毕业论文范文——基于GF-1数据的南京夹江饮用水源地 安全评价研究

摘要索取号： 密级： 硕 士 学 位 论 文 基于GF-1数据的南京夹江饮用水源地安全评价研究研 究 生：指导教师： 培养单位：地理科学学院一级学科：地理学二级学科：遥感技术与应用完成时间： 年 月答辩时间： 年 月摘 要南京夹江饮用水源地是南京市最重要的饮用水源地之一，水源地的安全状况直接影响到市区的饮用水安全。本文基于GF-1卫星影像，从水质安全和环境安全两个方面研究了南京夹江饮用水源地安全状况的评价方法。在水质安全评价方面，构建了基于GF-1数据的CODMn、总磷、总氮水质参数浓度估算模型，并基于单指标浓度进行河道水质安全评价；在环境安全评价方面，提出了基于非点源、固定源、流动源风险的环境安全评价指标和模型算法，对饮用水源地环境安全状况进行了综合评价。主要研究结果如下：（1）建立了CODMn、总磷、总氮等水质参数估算模型，并进行了单指标水质安全评价。CODMn浓度估算模型采用GF-1数据第二波段和第一波段的比值作为自变量，使用对数拟合方法进行建模，模型R2=0.7964；总磷浓度估算模型采用GF-1数据第二波段和第三波段差值作为自变量，使用指数拟合方法进行建模，模型R2=0.5125；总氮浓度估算模型采用GF-1数据第一波段遥感反射率作为自变量，使用对数拟合方法进行建模，模型R2=0.7732。利用星地同步数据进行模型验证，对CODMn浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为9.43%，均方根误差为0.28mg/L。使用同步GF-1数据验证，平均相对误差为17.34%，均方根误差为0.51mg/L。对总磷浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为14.88%，均方根误差为0.01mg/L。使用同步GF-1数据验证，平均相对误差为18.19%，均方根误差为0.02mg/L。对总氮浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为4.50%，均方根误差为0.10mg/L。使用同步GF-1数据验证，平均相对误差为5.56%，均方根误差为0.11mg/L。利用2014年1月6日、2014年4月14日、2014年6月11日和2014年10月15日共四景GF-1影像对饮用水源地水质参数进行估算，并对其时空变化进行的分析表明，大部分区域的CODMn浓度在4mg/L以下，总体上秦淮新河水域高于夹江水域；总磷浓度没有明显的变化趋势，大部分区域总磷浓度稳定在0.10.2mg/L之间；总氮浓度基本上在1mg/L以上，处于枯水期的2014年1月6日浓度达到2mg/L。分析表明，水质参数的时空变化主要与秦淮新河地区的工厂排污和长江丰水期、枯水期的水量变化有关。根据CODMn浓度水质安全评价结果表明，包括三个取水口在内的饮用水源地大部分水域达到了 类水质标准。根据总磷浓度得到的评价结果显示，水源地大部分区域为类水质，达到了饮用水的标准。（2）构建了基于环境安全指数的饮用水源地环境安全评价方法。首先，建立了以非点源、固定源、流动源三类风险源为一级指标的饮用水源地环境安全评价指标体系。然后，利用GF-1卫星影像进行土地利用分类、风险源提取，结合地面调查资料获取了各类风险指标信息，并根据夹江地区实际情况制定了风险指标评分方法。最后，利用层次分析法获得各类评价指标权重，建立饮用水源地环境安全评价模型，使用饮用水源地环境安全指数（ESI）对饮用水源地环境安全状况进行了综合评价。结果显示，2014年1月10日夹江饮用水源地环境安全指数为11.17，2014年12月24日夹江饮用水源地环境安全指数为10.89。根据安全等级划分标准，2014年1月10日夹江饮用水源地环境处于中等安全水平，2014年12月24日夹江饮用水源地环境处于较高等安全水平，这一结果表明，2014年相关部门开展的环境整治行动使得南京夹江饮用水源地环境安全状况得到了改善。 关键词：高分一号卫星 夹江 饮用水源地 安全评价XAbstractAbstractJiajang River drinking water source is one of the most important drinking water source in Nanjing, and the water safety situation of this area directly affects the safety of urban drinking water. Based on GF-1 images, the safety of drinking water source was evaluated in Nanjing Jiajiang river from the aspects of water quality and environmental safety. In the aspect of safety evaluation of water quality, the estimation model of CODMn, TP and TN concentration was establish based on GF-1 data.The river water security was evaluated based on single indicators.In the aspect of safety evaluation of environment , a evaluation index system and model algorithm of drinking water source environment safety was established based on non-points source,fixed source and flow source risk. Finally,the security status of drinking water source environment was evaluated integrately.Main conclusions are as follows:(1) Water quality parameter estimation model was established.The ratio of remote sensing reflectance of band2 and band1 was used as the independent variable of CODMn concentration estimation model, the logarithmic fitting method was used to modeling, R2 = 0.7964.The difference of remote sensing reflectance of band2 and band3 was used as independent variables of TP concentration estimation model,the index fitting method was used to modeling, R2 = 0.5125.The remote sensing reflectance of band1 was used as independent variables of TN concentration estimation models, the logarithmic fitting method was used to modeling, R2 = 0.7732. Satellite-ground synchronous data was used to validate the model. As for the estimation model of CODMn, the mean absolute percentage error is 9.43% and the root mean square error is 0.28mg/L useing ground synchronal measured spectral data to validate. The mean absolute percentage error is 17.34% and the root mean square error is 0.51mg/L using the synchronal GF-1 data to validate. As for the estimation model of total phosphorus, the mean absolute percentage error is 14.88% and the root mean square error of 0.01mg/L useing ground synchronal measured spectral data to validate. The mean absolute percentage error is 18.19% and the root mean square error is 0.02mg/L using the synchronal GF-1 data to validate. As for the estimation model of total nitrogen, the mean absolute percentage error is 4.5% and the root mean square error iss 0.10mg/L useing ground synchronal measured spectral data to validate. the mean absolute percentage error 5.56% and the root mean square error is 0.11mg/L using the synchronal GF-1 data to validate. Temporal-spatial change of quality of intake water was analysesed by using GF 1 image of January 6, 2014, on April 14, 2014, June 11, 2014, and until October 15, 2014.On the whole,CODMn concentration shows lower after rising trend and most of the areas CODMn concentration is below 4 mg/L in full-year except qinhuai xinhe river.There is no obvious change on total phosphorus concentration from the time, total phosphorus concentration is stable between 0.1 0.2 mg/L in most of the area for the whole year.Total nitrogen showed lower after rising trend from the time, then CODMn concentration is above 1 mg/L in most of the areas in full-year,it get 2 mg/L in the mutagenicity on January 6, 2014.Analysis showed that the temporal-spatial change of water quality parameters is related to the factory sewage of qinhuai xinhe area and the change of water quantity of Yangtze river . In the aspect of safety evaluation of Water quality , most of drinking water source area, including three intake, reached the class water quality standards according to the evaluation results of CODMn concentration. Most of drinking water source area reached the class water quality in full year according to the evaluation results of total phosphorus concentration, the evaluation results shows that it has reached the standard of drinking water.(2) Drinking water environment safety evaluation index system was established by using nonpoint source, fixed source, mobile source types of risk source as the primary index.Then, GF-1 images was used for land use classification and risk source extracting, got the ratio of cultivated land of all levels of protection area,the ratio of urban and rural residents of industrial land, road length, channel length, and other information.The ground survey data was used to collect the wharf, pumping stations and factory at all levels in the protected area.And the risk index score method was made according to the actual situation of the protected area.Finally, the weight of all evaluation index was obtained by using the analytic hierarchy process (AHP), drinking water environment safety evaluation model was set up,drinking water environment security situation was evaluated comprehensively by using environment safety index(ESI) . Drinking water environment safety index of Jiajiang river is 11.17 according to the results of January 10, 2014, Drinking water environment safety index of Jiajiang river is 10.89 according to the results of December 24, 2014. The results show that in 2014, environment security situation of Nanjing Jiajiang river has improved through the clean-up operation of relevant departments.Key words: GF-1 satellite, Jiajiang, drinking water source, safety evaluation目录目 录摘 要IAbstractIII第1章绪论11.1选题背景及研究意义11.2国内外研究进展21.2.1饮用水源地安全评价方法研究进展21.2.2总结51.3研究目标与研究内容61.3.1研究目标61.3.2研究内容61.4论文技术路线6第2章研究区与数据采集及处理82.1 研究区概况82.2野外实测数据的采集与处理102.2.1水体遥感反射率的观测122.2.2水质参数的测量132.3遥感影像数据的获取与处理172.3.1影像数据介绍172.3.2影像数据的预处理172.4 地面调查资料的获取20第3章基于遥感估算水质参数的饮用水源地水质安全评价233.1南京夹江饮用水源地水质参数估算模型构建233.1.1CODMn浓度估算模型构建243.1.2总磷浓度估算模型构建253.1.3总氮浓度估算模型构建263.2基于GF-1数据的水质参数浓度时空变化分析273.2.1CODMn浓度时空变化分析283.2.2总磷浓度时空变化分析293.2.3总氮浓度时空变化分析303.3南京夹江饮用水源地水质安全评价323.4本章小结34第4章基于遥感信息提取的饮用水源地环境安全评价354.1环境安全评价指标体系的构建354.1.1非点源风险354.1.2固定源风险354.1.3流动源风险364.1.4环境安全评价指标体系364.2结合GF-1数据的风险指标信息提取374.2.1非点源信息提取374.2.2固定源信息提取394.2.3流动源信息提取424.2.4风险源评分值的确定424.3环境安全评价模型构建444.3.1评价指标权重的确定444.3.2饮用水源地环境安全指数474.4基于GF-1信息提取的饮用水源地环境安全评价474.5本章小结50第5章结论与展望515.1主要结论515.2研究展望52参考文献53硕士期间参加的课题和取得的成果57参与的科研项目57发表论文57致 谢58图目录图目录图 1.1论文技术路线7图 2.1 研究区示意图8图 2.2南京夹江饮用水源地保护区概况10图 2.3南京夹江2011年12月23日野外实验点位分布11图 2.4南京夹江2014年10月15日野外实验点位分布11图 2.5仪器的观测几何12图 2.6实测南京夹江2014年10月15日遥感反射率特征曲线13图 2.7 2011年12月23日各点位CODMn浓度示意图14图 2.8 2014年10月15日各点位CODMn浓度示意图14图 2.9 2014年10月15日各点位总磷浓度示意图15图 2.10 2014年10月15日各点位总氮浓度示意图15图 2.11 2011年12月23日各点位氨氮浓度示意图16图 2.12 2011年12月23日各点位硝酸盐浓度示意图17图 2.13 保护区内排涝泵站21图 2.14 保护区内码头21图 2.15 保护区内排污工厂21图 2.16南京夹江饮用水源地固定风险源分布22图 3.1波段比值与CODMn浓度的关系25图 3.2波段差值与总磷浓度的关系26图 3.3第一波段遥感反射率与总氮浓度的关系27图 3.4 CODMn浓度时空分布28图 3.5 总磷浓度时空分布30图 3.6总氮浓度时空分布31图 4.1夹江饮用水源地环境安全评价指标体系36图 4.2 2014年1月10日夹江饮用水源地土地利用分类结果38图 4.3 2014年12月24日夹江饮用水源地土地利用分类结果38图 4.4 两类典型工厂纹理40表目录表目录表 2.1夹江饮用水源地保护区范围9表 2.2 GF-1卫星各载荷的绝对辐射定标系数18表 3.1模型精度对比25表 3.2模型精度对比26表 3.3模型精度对比27表 3.4地表水环境质量标准中各项目标准限值32表 3.5水域功能和标准分类32表 3.6根据CODMn浓度评价的各级保护区水质类别比例33表 3.7根据总磷浓度评价的各级保护区水质类别比例33表 4.1 2014年01月10日各保护区内非点源风险源所占比例39表 4.2 2014年12月24日各保护区内非点源风险源所占比例39表 4.3南京夹江饮用水源地重点污染企业41表 4.4 2014年10月15日各保护区内点源风险源数量42表 4.5 2014年01月10日各保护区内道路和航道长度42表 4.6非点源评价指标及评分值43表 4.7固定源评价指标及评分值43表 4.8流动源评价指标及评分值43表 4.9层次分析法标度的含义45表 4.10平均随机一致性指标45表 4.11 层次总排序46表 4.12饮用水源地环境安全等级划分47表 4.13固定源风险判断矩阵48表 4.14流动源风险判断矩阵48表 4.15非点源风险判断矩阵48表 4.16饮用水源地环境风险判断矩阵48表 4.17层次总排序权重48表 4.18 2014年01月10日各级保护区内风险源评分值49表 4.19 2014年12月24日各级保护区内风险源评分值49第1章 绪论 第1章 绪论1.1 选题背景及研究意义水是人类的生命之源，饮用水的安全直接关系到人类的生存和社会的发展，世界卫生组织（WHO）宣布了饮用水安全计划，从多个方面给出了饮用水保护的计划和建议措施1。然而，随着我国经济社会快速发展、人口持续增长和城镇化率逐步提高，饮用水源所在区域的工业、生活和面源污染给水源环境质量带来了很大的威胁，关系人民群众切身利益的饮用水安全状况堪忧2。据统计，不安全的饮用水是发展中国家80% 疾病和30% 死亡的起因3。饮用水安全问题的不断加重，必然会影响人民群众的健康，甚至成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。南京长江夹江段通称大胜关水域，长期以来该水域两岸设有较多码头、排污泵站、加油站、船舶修造厂等，这些设施给夹江带来生活污水、工业废水和油污等污染物质，对饮用水源地水质和环境造成潜在危害；长江航道内大小船只在江面川流不息，每日船只流量达1800 余艘，最多时聚集5000 多艘，船只漏油及生活污水直接排入长江，也会对夹江水质造成影响4。近年来，南京市政府对夹江饮用水源地的污染情况给予了高度重视，南京市政府对水源地保护区内的主要污染源进行了集中关停、拆除和搬迁。然而，调查显示，发现该区域内依然存在一些排涝泵站、加油站、码头等容易对夹江水质造成污染的设施5。同时上游的秦淮新河沿岸存在诸多污染企业，加上秦淮新河水体自净能力有限，当秦淮新河闸开闸放水时，污染物可能通过秦淮新河口流入夹江，从而影响取水口水质6。因此，对夹江饮用水源地的水质和环境的安全评价显得十分重要。目前，对饮用水源地水质安全及环境安全的监测与评价主要采用断面监测和实地调查等手段，这些传统的手段存在监测点分散，不能全面反映水源地水质状况以及效率低下等问题，具有一定局限性。卫星遥感技术作为一种先进的监测手段，能够大范围、快速对水体及陆地信息进行观测。近年来，遥感技术在饮用水源地水质监测中发挥了重要的作用。利用卫星遥感技术能够在短时间内获取整个面上的水体及陆地信息，相对于传统的少数断面测量，能够更全面的反映水源地的水质状况。卫星遥感技术的实时同步特点能够快速发现水源地突发的污染事件，为相关部门进行快速处理和决策提供依据。另外，利用卫星遥感技术易于进行长期动态监测，从而发现水源地水质和环境状况的变化规律和趋势，从而为水源地安全风险的预测预警提供依据。目前，我国利用遥感手段进行水源地安全监测主要针对湖库型饮用水源地，而对于河流型饮用水源地的监测较少，这主要是由于河流型饮用水源地面积较小，河流宽度相对较窄，同时由于大多数河流型饮用水源地位于城市地区，地物空间差异性较大，需要使用高空间分辨率的影像进行观测。目前主流的遥感影像如TM、MODIS、HJ-1、CBERS等数据的空间分辨率不能满足河流型饮用水源地监测的要求。国外有少量高空间分辨率卫星数据如RapidEye、ALOS等，但是购买费用昂贵，在实际应用中受到限制。高分辨率对地观测系统重大专项是国务院国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）确定的16个重大专项之一，该观测系统瞄准了国际遥感技术发展最高水平，其所具有的高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、宽观测频段等特点决定了它在我国环境保护领域将发挥巨大的作用。它的建立将对全面提升我国生态环境监测能力和水平，实现我国生态环境的全天时，全天候，大范围、定量化的遥感监测起到重大的推动作用。高分辨率对地观测系统重大专项首颗卫星GF-1已于2013年4月26日成功发射。卫星上所搭载的传感器可以提供空间分辨率分别为8m和16m的多光谱影像和空间分辨率为2m的全色影像。这为利用遥感手段监测夹江饮用水源地的水质和环境安全状况提供了可能性。本文拟针对GF-1影像数据，以南京夹江饮用水源地为研究示范区，研究基于高空间分辨率数据的河流型饮用水源地的安全评价方法，为利用遥感技术进行饮用水源地监测和评价提供技术支持，为国产高分系列卫星数据的环境监测应用提供示范。1.2 国内外研究进展1.2.1 饮用水源地安全评价方法研究进展饮用水源地安全评价主要从水质安全和周边环境安全两方面进行。饮用水源地水质安全评价方面，自从20 世纪60 年代Jacobs提出水体质量评价的水质指数( WQI) 概念和公式以来，国内外研究者提出了很多不同的评价模型和方法7, 8。1993年世界卫生组织（WHO）颁布饮用水水质准则，列出了微生物、化学物质、放射性物质等会对饮用水水质造成影响的污染物质的指导限值。大多数水质评价模型都是对多个水质参数进行综合分析从而对水质状况进行评价。国外，美国国家水质评价计划（NAWQA）从污染的发生、时空分布、长期变化趋势、来源和运输路径以及对水质的影响等方面对水质评价的方法进行了阐述9。加拿大利用水质指数(Water Quality Index )法对水体进行评价，将水体划分为极好、好、中等、及格 、差 等5个级别，不同级别的水体采取不同的水处理工艺。欧盟制定的地表水体取水导则(The Surface Water Abstraction Direction)根据达到饮用水要求需要的处理水平将水体分为三类：Al 类水体需要进行简单的物理化学处理；A2类水体需要进行常规物理化学处理和消毒；A3类水体需要进行集约化物理化学处理以及附加处理和消毒等。具体研究方法上，Alberto等运用模式识别技术对Suqua 河流水质时空变化以及水质与季节、地表径流等因素的关系进行了分析10。Singh等利用多元统计技术对ph值、温度、电导率、生化需氧量等14个水质参数进行综合分析，从而对印度北部地区的Gomti河水质进行评价11。Icaga使用模糊综合评价法对土耳其Eber湖水质进行了评价，认为该方法能够克服传统方法对水质等级划分的不合理性12。国内，目前我国水源地水质评价工作参照地表水环境质量标准（GB3838-2002），采用单因子评价法作为主要评价方法。单因子评价法能够直接指出水质状况同水质标准之间的关系，但无法对水环境状况进行综合评价。也有部分研究采用综合指标评价方法，如在1974-1975年对北京官厅水库水系评价时提出的综合污染指数、1975年北京西郊环境质量评价中采用的水质质量指数等13。慕金波等提出使用灰色聚类法评价水质的方法，并用该方法对某水库水质进行了评价，最后与模糊数学方法作了比较。结果证明，灰色聚类法相对于模糊数学方法能更好的反映实际情况14。王国利等依据环境污染与评价属于模糊概念这一客观实际，探讨了确定污染指标权重的新方法，并尝试运用模糊模式识别理论模型对大连市碧流河水库5个断面的水质进行了综合评价，得到了比较满意的结果15。金菊良等为检验水质评价标准的合理性，解决各单项水质指标评价结果的不相容问题，提高水质评价模型的分辨率，提出了投影寻踪模型，结果表明，该方法能够较好地反映水质的实际状况16。余勋等运用贝叶斯理论和模糊集理论描述了水质评价过程中模型结构和参数的不确定性，建立了基于三角模糊数的贝叶斯模糊综合水质评价模型。 对、类水分别赋值，并根据监测点水质对各类别的后验概率计算水质的综合得分进而确定水质类别17。此外，还有物元分析理论与可拓集合方法、人工神经网络分析法等水质评价方法。饮用水源地环境安全评价方面，国外，美国国家环保局(USEPA)选取与饮用水水质和生态系统脆弱性相关的指标，利用指标体系对流域内饮用水源的风险总体评价；水质安全状况分为好、问题很少、问题较多等级别，水源脆弱性分为低和高级别。新西兰环境部和卫生部联合制定水源地监测分级框架草案，通过确定水体水质等级和风险等级，最终将水体作为饮用水源的适宜性进行定性分级，并说明每种等级对应水体所需的处理水平。Zandbergen在对流域生态风险进行评价时，选取会随时空变化而变化的评价指标，从而结合地理信息系统（GIS）方法对流域生态风险进行了评价18。Scheren等采用污染存量系统方法评估人类活动对东非维多利亚湖造成的污染负荷，并对不同行业的工厂、地表径流、森林燃烧、土地利用等对湖水水质造成的污染负荷进行了评估19。Basnyat等将生态模型与遥感和GIS技术结合，探讨了非点源污染和河流水质之间的关系20。国内，韩宇平等认为水安全包括的内容涵盖了水供需矛盾、生态环境、饮用水安全、等多个方面，而且各方面的评价指标又具有层次结构。因此利用多层次多目标决策和模糊优选理论，建立了区域水安全评价的模糊优选模型21。王顺久等从水安全内涵分析出发，认为基于指标体系的水安全评价是涉及多种因素的综合评价问题，包括自然资源、社会经济和生态环境等多个方面，因此建立了投影寻踪模型对水环境安全进行综合评价22。曹小欢等通过与国内外水质指标进行比较，对水源地水质的潜在威胁因素进行深入分析，并结合水源地环境安全指标的最新发展趋势，引入了饮用水水源地安全风险指标，提出了构建饮用水水源地安全评价指标体系的新思路23。史正涛等通过对城市水安全内涵的分析，建立了以支持子系统、协调子系统和防洪子系统为基础的评价指标体系，使用层次分析法对各层次指标赋予权重，建立了基于边际效益递减原理的城市水安全评价模型24。朱党生等针对城市饮用水源地的特点，提出了包含水质、水量、风险及应急能力等方面因素评价指标体系，并利用层次分析方法对各级评价指标赋予权重，针对城市饮用水水质安全、水量安全、风险及应急能力状况及城市饮用水源总体状况，给出了定性和定量相结合的评价方法，为城市饮用水水源地安全评价工作提供了重要依据25。姚延娟等将地面调查数据与遥感数据相结合，通过遥感影像获取土地利用、植被覆盖等信息，从水质、水量、水安全、环境安全监管四个方面对密云水库水源地安全进行了综合评价2。1.2.2 总结综上，目前对饮用水源地水质的评价主要基于监测站实测水质参数数据，并利用单因子评价法、污染指数法、 模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法、物元分析法、人工神经网络评价法、水质标识指数法等方法对饮用水源地水质进行评价。对饮用水源地环境安全的评价主要通过水质、水量、生态、社会经济等方面人为选取各类评价指标，建立评价指标体系，对各类指标赋予不同权重，再利用模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法、物元分析法等方法综合评价水源地的安全性。然而，上述评价方法也存在很多问题。首先，水质评价所使用的数据多来自单个监测点或几个监测断面，导致评价结果不能够很好地反映水源地整体的水质状况。其次，环境安全评价中，传统的调查方法需要耗费大量人力物力来获取诸如土地利用情况、风险源分布等指标信息，难以实现对饮用水源地环境安全的长期动态监测。而基于遥感的环境安全评价又多集中在流域尺度或面积较大的湖、库型饮用水源地，使用遥感手段对城市河流型饮用水源地的水质和环境安全评价研究较少。本研究中，分别从水质安全和环境安全两方面对夹江饮用水源地进行安全评价。水质安全评价方面，基于GF-1数据建立水质参数估算模型。之后，利用GF-1卫星影像进行水质参数估算，并分析估算得到的CODMn、总磷、总氮三类水质参数浓度的时空变化情况，最后对水源地水质安全状况进行评价。环境安全评价方面，参考集中式饮用水水源环境保护指南（试行）中所推荐的评价指标体系，并结合夹江饮用水源地保护区的实际情况，建立环境安全评价指标体系。将风险源分为固定源、移动源、非点源三类，使用GF-1卫星影像以及地面调查资料获取各类风险指标的值。利用层次分析法确定各类评价指标权重，建立饮用水源地环境安全评价模型，对饮用水源地环境安全进行综合评价。1.3 研究目标与研究内容1.3.1 研究目标以南京夹江为研究区，以GF-1数据为遥感数据源，从河流水质安全和周边土地利用环境安全两个方面研究河流型饮用水源地安全评价的方法。在水质安全评价方面，研究主要水质参数的遥感估算方法，并结合地表水质标准，实现对饮用水源地的水质安全评价；在环境安全评价方面，研究饮用水源地环境安全评价指标及模型方法，实现饮用水源地安全的综合评价，为饮用水源地遥感监测及环境管理提供技术支持。1.3.2 研究内容（1）基于遥感估算水质参数的饮用水源地水质安全评价利用地面同步实测数据和GF-1数据，建立CODMn、总磷、总氮三类水质参数估算模型；基于GF-1多时相数据，分析南京夹江水质参数的时空变化，并对饮用水源地水质安全状况进行评价。（2）基于遥感信息提取的饮用水源地环境安全评价利用GF-1影像的土地利用分类及风险源提取结果结合地面调查资料，分析南京夹江饮用水风险源特点，参考集中式饮用水水源环境保护指南（试行），通过河流型饮用水源地风险源快速识别方法，建立饮用水源地环境安全评价模型，对饮用水源地环境安全状况进行评价。 1.4 论文技术路线使用地面同步实测数据和GF-1数据建立水质估算模型，基于GF-1多时相数据进行水质参数估算，并分析南京夹江水质参数的时空变化情况，对饮用水源地水质安全进行评价。同时，建立以固定源、移动源、非点源三类风险源为一级指标的安全评价指标体系，并结合对GF-1卫星影像进行土地利用分类、风险源提取获得的数据以及地面调查资料建立饮用水源地风险评价指标体系。建立基于环境安全指数的饮用水源地环境安全评价模型，对饮用水源地环境安全进行综合评价。图 1.1论文技术路线59第2章 研究区与数据采集及处理第2章 研究区与数据采集及处理2.1 研究区概况长江是南京市的主要供水水源地。长江南京段处于长江中下游地区, 北岸约101 km, 南岸约99km。该段水域分布着六大饮用水水厂（城南水厂、北河口水厂、远古水业、上元门水厂、浦口水厂、城北水厂）， 其供水量占南京市城区及郊区集中式供水总量的80%26, 27。长江南京夹江地处长江南京段上游，其南岸是南京市河西新城区，北岸是江心洲。长江南京夹江段通称大胜关水域，自南京秦淮新河口至三汊河口，全长 13.6 公里，平均宽度300 米左右28。夹江饮用水源地是南京市最主要的饮用水源地，分布的主要取水口有：北河口水厂取水口，取水量为120 万吨/日；城南水厂取水口，取水量为45 万吨/日；江宁水厂取水口，取水量为30 万吨/日29。图 2.1 研究区示意图根据江苏省政府关于县级以上集中式饮用水水源地保护区划分方案的批复，夹江水源地的保护区范围如表2.1所示。表 2.1夹江饮用水源地保护区范围水源地名称水厂名称水源所在地(河、湖）水源地类型一级保护区二级保护区准保护区水域陆域水域陆域水域陆域夹江水源地江宁区自来水厂、城南水厂、北河口水厂长江河流江宁区自来水厂取水口上游500米至城南水厂取水口下游500米的全部水域范围；北河口水厂取水口上游500米至下游500米的全部水域范围一级保护区水域与相对应的本岸背水坡堤脚外100米范围内的陆域上夹江口至下夹江口范围内除一级保护区外的全部夹江水域范围二级保护区水域与相对应的夹江两岸背水坡堤脚外100米范围内的陆域二级保护区以外上溯2000米、下延1000米范围内的水域和陆域范围本研究中，根据饮用水水源保护区划分技术规范（HJ/T338-2007），将准保护区内注入夹江内的秦淮新河作为水域影响区域，将保护区水域向两岸外延1000m范围作为陆域影响区域。南京夹江饮用水源地各级保护区范围如图2.2所示。图 2.2南京夹江饮用水源地保护区概况2.2野外实测数据的采集与处理以南京夹江为研究区，分别于2011年12月23日和2014年10月15日在该地区进行了野外实地采样。其中，2011年12月23日的采样属于高分先期实验，共采集了15个样点的水样，带回实验室进行分析，获取了各样点的氨氮、高锰酸盐指数（CODMn）、硝酸盐浓度数据。2014年10月15日共获取了29个点位的水体遥感反射率数据，并且采集水样带回实验室进行分析，获取了各样点的高锰酸盐指数（CODMn）、总磷、总氮浓度数据。实验点位见图2.3和图2.4。图 2.3南京夹江2011年12月23日野外实验点位分布图 2.4南京夹江2014年10月15日野外实验点位分布2.12.22.2.1 水体遥感反射率的观测遥感反射率的观测仪器采用美国ASD公司生产的便携式光谱辐射计（ASD FieldSpec Pro），该仪器的光谱分辨率为2nm，波段范围为3501050nm。仪器主要观测以下数据：标准灰板、天空光以及水体的辐亮度值，观测时，在每个样点上采集10条光谱信息数据，且观测点尽量与水样采集点在同一位置，数据导出后，先剔除异常数据再进行均值处理。观测过程中，为了减少船舶阴影和太阳直射反射等外部条件对光场的影响，需要采用一定的观测角度对水体光谱观测进行观测。如图2.5所示，仪器观测平面与太阳入射平面的夹角90135（背向太阳方向），仪器与水面法线方向的夹角304530, 31。为了得到纯粹的水体信息，需要剔除天空光水面反射信息。因而在仪器面向水体进行测量之后，须要将仪器在观测平面内向上旋转特定角度测量天空光辐射信息。图 2.5仪器的观测几何遥感反射率的计算过程如下：(1) 离水辐亮度的计算： (2.1)式中，为离水辐亮度，为水体总辐亮度信息，为天空漫散射辐亮度，为气-水界面对天空光的反射率，取决于太阳位置、观测几何、风速风向或水面粗糙度等因素。在上述观测几何条件下，平静水面可取=0.022，在5m/s左右风速的情况下可取=0.025，在10m/s左右风速的情况下可取=0.026-0.02831。(2) 水面总入射辐照度通过测量标准灰板的反射得到，公式如下： (2.2)式中，为标准灰板的辐亮度；为标准灰板的反射率。(3) 遥感反射率的计算： (2.3)图2.6给出了实地测量的2014年10月15日南京夹江地区水体遥感反射率光谱曲线。图 2.6实测南京夹江2014年10月15日遥感反射率特征曲线2.2.2 水质参数的测量本研究所需的水质参数主要是室内测定的各水体组分的浓度数据，包括高锰酸盐指数（CODMn）、总氮浓度、总磷浓度、氨氮浓度、硝酸盐浓度，具体获取方法如下：(1) 高锰酸盐指数（CODMn）采用高锰酸钾法测量的化学需氧量称为高锰酸盐指数（CODMn）。分别取 100ml 混匀水样加入 250ml 锥形瓶中，加入 5ml硫酸，混匀；加入 10.00ml 0.01mol/L高锰酸钾溶液，摇匀，立即放入沸水中加热30min(从水浴重新沸腾起计时)。沸水液面要高于反应溶液的液面，摇匀，立即用 0.01mol/L 高锰酸钾溶液滴定至微红色，记录高锰酸钾消耗量。将上述已滴定完毕的溶液加热至约75，准确加入 0.01mol/L草酸纳标准溶液 10ml，再用 0.01mol/L 高锰酸钾溶液滴定至微红色。记录高锰酸钾溶液的消耗量32。图 2.7 2011年12月23日各点位CODMn浓度示意图图 2.8 2014年10月15日各点位CODMn浓度示意图图2.7和图2.8分别给出了2011年12月23日和2014年10月15日各点位CODMn浓度示意图，可以看出2011年12月23日除1号点和3号点外，其余点位CODMn浓度在1.52mg/L之间。2014年10月15日除3号点外，其余点位CODMn浓度在24mg/L之间。(2) 总磷（TP）总磷浓度测量采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）。在中性条件下用过硫酸钾（或硝酸高氯酸）消解试样，将所式样中所含磷全部氧化为正磷酸盐。在酸性介质中，使用钼酸铵与得到的正磷酸盐反应，在锑盐存在下