
Landsat 7
IKONOS QuickBird
HRG HRVIR HRV ETM+
全色 B1: green B2: red B3:near infrared B4:short-wave infrared (SWIR)
全色 B1: blue B2: green B3:red B4:near infrared
全色 B1: blue B2: green B3: red B4:near infrared
2.5 or 5 10 10 10 20
10 20 20 20 20
10 20 20 20
15 30 30 30 30 30 30 120
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
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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34027’一350 20’ 。拦湖大坝将湖一分为二,坝北为 上级湖,
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。
0.45 – 0.90 0.45 – 0.52 0.51 – 0.60 0.63 – 0.70 0.76 – 0.85
11 km
0.45 - 0.90
0.45 – 0.52
0.52 - 0.60
16.5 km
0.63 – 0.69
6
0.76 – 0.90
遥感技术的原理
地 遥感卫星 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。
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一）、大气纠正
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二）、水体部分提取
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（三）、叶绿素a模型的构建
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（四）、悬浮物反演模型的构建与应用
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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。
1.0 4.0 4.0 4.0 4.0
0.61 2.44 2.44
精选2021版2.课44件
2.44
0.48 - 0.71 0.50 - 0.59 0.61 - 0.68 0.78 - 0.89 1.58 - 1.75
60 km
0.61 - 0.68 0.50 - 0.59 0.61 - 0.68 0.78 - 0.89 1.58 - 1.75
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。
树木
水体
草丛
裸露的地表 路面
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建筑物
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遥感技术系统及工作流程
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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
人工实地调查
基于遥感的湖泊水质监测及评 价
研究
自然地理学
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1
报告内容
一 、 遥感简介 二、 研究概述 三、案例简介
四、问题与展望
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2
一、遥感
遥感（Remote Sensing，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。
60 km
0.50 - 0.73 0.50 - 0.59 0.61 - 0.68 0.78 - 0.89
0.50 – 0.90 0.45 – 0.52 0.52 – 0.60 0.63 – 0.69 0.76 – 0.90 1.55 – 1.75 2.08 – 2.35 10.4 - 12.5
60km 185 km
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遥感水质监测的常用方法
I I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I I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
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%。
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（一）、监测点位的布置
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(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。
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。
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航天平台 航空平台
遥感类型 （按照不同的平台分类）
> 80 千米 高空 (10 - 20 千米 ) 中空 (5 - 10 千米 ) 低空 (< 5 千米 )
航天遥感 航空遥感
地面平台
地面目标 物
各种遥感平台示意图
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近地遥感
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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
全色 B1: green B2: red B3:near infrared B4:short-wave infrared (SWIR)
全色 B1: green B2: red B3:near infrared
全色 B1: blue B2: green B3: red B4:near infrared B5: mid infrared B7: mid infrared B6:thermal infrared
利用遥感技术调查
花费时间
多
少
时效性
差（慢）
连续性 差，不能全天候观测
调查人员
多
调查成本
高
好（快） 好，能全天侯观测
少 低
调查范围 小，有些地方不能人工调查 广，连续性好，能获得人眼看不到的信息
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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。
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（五）南四湖富营养化程度评价研究
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南四湖水体富营养状况评价
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（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。
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。
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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。
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。
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遥感水质监测的基本原理
总辐射 水中散射光 水体反射率
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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。
统计模型
多光谱卫星遥感水质参数反演模型
精度分析
模型适用性
高光谱测量实验 光谱测量
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
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综合分析与专题制图
结论与建议 精选2021版课件

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
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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。
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。
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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: