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广东省水库水质遥感监测与管理系统设计与开发 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：吕振兴 导师：邓孺孺副教授 摘要 近年来，国民经济快速发展，广东省更是站在发展的前列，与此同时，水环 境问题也愈来愈突出，水质性缺水更是影响到社会生活的各个方面。本文对各种 水质监测技术做了较为详细的研究。常规监测技术存在耗时耗力、以点带面的特 点，不能对水质状况进行及时、全面的监测。遥感和g i s 的应用恰好可以弥补这 一不足，然而常规的遥感和g l s 软件功能体系庞大、价格昂贵，普及应用具有较 大困难。因此，本文建立了适用于广东省大、中型水库的水质监测与管理系统， 对遥感和g i s 在水质监测方面的应用的实用化做了一个较好的尝试。 本文选用组件式g i s 开发模式，以觚e 1 1 9 m e9 2 为开发平台，用s u a lb a s i c 6 o 进行了系统的设计与开发。首先从光传输的物理机制出发，建立了大气纠正 等预处理模型和适合广东省水库的水污染定量提取模型，并集成到系统中来，从 而实现水污染信息自动化提取。系统还包括水质监测和管理过程中可能用到的其 它功能，如对栅格影像和矢量数据的各种处理、分析和统计，对水库信息的查询 等。本文最后应用开发的系统对流溪河等水库的t m 影像进行污染信息的提取， 对系统的主要功能进行检验，系统操作简单，功能稳定，且得到的污染物信息与 水库实测数据和实地调查情况较为吻合，方便了水利和环保部门对水库管理的办 公，并提供较为精确的全省的水质分布状况数据，达到系统设计的目标。 关键词：水质物理模型遥感水库管理觚e n g 硫监测系统 i d e s i g n & p r o g r a m m i n g o fr e s e r v o i r sw a t e rq u a l i 锣 m o n i t o r i n g & m a n a g e m e n ts y s t e m o fg u a n g d o n g p r o v i n c e m a j o r ：c a r t o i o g y & g i s a u t h o r ：l vz h e n x i n g s u p e i v i s o r ：a s s o c i a t ep 1 0 f d e n gr j i l r u a bs t r a c t 1 kp r o b l e mo fw a t e rq u a l i t yb e c o m e s 珊) r c 锄di n o r es e v e r ei i lt h er e c e n ty e a r s m o 血o r i i l gu s i l l gc o n v e m i o m lm e t h o d sc o i l s u m e st i i n ea n dn l o n e y ，a n dt h er e s u h so f w i l i c ha r eu i l i l a t e r a l h o w e v e r t h cr e i n o t es e i l s i l l gt e c l l l l o l o g ) rc a i l 贼妇u pt h e s h o r t a g em e m i o n e d 加v e ，a n dt h ep r e c i s i o no ft h eq u a n t “a t i v e r e m o t es e n s i i l g i 1 1 v e r s i o no fw a t e rq 啪1 i t yi n c r e a s ed a yb yd a 孓n e v e r t h e l e s s ，t h ee x i s t m gi i l _ v e r s i o n m o d e l i sc o m p l i c a t e dt oa p p l ya n dt h ee ) 【i s t i i l gr sa 1 1 dg i sa p p h c a t i o ns y s t e m ss u c h a sp c ia n da r c g i sh a v es o 肌m e r o u s 向n c t i o 璐t h a tl l s i l l gt h e mt om e e tg i v e n r e q u n sb e c o i n e sv e r yd i 历c u l t as p e c i a la p p l i c a t i o ns y s t e m o nw a t e rq u a h t y m o i l i t o r i r 培s h o u l db ec r e a t e d b a u s e do nt h er e a s o i l sa b o v e ，w ec a r 巧t h r o u g ht h ed e s i g na i l dp r o 酽a i n m i i l go ft h e s y s t e mo fw a t e rq u 习d i ：t y l o i l i t o r i i l g a n dr e s e n r o i r sm 锄a g e m e mo fg 嗍d o n g p r o v i i l c e ，i 1 1o r d e rt 0r e a l i z ed y n a i l l i cm o n i t o r i i l ga 1 1 dc o n v e i l i e mm a l l a g e m e n t0 1 ；t h e r e s e o 砥a n ds u p p l yi 1 1 白m 脚i o n 向rt h es p e c i f i e dd e p a n m e m s t l l i sp 印e ra c c o r d s t 0 t h es y s t e md e s 适nf l o w f i r s t l y ，i t 南c u _ s e do nt h ew h o l ed e s i g ne s p e c i a l l yt h ea i ma n d 丘a i 】、o r ko ft h es y s t e i l l ，t h e ns h o w e dt h e 缸n c t i o i l so fe a c hp a r to ft h es y s t e ma n d d e p i c t e ds o m ei i i l p o r t a mo n e si 1 1d e t a i l ，a tl a s t ，ac o n c l u s i o no ft h ea h a d yd o r l ep a n o ft h es y s t e mw a sd e i n o i l s t r a t e du s i i l ga c t u a ld a t at 0s h o wt h ep 而 1 1 a r ) ，m n c t i o i l s t l l i s s y s t e me a e c t i v e l yi m e g r a t e dr sa i l dg i st e c h n o l o g yi i l t ow a t e rq u a l i t ym o n i t o r i i 培 e s p e c i a l l yt h ep h y s i c a lm o d e l sa i l dm a d ew a t e rq u a l i t ym o i l i t o r i r 培p r o c e s sm o r e c o n v e n i e n t k e yw o r d s ：w l t e rq u a l i t y p h y s i c a lm o d e l ，r e m o t es e n s i i l g ，r e s e r v o i r sm a n a g e m e m ， 血c e n g m ，m o 血o r 啦s y s t e i i l 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本人的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吕衫红玄 日期：炒，年月 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签旁栌新躲支f 砖孺 日期：珈订年多月7 日日期：矽唱年月7 日 第一章绪论 伴随着全省经济的迅猛发展，环境问题日益突出，逐渐成为大家关注的焦点。 其中，水环境问题尤为突出。水是生命之源，广东省湿润多雨，境内有许多河流、 水库，然而缺水的问题越来越严重，究其根本是水质问题。全省江河、水库都存 在不同程度的污染问题，大大减少了可用水资源总量，造成水质性缺水，已对社 会与经济发展、生态环境和人民生活质量构成严重的威胁。通过对水质监测技术 现状的研究，可以发现常规监测存在花费高、周期长，以点带面的问题，近年来， 国内外许多学者在水质遥感监测方法做了很多研究和尝试。在此背景下，本论文 以广东省大、中型水库监测项目为依托，对水质监测的现状和方法进行深入的探 讨和研究，并最终建立了一套水质监测与管理系统，以实现遥感和g i s 在水质 监测上的实用化和系统化。 1 1 水质监测技术 1 1 1 人工取样分析 人工取样分析是监测水域按照一定的方式人工采集水样，然后在原地或带回 实验室通过化学分析、仪器分析或生物技术分析水样中的污染物及其相关的组成 成分含量。其中化学分析方法几乎可以测量所有的杂质含量，且精度高，是最为 成熟的水质分析方法。但该方法花费较高，时间较长。 仪器分析是以物理和物理化学方法为基础的分析方法。它包括光谱分析法、 色谱分析法、电化学分析法、放射分析法和流动注射分析法等。仪器分析快速简 捷，其精度取决于仪器的性能，通常其精度不及化学分析；且采用的仪器较为昂 贵。 生物技术是利用植物和动物在污染环境中所产生的各种反映信息来判断环 境质量的方法，这是一种最直接也是一种综合的分析方法。 实地取样分析的方法也可以测量所有要求的水质指标，且精度高，是目前最 为成熟，也是被普遍采用的常规方法。 然而，由于广东省大、中型水库数量多、分布广，人工取样分析方法存在着 明显的局限性。首先，用人工取样分析的方法进行水质监测周期长，劳动强度大。 正常情况下，难以在需要的时间内对所有水库进行全面采样分析，而只能抽样进 行，结果难以反映水库的真实情况；对于大、中型水库，其水域面积大，可能存 在多个污染源，污染情况在空间上可能存在着较大差异，数个采样点很难反映水 库的整体水质情况。广东省有关领导和水利、水文部门对水库水环境已非常重视， 但由于常规手段和其它各种条件的限制，现在只能对4 1 宗水库进行监测，而全 省大中型水库就有3 2 1 宗，加上小型水库达6 5 5 9 宗。所监测的4 1 宗水库能否代 表全省水库的总体情况仍是一个未知数，这就给全省水库水环境保护、污染的整 治带来很大困难，无法对所有受污染水库的治理提出切实有效的治理措施。 其次，数据的同步性差。由于不可能组织大批的人力对所有的监测的水库同 时采样，而只能按一定的顺序对各个水库先后采集水样。水样的采集有一定的时 间跨度，结果不能反映同时的情况，成为水环境状况分析的一个不利因素。 其三，实地采样分析的花费较大。由于监测点较多，监测指标也较多，进行 一次测量仅分析费用就非常昂贵。且由于水库多在山区，取样的成本也非常高， 对大、中型水库进行一次全面的测量将花费近千万元。因此完全采用常规的实地 取样分析方法对所有大、中型水库进行全面、长期的监测是不可行的。 1 1 2 仪器自动监测 仪器自动监测是通过水质污染自动监测系统( 聊m s ) 实现的。水质污染自 动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量 技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组 成的一个综合性的在线自动监测体系。 水质自动监测仪具有最佳的实时效果，可以对水质进行自动、连续监测，数 据远程自动传输，随时可以查询到所设站点的水质数据。这有助于解决现行的水 质监测周期长、劳动强度大、数据采集传输速度慢等问题，具有很好的社会效果 和经济效益。其先进性在于在中央控制室可以实时显示现场数据，仪器发生故障 时，报警功能可提醒用户并告知故障原因。肿m s 可尽早发现水质的异常变化， 2 为防止下游水质污染迅速做出预警警报，及时追踪污染源，从而为管理决策服务。 但大部分自动监测系统是以监测水质污染的综合指标为基础的，包括水温、 混浊度、p h 值、电导率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总需氧量和总有 机碳等。单项污染物浓度自动监测系统还处于研究实验阶段。总的来看，在现有 水污染连续自动监测系统中，水质污染监测项目尚较为有限，尤其是单项污染物 浓度监测项目还是比较少，例如重金属、有毒有机物项目的自动监测仪器较为缺 乏。现有单项污染物浓度检测仪器在性能方面还存在一些缺陷，在一定程度上限 制了它的使用。 其次，水质连续监测仪器长期运行的可靠性尚差，一般同时运行率仅达7 0 ，故障经常出现在传感器沾污及采样器堵塞上。 此外，水质污染自动监测系统价格昂贵，运行成本极高。目前国内的自动监 测仪器研制技术发展较慢，所用的自动监测仪多为国外进口设备。 目前较为常用的上述两种方法各有优劣。实地采样分析方法的监测精度高， 但水质监测周期长，同步性差，劳动强度大，且数据采集、传输速度慢。仪器自 动监测的方法具有很好的实时性和同步性，但可监测的指标有限，精度不高，且 自动监测系统价格昂贵，运行成本高。这两种方法的共同缺陷是在可行的成本范 围内无法对全省大、中型水库进行有效的全面监测，所以难以做到及时、全面地 获取全省大、中型水库的水质情况。而及时全面地了解全省大、中型水库的水质 情况是进行水环境保护、水污染整治的关键。 1 1 3 遥感与g i s 的应用 卫星遥感技术是以人造卫星为平台，用高精度传感器对地表进行探测的现代 高科技技术，它可以在短时间内大范围地获取地面数据。由于在对地观测方面具 有极高的效能，近年来得到极大的发展，卫星影像的空间分辨率和光谱分辨率都 得到极大的提高，信息量成几何级数增长，以广泛应用于地学、城市规划、军事 等领域。 在水质监测方面，由于受污染后，水体对电磁辐射吸收和散射性质发生改变， 导致传感器接受到的反射光谱发生变化而在遥感数据中得到反映，只要建立适当 的遥感反演模型，就可以根据遥感数据计算出水污染的浓度。环境遥感技术发展 3 较快，目前可定量反演出主要的水质参数。其精度取决于采用的遥感模型、大气 纠正等因素，且仍有很大的提高空间。一般情况下，水质遥感结果的绝对精度偏 低，但相对精度较高，如采用有限的水面监测数据进行定标，就可以使精度大大 提高。 由于遥感技术可以在极短时间内大范围地获取地面的数据，所以很方便对大 范围内所有的江河和水库的水质情况同时进行遥感反演，反演结果具有很好的同 步性，其可视化的特点还可以很方便地反映大、中型污染源。此外，由于卫星遥 感数据周期性重复覆盖地球表面，采用遥感技术可以方便地对全省范围内所有水 库的水质进行定期动态监测。 g i s 技术的应用使分析和管理遥感数据及其它矢量数据更为便捷。而且我们 可根据特定用途或专业需求在各个g i s 开发平台上建立相应的专题地理信息系 统。将数据分析所用模型和方法集成到系统中。这样就可以去除功能庞大、价格 昂贵的遥感图像处理软件和g i s 专业软件的制约，进而按照需求来组装系统， 达到操作简单、更为实用的目的。 一旦专题性地理信息系统建立完成之后，只需要利用遥感技术或其它技术定 期获取模型分析所需的数据，即可应用系统对其进行处理、统计、分析，快速得 出结果。因此，g i s 技术的应用使短周期监测成为可能。 1 2 水质遥感监测研究现状 自从1 9 7 2 年l a n d s a t 1 发射以来，遥感不仅在陆地资源环境领域中得到广泛 的应用，对水环境参数的提取也得到了发展。在水污染研究方面，虽然美国等一 些发达国家从2 0 世纪7 0 年代就开始应用航空遥感监测入海的工业废水和生活污 水，却主要是一些定性的描述。水环境的遥感监测是基于污染水的光谱效应。由 于溶解或悬浮于水中的污染成分、浓度不同，使水体颜色、密度、透明度和温度 等产生差异，导致水体反射能量的变化，而在遥感图像上反映为色调、灰度、形 态、纹理等特征的差别，根据这些影像显示，一般可以识别污染源、污染范围、 面积和浓度。 近年来，国内外的学者在水质遥感监测方面做了很多的研究，主要有两个发 展趋势，一是定量遥感反演模型研究的深化。气溶胶大气纠正模型日趋成熟，水 4 体辐射传输机理不断深入，水质成分的吸收和散射参数的测量日益精确，使得水 质遥感的定量化程度不断提高。二是高光谱数据的应用，高光谱遥感数据具有一 百多甚至数百个通道，其光谱分辨率已达纳米级，大大丰富了水质成分的信息量， 使得定量提取各水质成分的含量成为可能，为水质遥感由综合指标的反演向单一 成分浓度的定量提取过渡。目前国际上遥感技术发展极快，其应用遍及各个地学 领域，应用遥感技术进行水环境监测已经成为国际发展的趋势所在。 1 2 1 国外研究现状 国外在水质遥感方面的研究和应用可分为以下几种：地基遥感、光学遥感、 高分辨率遥感、高光谱遥感、微波遥感和激光遥感。 1 地基遥感 地基遥感一般是利用光谱仪对水体情况进行探测，而后建立水中污染物含量 与光谱信息之间的关系，从而反演水体污染。有学者利用f i e l d s p a c ef r 分光计来 测量水中悬浮物。 2 光学遥感 在光学遥感方面进行的研究主要是利用t m 、m o d i s 、s p o t 等卫星影像来反 演水体中的污染物浓度，主要反演的污染物包括叶绿素、悬浮泥沙、浮游植物、 有色溶解有机物、地表水透明度、t o c 、b o d 、c o d 等水质参数。以下是一些 国外学者在这方面进行的研究。 z h a i l g 等【1 】利用t m 数据研究了开矿对水体造成的污染情况；p e l ( 1 【a 等【2 】利用 m o d i s 、t m 和e n v i s a tm o r i s 数据联合反演了水中的叶绿素、悬浮物含量及水体 的水体透明度及浑浊度；y a i l g 【3 】等利用s p o t 卫星影像来反演水中蓝藻的生物学 参数；d m i t r y 等【4 】利用m o d i s 中分辨率影像来反演河口的水质情况或监测水质； d a v i d 等5 1 利用光学遥感监测海洋油污泄漏；也有学者利用t m 影像反演水体中的 叶绿素含量【6 】，t o c 、b o d 、c o d 【7 】；w r a i l g 等【8 1 利用m s s ，t m e t m 和a s t e r 来 研究珠江三角洲地区城市化对水体质量的影响；h a i l s 等【9 】利用航空遥感反演悬浮 泥沙和叶绿素a ，但是对于精确反演c d o m 还有待于研究；ez 等1 0 1 利用t m 影像 来监测湖泊水体富营养化现象；ds 等1 1 】利用3 s 技术来确定非点状污染源；i ( a is 5 等1 2 1 利用开发的多传感器系统来监测p h 、温度、溶解氧、电导率和混浊度；l i u 等1 3 1 利用t m 数据来反演溶解氧和地表水透明度；l i 等【1 4 】利用t m 数据反演无机 沉淀颗粒、浮游植物、有色溶解有机物、地表水透明度；s h u 等【”】利用短波红外 波段( t m 5 ) 反演混浊度较大和富营养化的水体中的叶绿素a 的含量；q i u 等【l6 】利用 t m l 至0 4 波段反演b o d 和c o d ；h e 【1 7 1 等根据清洁水体和污染水体后向散射的极化 情况的不同从而来判断水体的污染程度。 3 高分辨率遥感 该方法应用相对较少，主要是利用卫星影像、地形数据相关软件模拟三维真 实世界来监测水源的重金属污染【18 1 。 4 高光谱遥感 高光谱遥感是今年来发展较快的水质遥感技术，目前多采用的遥感数据主要 是记载遥感系统数据和h y p e r i o n 卫星数据。高光谱遥感可以监测较多的水质参 数，其中包括叶绿素、悬浮泥沙、浮游植物、有色溶解有机物、地表水透明度、 t o c 、b o d 、c o d 、d o 等水质参数。以下是一些学者利用高光谱数据进行水质 遥感的研究。 c h e n 等【1 9 】利用高光谱数据计算海岸附近海水吸收系数来反演水质水体质； g l e n d a 等【2 0 1 利用高光谱数据监测海表油污泄漏；c h a r l e s 【2 1 】等利用高光谱数据遥 感水中植被分布情况。w a l l g 等【2 2 1 利用h y p e r i o n 数据来反演叶绿素和悬浮泥沙的 浓度，主要分析了叶绿素浓度和悬浮泥沙的浓度与h ) ，p e r i o n 反射系数的关系，其 中包括( r 1 r 2 ) 、( r 1 r 2 ) 、( r 1 r 2 ) ( r 1 + r 2 ) 三种算法；nm 等【2 3 1 利用高光谱遥感数据， 采用主成份分析法和辐射传输原理来研究水质参数和光谱反射率之间的关系，反 演的主要水质参数为：叶绿素、( s e c c h id i s kt r a l l s p a r e n c y ) 地表水透明度、总悬浮 物；k o h z o 等【2 4 1 采用多极化高光谱成像分光光度计检测水中悬浮物质的浓度； t t o r i o 等【2 5 】利用h e p e r i o n 高光谱数据反演有色溶解有机物、叶绿素、悬浮物；y a n g 等口6 1 利用高光谱数据反演叶绿素a 、悬浮泥沙、总氮、总磷、化学需氧量和水体 透明度；g o n g 等【2 7 1 利用高光谱数据反演总磷、总氮、c o d m n 、b o d 和d o ； s c l i e w 【2 8 】利用高光谱数据计算海岸海水吸收系数来反演水体质量。 还有一些学者利用高光谱数据与一般光学遥感数据相结合来反演水质情况。 x i a o 等口9 1 采用t m 影像和h y p e r i o n 高光谱影像，利用经验衰减和线性光谱分离 6 原理来反演太湖叶绿素a 的浓度；s a b i n e 等【3 0 】利用光学遥感和高光谱遥感方法来 反演富营养化湖泊和叶绿素； 5 微波遥感 微波遥感技术在水质遥感方面的应用相对较少，主要是用来调查水体表面的 流动情况和海洋表面油污泄漏情况。以下是一些学者在该方面进行的研究。 利用微波测量水体中油污染【3 1 】【3 2 】【3 3 】；wm a h e r 等用微波技术来调查水体 中总磷及总氮含量；h a s h e m 等【3 5 1 用微波来反演水体的电磁特性及参数，从而反 演水质情况；c a l v i n 等 3 6 】利用微波遥感反演海水盐度；a b d u l f 3 7 1 等利用三探头反 射计算法来测量水体综合反射系数( 强度和相位) ，而后建立综合反射系数与水 质之间的经验关系，从而反演水质情况；a n a t o l j i 等p 8 1 利用测量不同类型水体的 微波辐射，分析主要基于理论模型和在实验室、池塘、海岸、和海洋获取的经验 数据，而水体的微波辐射与其表面风速、波浪的几何形状、膨胀、泡沫及其它一 些物理化学参数有关如温度、盐度及其它一些污染物浓度，主要探讨根据对微波 辐射的评估来确定以上水表参数的方法。 也有一些学者将微波遥感技术与可见光遥感相结合进行水质遥感研究。 z 1 1 a n g 等【3 9 】利用可见光、热红外、微波遥感综合反演水体中叶绿素和浑浊度； 利用t m 和e r s 2s a r 数据来反演芬兰海湾地区水质。z h a n g 等【4 0 1 同样利用光学 遥感与微波遥感反演了浑浊度、水透明度监测深度和悬浮物浓度，研究结果表明 实用神经网络方法可以获得比多元变量衰减法更加准确的结果，同时结果也表明 在研究区域实际应用过程中，雷达数据仅仅能在水体边缘地区对以上三种变量的 反演结果精度有所改善；z h a n g 等【4 1 】还利用光学遥感与微波遥感反演叶绿素a ， 悬浮泥沙浓度，浑浊度和水体透过度。 6 激光遥感 激光遥感技术在水质遥感方面的应用很少，一般是设计一种激光成像系统对 水底进行成像，该方法对于浑浊水体也能较清晰的成像【4 2 1 。 1 2 2 国内研究现状 国内对水环境遥感监测的研究相对于欧美国家起步较晚，但近年来发展较 快，研究和应用都迅速增加，取得了一定的成果。 7 中国科学院南京地理与湖泊研究所何隆华【4 3 】等采用n o a a v h r r 气象卫 星的复合比值合成图像和色调饱和度明度变换技术，对长江三角洲主要水体的 水质污染情况进行了一个宏观的反演。由于不同污染水体的绿度、温度和透明度 差异反映了物理场的不同，因此，在遥感技术中用n o a a a v h i 淑气象卫星测定 绿度、温度和透明度三类数据可完整地识别不同水体的水质变化。这种方法具有 覆盖面广、时相连续、费用低廉的优势，宜于对大区域内具一定面积的水体作连 续性的宏观监控观察，这是单一的航空红外或彩红外遥感技术无法相比的。但是， 它存在着分辨率低的缺点，无法精确标出污染源的确切位置。因此，在应用中对 污染剧化应予重点监控的部位需要按照需要开展适量的彩红外航空遥感、航天小 卫星或资源卫星遥感，互相结合补充予以解决。 匡定波【4 4 】1 9 9 7 年应用t m 图像解译太湖水质状况。其结果表明卫星图像( t m ) 及水而反射光谱可以反映湖泊中泥沙和叶绿素特征；濮静娟【4 5 】等( 1 9 9 7 ) 利用热红 外遥感对唐山陡河水库的水质及其生态环境进行试验研究。其结果表明热红外可 有效地监测库区水质受热污染状况。 李炎【4 6 1 等提出了遥感水体中悬浮泥沙含量的半经验公式。邓孺孺【4 7 1 等在这些 研究的基础上，根据水体反射光谱产生的物理过程，建立了污染浓度与水体反射 光谱之间基于一次散射的物理模型，并应用于珠江口水域的水污染信息提取，取 得了较好的效果。但该模型出于简单和实用性方面的考虑，只考虑了一次散射， 以避免复杂的运算，当混浊度较大、多次散射能量所占比例较高时，其精度受到 影响。针对改问题，邓孺孺【4 8 】等进一步根据多次散射的能量组成特点，在一次 散射模型的基础之上，增加考虑了二次散射的作用，使模型的精度有所提高。应 用该模型可提取的参数取决于遥感数据的质量、大气纠正精度、出水辐射反射率 的计算精度，以及各水质成分散射系数和吸收系数的差异性及其测量精度等因 素。 1 3 遥感监测系统开发研究现状 地理信息系统指能处理、分析地理空间数据的一类信息系统。按照地理信息 系统的应用特点，可以将地理信息系统分为两类：应用型地理信息系统和工具型 地理信息系统。 8 作为应用型的地理信息系统，一般具有区域性、应用目的性、核心应用模型 和专业的用户界面等特点，国内对地理信息系统的研究和开发多集中在这个方 面。目前国内众多学者针对特定问题进行遥感监测系统的设计与应用，涉及到社 会生产生活的众多领域，并且有良好的发展势头，随着经济的持续增长，自然环 境与经济发展之间矛盾的日益突出，应用型的地理信息系统将会更加实用化、专 业化，应用到更多的行业和领域中来。 王茜【4 9 】等以r s 和g i s 为支持，针对长江中游地区严重的洪涝灾害，建立水 灾监测系统，达到快速、准确与全天候的监测效果。李春强【5 0 】初步提出了河北 省生态环境监测系统建设的基本思路、步骤和体系。冯锐【5 l 】等利用n o a a 卫星 数据特点与g i s 技术结合，建立基于g i s 的洪涝灾害遥感评估系统，可以在洪 涝灾害发生后快速、准确地提供淹没区的空间及属性信息，为宏观决策提供科学 依据。李四海【5 2 】等在对多源遥感数据处理、地物特征识别与解译、专题信息提 取等方法研究的基础上，开发了天津海域遥感图像解译应用系统，并在天津市海 岸线和海岸带变化监测、海域环境监测等方面进行了示范应用。赵玉金【5 3 】等在 多年对极轨气象卫星遥感资料的研究和开发应用基础上，将已成熟的遥感监测项 目组件成一个业务应用开发系统。赵静珍【5 4 】等将遥感技术、地理信息系统、管 理信息系统和数学模型集成在一起，研制一套实用的土地利用动态监测、变化趋 势预报和质量综合评价的应用系统。 近年来，由于各部门应用和管理的需要，产生了一些遥感监测系统，如上述 列举的生态环境监测系统、海域遥感图像解译应用系统、洪涝灾害评估系统、土 地动态监测、预报系统等。但是并没有发现国内水环境遥感监测系统方面的研究， 本系统将在此方面进行一个有益的尝试，为今后遥感和g i s 在水质监测中的进 一步应用打下基础。 1 4 本研究的必要性和意义 1 4 1 水库水环境现状 水库是引用水和灌溉用水的重要来源，是最重要的水利工程建筑之一。尤其 在每年的枯水季节，水库的作用更为突出。广东省建有水库6 5 5 9 宗，总库容4 1 2 9 亿m 3 。其中大、中型水库共3 2 1 宗，总库容达3 5 7 m 3 ，占全省水库总库容的8 6 ， 在全省水资源中占有举足轻重的地位。多年来大、中型水库为广东省的工、农业 发展，以及民生和环境等方面做出了极为重要的贡献。 由于这些水库建成时间比较长，淤积严重，部分水库含有污染成分的淤积物 长期积累，导致水质下降。导致水库水质下降虽然有自然因素，但更为重要的是 人为成因。人为成因包括农业污染、工业污染和生活污染。由于水库的自净能力 较低，只要上游有污染源存在，经过一定时间的积累，就可能会导致严重的污染。 据丰水期和枯水期对广东省1 9 个大中型水库的水质调查结果，大部分水库都受 到了一定程度的污染，属于中营养型；东江流域的几个水库水质较好，为贫营养 型；而位于经济发达的沿海地区的多数水库则受到严重污染。水库的特点决定了 水库易污染而难治理，一旦发生严重的污染，其影响将是长久的。在水库水污染 的初期进行整治可收到事半功倍之效，反之，若等到污染严重时再治理将可能付 出数倍甚至更多的代价。因此，必须及时地掌握全省水库水环境状况。而我省水 库众多，分布范围广，且多位于山区，交通不变，采用已有的手段难以进行监测， 遥感技术恰好可以弥补这一不足。 1 4 2 系统建立的必要性和意义 几种水质监测技术相互补充，不能互相取代，因此常规监测和遥感监测的结 合十分必要，这样就可以集合常规监测的高精度与遥感监测的短周期全局性监测 的优势于一体。然而，如何将r s 和g i s 技术应用到水质监测中来，已有的研究 模型往往很难方便地应用于实际工作中，独立的遥感或g i s 软件功能复杂庞大， 难以适应某一具体的应用。这就需要开发一种集遥感图像处理和g i s 分析和数 据管理于一体，针对性和实用性较强的，简单易操作的应用型信息系统。据此， 本系统建立的必要性有以下几点： 1 遥感专业软件功能过于庞大，需要开发一种简洁易用，针对性强的实用系统。 目前较常用的遥感专业软件有e 对) a s 、p c i 等，然而，这些专业的遥感图像 处理软件还存在很多问题： 1 ) 自动化低、操作复杂；数据的输入、结果的分析等十分繁琐不便。 2 ) 不能业务化运行。 1 0 3 ) 与常规数据的结合不便。 据此，我们需要研究开发一种自动化程度高、操作简单、适合具体应用，适 合非专业人员使用的实用性系统。 2 遥感与g i s 结合的需要。 遥感是一种空间数据采集、识别与分类的工具。地理信息系统是一种管理 和分析空间数据的工具。它们之间存在着十分密切的关系，遥感系统是g i s 数 据获取与更新子系统，g i s 提供的多种空间与属性数据也是遥感信息识别与分类 的辅助知识，有利于提高遥感目标识别的精度与效率。两者优势互补，相辅相成。 实际工作中往往需要遥感与g i s 技术的结合，常用的软件很难将两个恰如其分 地结合在一起，以满足水库监测的需要，研究和开发本系统有利于方便地集成遥 感和g i s 的优势。 3 水质遥感监测实际工作的需要。 由于遥感监测可以弥补水质常规监测的不足，因此，本系统将着重于对水质 遥感监测中的遥感数据进行处理和分析，以发挥遥感宏观、快速的优势。预处理 模型和水污染提取模型的嵌入使水质分析过程更为实用、便捷，使水质动态监测 成为可能。海量的水库信息数据的管理非常困难和繁琐，本系统中对矢量图层的 分析、查询和管理功能也将使这一过程更为方便和简单。 本研究的意义在于： 1 ) 构建适合广东省水库的水质遥感监测模型，并将其集成到监测系统中， 使模型更为实用化。 2 1 为水利部门提供全省大中型水库管理的有效平台。 3 ) 实现对全省大中型水库水污染的相关参数的提取、统计，分析，对海量 数据的有效管理。 4 ) 实现水库水质遥感监测各项功能的自动化和业务化，有利于水库水质遥 感监测的集成化和系统化的进一步发展。 第二章系统总体设计 2 1 系统总体目标 本系统的建立目标在于实现广东省大、中型水库水质监测和管理的自动化、 业务化，为水利部门提供最新的全省水库水污染分布状况信息和水库基础信息， 因此，系统整体目标分为以下几点： 1 ) 实现全省水库水质遥感监测自动化和实用化； 2 ) 全省水质有关资料的高效管理： 3 ) 水库水环境相关因素、污染源及其影响作用分析； 4 ) 水库水质的变化趋势进行分析； 5 ) 水库功能、功能覆盖范围分析； 6 ) 水库防洪分析； 7 ) 水库水质监测结果输出。 2 2 系统总体结构 根据系统的总体目标，本系统拟建立若干功能模块，将在系统功能设计中详 细介绍。其中，每个模块都与数据库联系并通过主界面调用；本系统的特色在于 遥感与g i s 、水质遥感模型的结合，故系统注重遥感数据的操作处理，系统的每 个模块之间相互独立通过公共数据池相互关联，不但能够综合完成相应的功能， 而且模块的独立性使得模块的更新和扩充更加方便。系统功能模块与总体结构如 图2 1 所示。系统结构有以下特点： 优点： 1 ) 控件化设计，具有很好的兼容性和可扩展性。 2 ) 模块的独立性。各个分析模块相互独立运行，通讯都在数据池中进行。 3 ) 通过公共数据池调用数据。 缺点：组件式g i s 在运行速度上与专业化的g i s 客户端软件相比较弱。 1 2 图2 1 广东省水库水质遥感监测与管理系统总体结构 2 3 系统数据分析 要实现系统功能分析中所提出的功能，必须有相应的数据作为支撑，并且数 据的存在与否决定了系统能否产生预计的效能，数据的质量也决定了分析和管理 的效果。系统所需要的数据主要有以下几种： 1 基础地理数据： 基础地理底图是所有地理信息统的基础，也是分析、研究、计划等必需的基 础数据。包括： 1 ) 行政区划。所需属性：编号、行政区名、级别、面积 2 ) 地名。所需属性：地名、级别 3 1 道路。所需属性：类别、级别 4 1 居民地。所需属性：地名 5 1 等高线。所需属性：标高 2 卫星影像图 卫星影像图是本系统进行水库水质遥感监测的首要数据，用于提取污染物浓 度、分布、扩散规律等信息。主要包括l a n d s a tt m 卫星数据、中巴卫星数据、 s p o t 卫星数据、e n v i s a r 卫星数据、高光谱卫星数据。 1 ) l a n d s a tt m 卫星数据： 表2 1t m 影像数据参数 波段号类型波谱范围地面分辨率 lb l u e g r e e n0 4 5 0 0 51 53 0 m 2g r e e n0 5 2 5 0 6 0 53 0 m 3r e d0 6 3 0 0 6 93 0 m 4 n e a r i ro 7 7 5 o 9 03 0 m 5s w i r1 5 5 0 1 7 53 0 m 6l w i rl o 4 0 1 2 56 0 m 7 s w i r2 0 9 0 2 3 53 0 m 8p a n o 5 2 0 o 9 01 5 m 2 ) 中巴资源卫星数据： 提供了从2 0 米_ 2 5 6 米分辨率的1 1 个波段不同幅宽的遥感数据。 表2 2 中巴资源卫星影像数据参数 红外多光谱扫描仪：c c d 相机： 波段数： 4 波段数： 5 波谱范围：波谱范围：b 1 ：0 4 5 一o 5 2 ( u m ) b 6 ：0 5 0 一1 1 0 ( u m )b 2 ：0 5 2 一o 5 9 ( u m ) b 7 ：1 5 5 一1 7 5 ( u m )b 3 ：0 6 3 0 6 9 ( u m ) b 8 ：2 0 8 2 3 5 ( u m )b 4 ：o 7 7 0 8 9 ( u m ) b 9 ：1 0 4 1 2 5 ( u m )b 5 ：0 5 l 一0 7 3 ( u m ) 覆盖宽度：1 1 9 5 0 公里覆盖宽度：1 1 3 公里 空间分辨率：b 6 一b 8 ：7 7 8 米 空间分辨率：1 9 5 米( 天底点) b 9 ：1 5 6 米侧视能力：3 2 士3 2 广角成像仪： 波段数： 2 波谱范围： b 1 0 ：o 6 3 一o 6 9 ( u m ) b 1 l ：o 7 7 0 8 9 ( 啪) 覆盖宽度：8 9 0 公里 空间分辨率：2 5 6 米 3 ) s p o t 卫星数据： 表2 3s p o t 影像数据参数 波谱范围： 多光谱x i b 10 5 0 一o 5 9 啪 2 0 米分辨率b 20 6 l 一0 6 8 u m b 3o 7 8 0 8 9 u m s w i r1 5 8 1 7 5 啪 全色p 1 0 米 b 20 6 l 一0 6 8 姗 4 ) e n v i s a t 卫星数据： 表2 4e n v i s a ta s a r 各模式工作特性 a l t e r n a t i n g g l o b a l 模式 i m a g e 、矾d e s w 础肠蹭 p o l a r i s a t i o n m o n i t o r i n g 成像宽度 最大1 0 0l ( i i l最大1 0 0l ( i i l约4 0 0k m约4 0 0k m5 妇 下行数据率 1 0 0 m b i 低1 0 0 m b i 佻1 0 0m b i t s0 9m b i t ，so 9m b i t ，s v v h h 或 极化方式v v 或h hv v 或v v 或h hv v 或h hv v 或h h h h h v 分辨率 3 0 m3 0 m1 5 0 ml o o o m1 0 m 5 ) h ) ，p e r i o n 高光谱卫星数据： 表2 5h y 耐o n 数据参数 波谱范围： 0 3 8 2 5 啪 波段数 2 4 2 空间分辨率 3 0 m 光谱分辨率l o 姗 覆盖宽度 7 5 k m 轨道高度 7 0 5 k m 3 大、中型水库基本信息数据 为对全省大、中型水库进行管理和水质监测，必须了解水库的详细信息。所 包含的主要属性为：名称、库容、面积、修建时间、水库功能，流域面积等。 4 数字高程模型 由于水的分布受到地形的影响，因此需要d e m 数据提取坡度，坡向，高程 等数据。所需属性：高程值。 5 常规监测数据 主要包括包括点、线、面状污染源信息和污染源的相关背景信息；样点 水质观测数据，具体为样点的位置信息和几种主要污染物质的浓度信息。 6 多媒体数据 典型水库实地调查拍摄的照片、录像。 上述所需数据来源如表2 6 所示： 表2 6 所需数据来源表 数据种类数据来源 基础地理数据地形图数字化数据或相关部门购买 卫星影像图在遥感卫星地面站等卫星接收部门购买 水库信息数据可从水利部门获取 数字高程模型等高线转化；或在测绘部门、公司购买 常规监测数据水利部门和环保部门获得 多媒体数据项目组自行拍摄 2 4 系统采用的技术路线 2 4 1 开发模式的选择 在g l s 应用开发中，可以采用三种实现方式【5 5 1 ，如表2 7 所示。 表2 7g i s 系统开发模式比较 开发模式实现方式优点 缺点 g i s 软件内部用g i s 软件的内嵌开发 简单快捷 难以开发出新 环境二次开发语言进行的功能 利用g l s 基础软件和通功能易于实现、扩展，开发工作量较 集成二次开发 用语言进行集成开发界面可定制性强前者为大 不依赖任何g i s 工具软不依赖于任何商业 独立开发功能不强 件，所有算法独立设计g i s 工具软件 本系统要求适合广东省水库水质遥感监测工作的需要，需要有较强的功能， 而且要求操作简单。采用g i s 软件内部环境二次开发的方法因灵活性受到很大 限制，很难开发出具有较强功能，且操作简单的系统。采用独立开发的方法显然 难以在有限的时间和资金条件下开发出功能满足需要的系统。故本系统采用集成 二次开发的方法。即用公共的计算机语言为开发工具，选取一套优秀的g i s 软 1 6 件进行二次开发。 2 4 2 开发平台的选择 a r c o b j e c t s 是基于m i c r o s o f 【c o m 技术所构建的一系列c o m 组件产品。利 用a r c o b j e c t s 组件进行系统开发主要有两种平台：d e s k o p 和e i l g i i l e 。首先对两 者进行分析比较，再根据实际需求选择其一做为开发平台【5 6 】。 a r c g i sd e s 虹o p 提供了三种层次的开发方式：使用v b a 环境定制应用系统； 在自己的应用系统中嵌入心c g i sc