（地图学与地理信息系统专业论文）内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究.pdf

内陆承嚣康蕊多毙谱遥麟蓝测方法耪技术研究攘要 摘要 水屡监测是水质谔输与水污染防治的主要依摄，随饕水体污染问题的日濒严 夔，水质数测成为社会经济可持续发展必须躺决的重大问题，尤其是内陆水体， 其水质影响到国民生产和人们的生活用水，准确、快捷的水质监测照得尤为蘸要。 水质遥感监测方法具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的 特殊优势，在内陆水体水质监测中典有瓯大的应用潜力。 本文的研究目的是通过开展内陆水体水质遥感监测方法和技术研究，发展适 合内陆水体水质监浏的多光谱波段分析技术，形成矮有w 操作性的中低分辨率多 光谱承质邋感豁铡方法和技术。本文良太湖为实验区，研究了稠翔l a n d s a t 5t m 数据靛测肉陆承体孛主要承葳遥感鼗溅攒标，砖绿素a 耱悬浮物煞方法秘技术。 本文采曩承震参数光谱特薤分耩器实测数摆等多毙谱送感数据绕诗势据翱结会 鹣方法，选择瘩质参数熬最佳发演波段秘波段组会：然嚣剥髑多嚣圈! 琏统计分辑 方法，建立时绿素a 和悬浮物的遥感定爨估测模型。本文对模型的有效性和糖度 进行了分橱，并对模型的通用性进行了梭验。 研究结果显示l a n d s a t 5 t m 数据适合用来监测内陆水体中的叶绿素a 和悬浮 物：其中t m 4 波段，及其与t m 3 波段的波段组合适合用来反演水体中的叶绿素 a 浓度：对于藻类含蹩较高的水体，t m 3 是怒浮物反演的最佳波段，而t m 4 波 段，及其与t m l 波段的波段缀合适合厢来反演藻类含麓较低的承体中的悬浮物 浓度。 本文建立的卧绿素8 遥感估测模鍪i 对于藻类含量中等豹零体精度较离，显具 有较好静遴孺徽，毽蹩对予藻炎含繁辍低，以及发生承华豹零体，反演犍凄较差。 懋浮耪遥感估测模型应用效果较好，蒡鼹具鸯较好豹通用性，氇熙其精度也在一 定程度上受水体中藻类含量的影响。应用模型褥到豹太湖叶绿素a 和悬浮物浓度 监测结果，以及湖泊营养状态评价结果与实际情况基本吻合。 关键词：水质参数、遥感监测、内陆水体、多光谱遥感 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究a b s t r a c t m o n i t o r i n go f w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sf o ri n l a n dw a t e r s b ym u l t i s p e c t r a lr e m o t es e n s i n g d a t a d i r e c t e db yp r o f w a n gs h i x i na n dp r o z h o u y i a b s t r a c t - w a t e rq u a l i t yi n f l u e n c e sw a t e rr e s o a r c e se c o l o g i c a lf u n c t i o n sg r e a t l y , a n dq u a l i t yo f i n l a n dw a t e ri sc o n c e r n e dw i t h i n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dl i v i n gq u a l i t y i n l a n dw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gp l a y sa ne s s e n t i a lr o l ei nd e v e l o p m e n t so fs o c i e t ya n de c o n o m i c t h ea p p l i c a t i o n s r e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e si ni n l a n dw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n gb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s i n c ei n l a n dw a t e r v a r i a b l e s ( s u c h a ss u s p e n d e dm a t t e r , p h y t o p l a n k t o n e t c ) a r es p a t i a l l y i n h o m o g e n e o u sp a r a m e t e r s ，c o r r e s p o n d i n gs y n o p t i ci n f o r m a t i o nc a n n o tb eo b t a i n e df r o mi ns i t u m o n i t o r i n gn e t w o r k t h i sp r o b l e mc a nb es o l v e db yt h ei n t e g r a t i o no f w a t e rq u a l i t ym o d e l s ，i ns i t u d a t aa n dr e m o t es e n s i n gd a t a , w h i c hp r o v i d es p 撕a ld i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o n t h eo t h e rt w o a d v a n t a g e so f r e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e s8 x ei t sf a s t n e s sa n de c o n o m y , w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o r l o n g - t e r md y n a m i c w a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n g t h i ss t u d ya i m e da td e v e l o p i n ga n d a p p l y i n ga no p e r a t i v em e t h o dt oe s t i m a t ek e yp a r a m e t e r s r e l a t e dt ol a k ew a t e rq u a l i t y , s u c h c h l o r o p h y l l - a ( c h l a ) a n dt o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ( t s p ) ， u s i n gm u l t i s p e c t r a lr e m o t es e n s i n gd a t a t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s o f t h er e m o t es e n s i n gm o d e l so f c m - aa n d t s p , u s i n g l a k e t a i h u ，c h i n aa sac a s es t u d y l a n d s a t5 t md a t af r o m2 0 0 3a n d2 0 0 4 ，a n d s y n c h r o n o u s i n - s i t nm e a s u r e m e n t sw e r eu s e d s o m ek e yi s s u e s i n v o l v e di n a p p l y i n gm u l t i - s p e c t r a l s a t e l l i t e i m a g e r y t oi n l a n dw a t e r q u a l i t y , i n c l u d i n g a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n ，m e t h o d sf o rm u l t i s p e c t r a lb a n d sa n a l y s i sw e r ed i s c u s s e d ，r e g r e s s i o n m o d e l sf o rc h l aa n dt s pw e r er e c o m m e n d e d ，a n dt h ea c c u r a c i e sa n dt h e m u l t i - t e m p o r a l a p p l i c a b i l i t yo f t h e s e m o d e l sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tl a n d s a t 5t md a t aw e r es u i t a b l ef o re s t i m a t i n gt h ec o n c e n t r a t i o n so f c h l - aa n dt s pi ni n l a n dw a t e r s 。t m 4h a st h es t r o n g e s ts i n g l e - b a n d r e l a t i o n s h i pw i t hc h l * a 细i 盎 r 啪7 2 1 ) t h eu s eo f 如4 厂r m 3i m p r o v e drt oo 8 1 9 a d d i n gt e r m so ft m ia n dt m 2t o t m 4 t m 3r a t i oi m p r o v e dt h em e a d j u s t e dr 2t oo 8 0 9 t m 3i st h eb e s tb a n df o rd e t e c t i o no f t s pf o rw a t e r sw i t hh i 【g hc o n c e n t r a t i o no fp h y t o p l a n k t o n w h i l et m 4 理m lh a st h es t r o n g e s t r e l a t i o n s h i pw i t ht s p ( w i t hr - - - 0 8 5 9 ) f o rw a t e r sw i t hl o wc o n c e n t r a t i o no fp h y t o p l a n k t o n ( w i t h c o n c e n t r a t i o no f c h l - al e s st h a n5n l g r n - 3 ) _ af o u r - c o e f f i c i e n tr e g r e s s i o nm o d e lu s i n gt m 4 t m 3r a t i oa n dt m l ，t m 2w a sar e l i a b l e p r e d i c a t o ro fc h l a ( r 2 = 0 8 3 7 ) f o rw a t e r sw i t hc h l ac o n c e n t r a t i o nb e t w e e n5m g m - 3a n d1 0 0 m g m - 3 。t h i sm o d e lw i l lu n d e r p r e d i e tt h ev a l u e s 采v e r yh i g hc h l - - ac o n c e n t r a t i o nv a l u e s ( 1 1 i g h e r t h a n1 0 0m g m 3 ) ，a n d o v e r p r e d i c t t h ev a l u e sa tv e r yl o wc h l ac o n c e n t r a t i o n ( 1 0 w e rt h a n5m g r n 5 ) at w o - c o e f f i c i e n tr e g r e s s i o nm o d e l u s i n gt m 3 w a sc o n s i s t e n ta n dr e l i a b l ep r e d i e a t o ro f t s p ( r z = 0 。6 3 ) t h em u l t i - t e m p o r a la p p l i c a b i l i t yo f t h em o d e l sh a sb e e nd e m o n s t r a t e db yt h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o nt or e m o t es e n s i n gd a t af r o m d i f f e r e n td a t e s t h em o d e l sw e l ta p p l i e dt oe s t i m a t ec h l - aa n dt s pf o rt h ew h o l et a i h ul a k e ，a l l o w i n gf o r m a p p i n ga n da n a l y s i so f t h es p a t i a lt r e n d so f w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ， k e y w o r d s ：w a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r s , r e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n g , i n l a n dw a t e r s , m u l t i - s p e c t r a l r e m o t e s e n s i n g l 第一章绪论 第一章绪论 1 前言 水是生态系统的血液，充足、优质的水资源是生态系统健康发展的物质基础， 是2 1 世纪可持续发展战略实施的重要保障。随着社会经济发展，水在国民经济 和社会发展中的地位和作用越来越突出。 水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水体污染问题的日渐严 重，水质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题，尤其是内陆水体， 其水质影响到国民生产和人们的生活用水，准确、快捷的水质监测显得尤为重要。 目前，我国内陆水体水质常规的监测方法是先采集水样，然后进行水质实验 室分析，并根据分析数据采用单一参数评价指数法或多参数的综合评价法进行水 质评价。该方法虽然能对众多的水质指标做出精确的分析和评价，但是费时费力， 不经济：而且水样采集和分析的数量很有限，对于整个水体而言，这些测点数据 只具有局部和典型的代表意义。这种方法是目前我国各地方环境保护部门和水利 部门采用的传统方法。他们在全国建立了庞大的水质监测网点，每年投入巨大的 人力物力进行采样和分析。即使如此，也只能对一些重点的湖泊水库进行监测， 其余大多数湖泊水库的水质情况不得而知。而且就某一个湖泊而言，只能布设有 限的采样点，一年中采集很有限次的水样。这种方法难以获取大范围水域水质参 数的分布和变化情况，不能满足对水质适时、大尺度的监测评价要求。 随着遥感技术的出现和发展，该技术逐渐的应用于内陆水体水质的监测评 价。内陆水体水质遥感监测利用经验、半经验或者分析的方法，选择合适的遥感 波段数据，建立水质参数遥感估测模型反演水体中水质参数浓度。水质遥感监测 方法可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，发现一些常规方法难以揭 示的污染源和污染物迁移特征，而且具有监测范围广、速度快、成本低和便于进 行长期动态监测的优势。 2 内陆水体水质遥感监测国内外研究概况及发展趋势 遥感在内陆水体研究中的应用从最初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。随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究 及算法研究的不断深入，监测方法经历了分析方法( 8 0 年代前，研究主要针对 开阔海洋) 经验方法( 8 0 9 0 年代) 一半经验方法( 9 0 年代后) 的发展过程。多 种多光谱遥感数据，包括l a n d s a tm s s 、t m 、s p o th r v 、i r s 一1 c 、 n o a a a v h r r ，和各种航空高光谱数据，如a v i r i s 数据、c a s i 数据、a i s a 数据及c i s 数据，广泛的应用于水质遥感监测研究。遥感监测水质从定性逐渐发 展到定量，并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加，包括叶绿素a 、悬浮 物、黄色物质等，反演精度也不断的提高。但是目前并没有形成精度很高，且具 有较好通用性的模型和算法。 近年来，随着传感器技术的迅速发展，高分辨率、高光谱和多极化遥感数据 逐渐成为主流遥感信息源，为遥感走向微观定量水质监测提供了数据保证。基于 对水质参数光谱特性日渐深入的了解，国外很多的学者在研究进一步提高水质遥 感监测精度的同时，开始致力于发展没有时间和空间特殊性的水质遥感监测算 法。 我国学者利用经验和统计的方法开展了一些初步的水质遥感监测研究。但是 对内陆水体水质参数的内在光学属性和诊断性光谱特征的研究相对很少，得到的 水质参数算法精度不高，且具有时间和空间特殊性，难以满足实际监测的要求。 在本文的第二章，将进一步详细的论述内陆水体水质遥感监测的原理、方法 和常用数据。 3 本研究的主要目的、研究内容和研究方法 3 1 研究目的 本文以太湖作为实验区，通过开展内陆水体水质遥感定量监测方法和技术研 究，发展适合内陆水体水质监测的多光谱波段分析技术，形成具有可操作性的中 低分辨率多光谱水质遥感监测方法和技术。为及时、有效地了解我国湖泊水质状 况、变化规律和发展趋势提供新的方法和技术，更好地保护湖泊生态。 3 2 主要研究内容 本研究以太湖为实验区，主要针对太湖湖体，开展内陆水体水质遥感监测和 湖泊营养状况评价研究。研究主要针对两种主要的水质参数一叶绿素a 和总悬浮 2 第一章绪论 物，建立适合内陆水体水质遥感监测研究的多光谱波段分析技术，形成适用性较 高的水质参数多光谱遥感定量监测模型。主要研究内容包括： 1 ) 水质参数诊断波谱分析及最佳波段选择技术：水体的光谱特征是由其中的 各种物质对光辐射的吸收和散射性质决定的，是遥感监测的基础，通过研究 水质参数光谱特征，可以选择和优化波段组合，确定水质参数遥感定量监测 的最佳波段，以获得最佳光谱信息。 2 ) 水质参数多光谱遥感定量模型构造：基于水质参数的光谱特征和多光谱波段 分析，结合地面实测数据，针对l a n d s a t 5t m 数据，建立叶绿素a 和悬浮物 的遥感估测模型：并对模型的有效性、精度及应用效果进行检验。 3 ) 模型通用性研究：利用不同时相的遥感数据研究模型的时间可扩展性，提高 模型的时空通用性，形成适用性较高的水质参数多光谱遥感定量监测模型。 4 ) 太湖营养状况遥感评价：使用l a n d s a t 5t m 数据，应用水质参数定量模型得 到太湖水质参数监测结果，采用c a r l s o n 营养状态指数( t s i ) 方法，以叶绿 素a 浓度为指标，进行太湖水体营养状况评价。 3 3 研究方法 本研究以太湖作为实验区，以主要水环境遥感监测指标，叶绿素a 和悬浮 物为研究对象。笔者首先总结分析内陆水体水质遥感监测已有的理论、技术、 方法，结合遥感技术的发展与应用技术，确定具体的研究方法。然后基于对实 验区的调查，在g i s 和g p s 的支持下台理布设采样区及采样点，并通过开展 与卫星遥感数据( 准) 同步的地面数据测量和购买卫星遥感数据，获取必须的 实验数据。研究中使用的数据包括地面水体波谱测量数据、l a n d s a t 5t m 卫星 遥感数据和与遥感数据同步的水质参数实测数据。 本研究采用半经验方法建立水质参数的遥感定量估测模型。模型的构造和 应用通过下述4 个步骤实现：1 ) 基于叶绿素a 和悬浮物的光谱特征分析，结 合l a n d s a t 5t m 卫星遥感数据与地面实测数据的统计分析，选择l a n d s a t 5t m 用于反演水体中叶绿素a 和悬浮物浓度的最佳波段和波段组合；2 ) 使用多元 统计回归分析方法，针对l a n d s a t 5t m 多光谱遥感数据，建立叶绿素a 和悬浮 物的遥感定量估测模型：3 ) 分析模型的精度和适用范围，并使用不同时相的 遥感数据对模型的通用性进行研究：4 ) 应用模型和算法获得实验区叶绿素a 内陆水体承质多光诺遥感监测方法和技术研究 浓度和悬浮物浓度图像，并通过水体中叶绿素a 浓度对湖泊的营养状况进行评 价。 4 研究实验区 本研究选择太湖作为实验区。选择太湖作为研究的实验区，主要是出于以下 两点考虑：太湖位于扬子江入海口，是我国的第三大淡水湖，在淡水供给、水产 品养殖等各个方面具有重要的作用，是长江三角洲地区的重要水源地。因此，对 太湖水质的研究具有十分重大的现实意义，此为其一。另外，近十年来，随着太 湖地区经济的快速发展，太湖水体受到了不同程度的污染，尤其是水体富营养化 程度日益严重，大部分水体处于中度、甚至是极度富营养状态。如太湖北部的梅 粱湾湖区，几乎每年7 、8 月份都发生大规模的蓝藻水华现象。浮游藻类、悬浮 物和黄色物质是太湖水体中影响水体光谱特征的三种主要物质。因而，太湖适合 作为水环境遥感研究的对象。 5 本文的框架结构 本文一共包括6 个章节，其中： 第一章绪论，简要的介绍了本研究的研究背景，研究目的、主要研究内容和 研究方法，以及实验区概况； 第二章详细的描述了内陆水体水质遥感监测的原理、主要方法和常用的遥感 数据： 第三章详细的介绍了研究中使用的数据和方法； 第四章和第五章分别介绍了内陆水体中两种重要的水质参数，叶绿素a 和悬 浮物的遥感定量监测方法和技术。详细的论述了两种水质参数的光谱特征、针对 l a n d s a t 5t m 多光谱遥感数据的波段分析和选择、遥感估测模型的建立和应用。 在第四章，本文讨论了湖泊水体营养状态的遥感评价方法。 第六章对全文做了一个简单回顾和总结，并提出了下一步的工作重点。 4 第二章水质遥感监测的基奉原理、方法和常用数据 第二章水质遥感监测的基本原理、方法和常用数据 1 水质遥感监测的基本原理 在水环境遥感中，搭载在飞机或卫星上的传感器记录的总辐射( l 1 ) 是四种辐 射的总和，可以表示为【l l ： l ，= l 。+ 上，+ 三r + l 6 ( 2 1 ) 式中，l 。是没有到达水体表面的下行太阳和天空辐射，常称为路径辐射( p a t h r a d i a n c e l ；l 。是到达气一水界面，但是基本上都被水体表面反射回去的辐射。这 部分反射的能量包含了很多有关水体近表面特征的光谱信息；k 是穿过气一水界 面到达水体内部的太阳和天空辐射在和水体中的水以及有机无机组分相互作 用，并且没有到达水底就离开水体的那部分辐射，称为水下体辐射。这部分辐射 提供了关于水体内部组成和特征的最有价值的信息；l b 是指透过水面，并且到 达水体底部的太阳和天空辐射通过在水体中传播返回的那部分辐射。如果需要获 取水底的相关信息，这部分辐射就很重要。但是，很难真正的分离k 和l b 。 在水质遥感监测中，我们感兴趣的是水体中的有机和无机组分( 如悬浮物和 叶绿素a ) ，因此，我们最关心的是怎么从传感器系统记录的多种辐射成分中提取 出感兴趣的辐射部分，也就是分离出水下体辐射部分【”，即l ，： l 。= l ，一( 三。+ 三，+ l b ) ( 2 - 2 ) 这需要对遥感数据进行精确的辐射纠正，包括大气纠正，表面太阳耀斑和表 面其他反射消除，以及水底反射的去除。 除了纯水本身之外，内陆水体中影响光谱反射率的物质主要有三类：1 ) 浮 游植物，主要是各种藻类；2 ) 由浮游植物死亡而产生的有机碎屑以及陆生或湖 体底泥经再悬浮而产生的无机悬浮颗粒，总称为非色素悬浮物：3 ) 由黄腐酸、 腐殖酸等组成的溶解性有机物，通常称为黄色物质( y e l l o ws u b s t a n c e ) u j 。因此， l v 是纯水( w ) 、悬浮物( s m ) 、叶绿素a ( c h l ) 和黄色物质( d o m ) 浓度的函数： l 。= 厂【( ) ，s m 。( 2 ) ，c h l 。( 】，d o m 。( ) 】 ( 2 - 3 ) 5 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究 l 。和l b 很难真正分离，在水质遥感监测中，通常使用l ，和l b 的总和，即 离水辐射l w ( 九) ( w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c e ) 。对于浑浊的内陆水体，利用可见和近红 外波段监测水体水质时，l b 通常可以忽略不计。因此，可以认为l w ( 九) 近似等于 l ，。在光进入水体之后，其中的一部分最终被散射回来并通过水体的表面。这部 分光称为离水辐射( w a t e r - l e a v i n gr a d i a n c e ) ，常用l w ( ) 表示。离水辐射可以在去 掉大气效应后从空间上推演得到。其大d x ( m a g n i t u d e ) 、光谱的变化( s p e c t r a l v a r i a t i o n ) 矛1 角度的分布( a n g u l a rd i s t r i b u t i o n ) 依赖于以下因素： 1 ) 水体的吸收和后向散射吸收系数( a b s o r p t i o na n db a c k s c a a e r i n g c o e f f i c i e n t s ) ，a ( ) 和b ( ) ，也就是所谓的固有光学属性( i n h e r e n to p t i c a l p r o p e r t i e s ) ： 2 ) 入射到水面的下行辐照度( d o w n w e l l i n gi r r a d i a n c e ) ，e d ( ，o + ) ； 3 ) 进入水体的光的角度分布。 利用遥感得到的离水辐射，可以计算水体反射率rt 4 ： r 。= l w ( 民c o s ot a ) “ ( 2 _ 4 ) 其中，f 。是地球大气层外的太阳辐照度( e x t r a t e r r e s t r i a ls o l a ri r r a d i a n c e ) ，0 是太阳天顶角( s o l a r z e n i t ha n g l e ) ，t d 是光穿过气一水界面的透射率。 水体因为各组分及其含量的不同引起水体的吸收和散射的变化，使不同的水 体在一定波长范围内反射率显著不同，这是遥感定量估测内陆水体水质参数的基 础。基于辐射传输理论( r a d i a t i o nt r a n s f e rt h e o r y ) ，不同的学者，针对不同的水 体提出了许多不同的反射率( r e f l e c t a n c e ) 与吸收系数a 、后向散射系数b b 之间的 近似关系式，由水质组分的吸收和散射特征表征的水体反射率模型可以用下面的 式子表示 5 1 ： 耻茄揣 任s ， 其中，f 是一个经验因子，其平均值为0 3 2 0 3 3 6 】【7 】【8 ，t 是气一水界面的透射率 q ( ) 是上行辐照度和上行辐射的比值( e u ( ) l 。( ) ) ，n 是水体折射系数a b b ( x ) 为总的后向散射系数，a ( ) 是总吸收系数。 6 第二章水埔遥感监测的基本原理、方法和常用数据 f 是太阳天顶角0o 的函别9 1 。m o r e la n dg e n t i l i 的研究 1 0 】袭明f f q 的比值相对 荨盘立予eo ，对予多个波段，邋鬻可戳假设敢的值猿立于o e 弱x 。# 恕2 的德接 近于o + 5 4 ，虽然该比饿可能随潜水体状况而变化】，但是它还是相对独立于波段 的。阑此，方程2 - 5 可以简化为f 嘲： 霆。z 鬈4 揣 驻， 其中，k 是一个不受0 o 和 影响的常数值。对于海洋中的一类水体，b b ( ) 逶零魄x ) 小缀多，霹良涛方程6 孛分母部分豹b x ) 移去，褥羁遗一步篱识鑫鸯 方程2 - 7 t 7 】( 8 】。 r 糍 ， “ ) 和b b ( x ) 通常称为筒膏光学璃性，因为它们鼹依赖予承俸及其组成，雨 与入瓣光无荧f 。总沟吸收系数x ) 是水体巾各令缀分的泼牧系数乏襄，霹皴 表示为： 口 嚣k m ) 寒表 示。町以解释为：吸收为o 5m 。表萄专一个光子 h o t o n ) 进入水体后崧第一个l m 被吸收的可能性是严5 ( 4 0 ) 。 如果我们可以精确的测爨或者是利用模溅计算每个组分的吸收和后向散射 系数，确定组分浓度与其吸收和散射舔数之间的关系，那么遴过对水体中的光的 角度分毒链些假设，就可以利用传撼器记最靛离瘩辐射和下行辐射及演水体中 以上各个组分的含量。 7 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究 2 内陆水体水质遥感监测的常用方法 水质遥感监测常用的方法有三种：分析方法( a n a l y t i c a lm e t h o d ) 、经验方法 ( e m p i r i c a lm e t h o d ) 和半经验方法( s e m i e m p i r i c a lm e t h o d ) 。 2 1 分析方法 分析方法是以由辐射传输理论提出的上行辐射与水体中光学活性物质特征 吸收和后向散射特性之间的关系为基础，利用遥感测量得到的水体反射率反演水 体中各组分的特征吸收系数和后向散射系数，并通过水体中备组分浓度与其特征 吸收系数、后向散射系数相关联，反演水体中各组分的浓度”】。 在实际的研究工作中，由于分析方法所要求的数据源难以满足，分析方法中 的很多模型都只能采用经验的关系，基于分析方法从某种特定的遥感数据反演具 体的参数浓度的水质参数算法精度并不是很耐1 6 】。 2 2 经验方法 经验方法是伴随着多光谱遥感数据应用于水质监测而发展起来的一种方法 1 7 1 。经验方法基于经验或遥感波段数据和地面实测数据的相关性统计分析，选择 最优波段或波段组合数据与地面实测水质参数值通过统计分析得到算法，进而反 演水质参数。国内外学者利用经验方法开展了很多内陆水体水质遥感监测，在特 定的水域研究中取得了一定的成功。但由于水质参数与遥感数据之间的事 实相关性不能保证，算法的精度通常不高且具有时间和空间特殊性。 2 3 半经验方法 半经验方法基于或多或少的水质参数光谱特征，结合统计分析，选择用于水 质参数反演的波谱范围和合适的波段及波段组合。半经验方法是随着高光谱遥感 技术在水质监测中的应用发展起来的【1 7 】。半经验方法根据非成像光谱仪或机载成 像光谱仪测量的水质参数光谱特征选择估算水质参数的最佳波段或波段组合，然 后选用合适的数学方法建立遥感数据和水质参数间的定量经验性算法。半经验方 法是自9 0 年代以来最常用的水质遥感监测方法。国内外很多的学者利用这种方 法对湖泊、水库的水质参数如总悬浮物、叶绿素a 、黄色物质以及与之相关的可 见度、混浊度进行监测和评价，并且得到了较高的监测精度2 0 1 1 2 1 l 2 2 1 。 r 第二章水质遥感监测的基本原理、方法和常用数据 遥感水质监测方法8 0 年代前以分析方法为主，8 0 9 0 年代以经验方法为主， 9 0 年代后以半经验方法为主，经历了分析方法一经验方法一半经验方法的发展过 程，其发展过程是和遥感技术的发展紧密结合在一起的。经验方法、半经验方法 都是通过对航空航天遥感数据、与其( 准) 同步的地面水质波谱数据、实验室水 质分析数据进行适当的统计分析反演水质参数，影响算法精度的主要因素有遥感 数据的波段设置和统计分析技术【”l 。 3 水质遥感监测中常用的遥感数据 3 1 多光谱遥感数据 内陆水体水质遥感监测中常用的多光谱遥感数据包括l a n d s a tm s s 、t m 、 s p o th r v 、i r s 1 c 、n o a a a v h r r 等数据。最先用于内陆水体水质监测的是 l a n d s a t m s s 数据，l a t h r o p 2 3 】和k l o i b e r c l 9 1 等学者的研究表明内陆水体中的叶绿 a 浓度、悬浮物浓度可以通过m s s 数据监测。但是由于波段太宽，m s s 数据不 能用于监测悬浮物含量很高的湖泊、水库中的叶绿素a 浓度。综合空间、时间、 光谱分辨率和数据可获得性特征，t m 数据是目前内陆水体水质监测中使用最广 泛的多光谱遥感数据。国内外学者利用t m 数据开展了大量的内陆水体水质的监 测研究，并且对叶绿素a 、悬浮物、透明度和黄色物质的估测都取得了比较理想 的结果【1 8 】 2 3 1 。s p o th r v 数据【2 4 】、i r s 一1 c 卫星数据和n o a a a v h r r 数据 也用于内陆水体的遥感监测研究。a l l e e 利用多时相t m 数据研究发现藻类组成 的不同是统计模型有效性的主要限制因素2 酣。k l o i b e r 的研究表明利用t m 和 m s s 数据不同波段和波段比值的组合是形成标准模型的重要一步，但是由于缺 乏可行的大气纠正方法，没有成功的建立一个通用的模型【1 9 】。 由于多光谱遥感数据光谱分辨率较低，不能在理论上针对地物光谱特征解决 问题，水质参数反演算法主要是通过经验的方法构造，适用于特定的时间和水域 监测。随着对水质参数光谱特征的深入研究和了解，利用多光谱数据研究构造不 受时间和空间限制算法的可行性受到关注。 32 高光谱遥感数据 现有的高光谱传感器分为两种：成像光谱仪和非成像光谱仪，主要搭载在不 9 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究 同飞行高度的飞机、卫星上或地面工作平台上。 残豫光谱投可叛走每个像元提供数十麓数百个窄波段( 通掌波羧宽度 1 0 n m ) 光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。国内外的学者利用荧国的a v i r j s 数据、麴拿大煞c a s i 数舔、芬兰瓣a i s a 数据及审嚣兹c i s 数据遴行了疼陆瘩 体水质参数研究，如叶绿素浓度2 0 】【2 7 1 、水体混浊度【2 7 】、悬浮物浓度刚的估 测。 地面非成像光谱仪在内陆水体水质监测中主要用来在野外或实验室测量水 体的光谱反射曲线，同时也用于机裁成像光谱仪量测水质参数的表面校准。利用 遗嚣 残像毙谱仪豹测量簸，g i t e l s o n 首先淡察到凌7 0 0 n m 瓣透反射蜂戆彼置疆 叶绿素a 浓度的增火向长波方向移幼【1 6 】，疏小舟利用高分辨率地物光谱仪在太湖 实缝溺量了漤承在霹觅惠秘近红步 波段( 3 0 0 。l1 0 0 r i m ) 豹爱射竞港藏线，势嚣裁 用叶绿素浓度超过5 t l g l 。的光谱测髓值和水质分析数据进彳亍拟合，结果发现叶绿 素浓度与7 0 0 n m 鬻近反射蜂位置蹩种很好的指数关系泣甜。 机载崧光谱分辨率数据是解决星载多光谱数据光谱分辨率低的一个有效途 径，提高了水质遥感监测耥度，但机载遥感覆盖范阔小，靛测成本高。地丽非成 豫光谱彼与星载寇必谱数摄豹结合，可望磷究出具露一定遗媚性豹水蒺参数反演 模型。 3 、3 新型飘星遥感数据 薪懿翌蓬静陆续舞空梵水质遥感整溺撵供7 雯舞空闰、对闻帮毙谱势辨率豹 遥感数据，如l a n d s a te t m 十、e o 。la l l 、m o d i s 、e n v i s a tm e r i s 等多光谱数 据和e o 1h y p e r i o n 高光谱数据。k o p o n e n 用a i s a 数据模拟m e r i s 数据对芬兰 南辩的湖泊水质进行分类，结果表鹎分类糖度和利用a i s a 数据几乎楣鄹f 2 哪； h a r m a 利用a i s a 数据模拟m o d i s 和m e r i s 数据来研究遮两种数据在水脯监测 孛貔霉爱瞧黪发瑰：m e r i s 辍7 0 5 n m 巍中心麴波段9 缀遗会弱采继算砖绿素a 的浓度，假是利用模拟的m o d i s 数据得到的算法精度并不高1 2 引。 薪墅蛋星遥感数据在承覆整溅中静应麓在国内箨尚楚予超步酚段，其特性为 水质遥感定量监测提供了机遇。新裂卫星避感数据谯内陆水体水质髓测中的应用 在阗内， 尚处于起步阶段，其特往为内陆承体东餍遥感定豢监测掇供了机遇。尤 第二章水质遥感监测的基本原理、方法和常用数据 其是星载高光谱数据，如e o 1h y p e r i o n 高光谱数据包括4 0 0 2 5 0 0 n m 间连续的 2 2 0 个波段的遥感数据，每个波段的宽度只有1 0 n m ，可以非常细致地反映地物 的波谱特征，为水质遥感机理研究提供了连续的细分光谱数据，同时可以很大程 度上降低高光谱遥感数据在水质监测中的成本，在提高水质遥感监测方法的精度 的同时提高了其实用性。m o d i s 数据有3 6 个波段，波段8 一1 6 对浮游植物和水 色敏感，其中7 个波段的波谱分辨率达到1 0 n m 。m o d i s 的空间分辨率为2 5 0 m 、 5 0 0 m 、1 0 0 0 m ，每日或每两日可获得一次全球观测数据，适合进行大范围动态 监测。同时m o d i s 仪器在4 1 0 2 1 0 0 n m 波谱段之间提供了直接量测大气散射和 吸收的检测器，因而可能发展合适的大气纠正方法进行精确的大气纠正【2 9 】。遗憾 的是m o d i s 针对海洋的9 个波段中有多个波段在内陆水体部分基本上处于过饱 和状态，使得其在内陆水体水质监测中可用波段大大减少。 4 内陆水体水质遥感监测的发展趋势 遥感在内陆水体水质监测中的应用展示了水质遥感监测方法巨大的应用潜 力和常规监测方法所不具有的优势，随着传感器技术的迅速发展，高分辨率、高 光谱和多极化遥感数据将成为主流遥感信息源，为遥感走向微观定量水质监测提 供了数据保证。水质遥感监测今后的研究将主要集中在以下几个方面l j 7 j ： 1 ) 研究利用新型遥感数据进行水质定量监测的关键技术与方法，形成一个标准 化的水安全定量遥感监测技术体系，针对不同类型的内陆水体，建立多种水 质参数反演算法，实现实验遥感和定量遥感的跨跃，从中获得原始创新性的 成果。 2 ) 提高水质遥感监测精度。研究表明利用遥感进行水质参数反演，其反演精度、 稳定度、空间可扩展性受遥感波段设置影响较大，利用星载高光谱数据进行 水质参数反演，对其上百的波段宽度为1 0 n m 左右的连续波段与主要水质参 数的波谱响应特性进行研究，确定水质参数诊断性波谱及波段组合，形成构 造水质参数遥感模型和反演的核心技术，提高水质监测精度。 3 ) 进行水质遥感监测模型空间扩展研究。系统深入的研究水质组分的内在光学 特性，利用高光谱数据和中、低分辨率多光谱数据进行水质遥感定量监测机 理研究，进行水质组分的定量提取和组分间混合信息的剥离，消除水质组分 间的相互干扰，建立不受时间和地域限制的水质参数反演算法，形成利用中 内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术研究 低分辨率遥感数据进行大范围、动态簸测的遥感定量模型。 4 )改进统计分析技术。利用光谱矜辨率较低的宽波段遥感数据得到的水质参数 算法精度都不是很高，改进统计分析技术可以充分挖掘水质信息，是掇高遥 感定鬃鉴测赣建豹有效途径，劳且可以在一定程疫上游滁算法的空间特殊 性。 5 )综合剽耀“3 s ”技术。r s 可汉为东鬟大范嚣鞠动态蕊测提供多j 孛数壤漾， g i s 是遥感数据处理和管理的肖效工具，g p s 可以用来对地面实测数据进行 精确的定位，将“3 s ”技术在承质遥感篮测中综台应鞠，建立承质遥感釜测 i 和评价系统，实现水环境质量信息的猴确、动态、快速发布，推动国家水安 全预警系统建设。 第三章数据和方法 1 实验区及采样区选择 1 1 实验区概述 第三章数据和方法 本研究选择太湖作为实验区。太湖位于扬子江入海口，是我国的第三大淡水 湖，在淡水供给、水产品养殖等各个方面具有重要的作用，是长江三角洲地区的 重要水源地。近十年来，随着太湖地区经济的快速发展，太湖水体受到了不同程 度的污染，尤其是水体富营养化程度日益严重，大部分水体处于中度、甚至是极 度富营养状态。如太湖北部的梅粱湾湖区，几乎每年7 、8 月份都发生大规模的 蓝藻水华现象。 太湖面积为2 4 2 7 8 k m 2 ( 包括5 1 个岛屿的面积) ：经纬度范围：北纬3 0 。5 4 5 ”- - 3 1 。2 5 4 ”；东经1 1 9 。3 7 2 8 ”一1 2 0 。6 7 5 5 ”；太湖南北长6 8 5 k m ， 东西平均宽3 4 k m ，最宽处达5 6 k m 。太湖是一个浅水湖泊，平均水深1 9 m ，湖 底地形十分平坦，平均坡度为0 。0 7 1 9 6 6 ”，容量不大，调蓄能力较弱，但有 利于湖水混合，使全湖水文特性、化学成分常处均一状态。 太湖水体的典型特征就是浮游藻类和非生物性悬浮物含量较高。除了纯水之 外，浮游藻类、悬浮物和黄色物质是太湖水体中影响水体光谱特征三种主要物质。 太湖夏季水型为c p y ( 即浮游藻类、悬浮物和黄色物质共同作用型) ，冬季水型 为p y ( 即悬浮物和黄色物质共同作用型) 1 3 0 】。 1 2 采样区选择 基于常年的太湖水质监测数据，本研究选择太湖污染最为严重的梅粱湾及其 附近水域作为主要的研究试验区。基于对试验区主要污染物的时间和空间分布情 况历史数据的分析，结合实地的调查研究和遥感对实地采样点分布的需要，本研