【《基于Landsat 8遥感影像数据的城市水质指标探析案例》5000字】

3沧州地区水质综合评价基于Landsat8遥感影像数据的城市水质指标分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30908基于Landsat8遥感影像数据的城市水质指标分析案例 1314321.1研究区域概况 1231611.2研究数据获取 123251.2.1影像数据获取 1221831.2.2影像数据处理 3231521.3研究区域水体提取 6244621.4回归模型的建立 7237991.2.1化学需氧量的回归模型的建立及检验 8173791.2.2总磷的回归模型的建立及检验 885352基于研究区域的水质评价方法 108362.1水质评价方法的研究 1071192.1.1定性-定量遥感方法 10203882.1.2半经验方法 10211092.1.3经验方法 10273992.2研究区域的水质评价 101.1研究区域概况试验区研坐落于河北省，东边是渤海，北边接壤京津，湖泊众多，试验区海岸线南起海兴县的大口河，北至黄骅市的歧口，总长98公里，滨海地带有滩涂面积40多万亩，它是渤海、黄海水资源的沃土，沿岸的古贝壳坝是世界现存的三大古贝壳之一。实验区地处各种河流繁多的河流和海域，实验区上游就有三条水系，贯穿东南西北，横竖相间，湿地非常多，芦苇海浩瀚，白洋淀位于沧州市任丘市境内，生态环境极好，非常适宜动物繁衍和迁徙，白洋淀的水通过大清河直接流入天津。它是中国北方的旅游休闲的不二选择，被众人誉为“华北明珠”。实验区的气候属暖季风气候。每年的平均气温在12℃-13℃；，最高气温40℃；，最低气温-21℃；，实验区地处半纬度地区，雨季和热季在同一季节，日照充足。1.2研究数据获取1.2.1影像数据获取本文所需要的遥感影像数据下载于空间地理数据云。Landsat8是\t"/item/landsat8/_blank"NASA与\t"/item/landsat8/_blank"美国地质调查局（即USGS）联合研发，而且由\t"/item/landsat8/_blank"轨道科学公司（即OSC）建设。NASA主要开展设计工作、建设工作、发射工作以及轨校准工作等，在此阶段中的卫星被称之为\t"/item/landsat8/_blank"LDCM。在2013年5月30日，USGS接手后续的常规操作，让卫星更名成Landsat8。USGS进行地球资源观测和科学（即EROS）中心开展发射后的校准操作活动、卫星操作活动、数据产品生成操作活动以及数据存档操作活动等。Landsat-8与卫星Landsat-7在空间分辨率和光谱特征方面一致。R、G、B主要用途4、3、2Red、Green、Blue自然真彩色7、6、4SWIR2、SWIR1、Red城市5、4、3NIR、Red、Green标准假彩色图像、植被6、5、2SWIR1、NIR农业7、6、5SWIR2、SWIR1、NIR穿透大气层5、6、2NIR、SWIR1、Red健康植被5、6、4NIR、SWIR1、Red陆地/水7、5、3SWIR2、NIR、Green将受大气影响的自然表面剔除7、5、4SWIR2、NIR、Red短波红外6、5、4SWIR1、NIR、Red植被分析波段名称波长的范围（μm）空间分辨率（米）主要的应用Band1Coastal（海岸波段）0.433-0.45330主要用于观测海岸带Band2Blue（蓝波段）0.450-0.51530用于水体穿透的监测，用来分辨土壤植被Band3Green（绿波段）0.525-0.60030用于分辨植被Band4Red（红波段）0.630-0.68030此波段处于叶绿素的吸收区，可以用于道路观测，观测裸露的土壤，观测植被种类等Band5NIR（近红外波段）0.845-0.88530用于估算含有的生物量，分辨潮湿土壤Band6SWIR1（短波红外1）1.560-1.66030它可以用来观测道路、裸露的土壤和水体区分。它还可以在不同的植被之间产生很好的对比，并有非常好的大气和云层分辨率Band7SWIR2（短波红外2）2.100-2.30030它可以用来区分岩石和矿物。也可用于识别植被覆盖和湿土Band8Pan（全色波段）0.500-0.68015为15米分辨率的黑白图像，用于强加分辨率的强度Band9Cirrus（卷云波段）1.360-1.39030包含水汽强吸收特征，可用于云检测Band10TIRS1（热红外1）10.60-11.19100可以感应到热辐射的目标Band11TIRS2（热红外2）11.50-12.51100可以感应到辐射的目标1.2.2影像数据处理（1）辐射校正

传感装置获取的图像辐射强度参数，即为亮度值参数（或者灰度值参数）等，其辐射强度参数与相应的亮度值参数间存在正相关关联，重点存在如下所述的两个核心影响要素：首先是地面中产生的太阳光线辐射强度参数，然后是地球物体对应的光谱反射参数。假设有着同等的太阳辐射环境，而在图片信息中出现的差异化量的情况，这也是会直观表现出土壤的不同反射状态。如果从具体现象进行分析可了解到，其辐射强度参数也是会受到其他各类影响要素的动态复杂性作用。这种已经被影响且产生改变的图片区域正是需要校正的太阳能辐射信号（即辐射畸变现象）等，主要存在如下所述的生成原因：1）来自于大气产生的影响要素；2）来自于地形产生的影响要素；3）传感器装置自身产生的误差情况。1（北排河）2（石碑河）3（王希鲁）4（小流津河）辐射校正图信息大气校正情况通过大气校正分析，可以高效降低太阳光照与大气辐射等因素给地面物体反射产生的影响。要想获取更具真实性的太阳辐射参数、地面物体反射参数以及地表温度参数等。这是要降低其中存在的水汽以及氧气成分，大气校正的含义为在大气中出现的二氧化碳成分、甲烷成分以及臭氧成分给地表反射产生的相应作用，这是要需要解决在大气分子物质以及气溶胶扩散产生的相关影响，在大多数状态中，可以将大气校正视作恢复地球物体实际反射的进程。1（北排河）2（石碑河）3（王希鲁）4（小流津河）大气校正图图像裁剪图像裁剪的目的是根据目标区域的行政区曲线去除不需要的地区的地物图像。1（北排河）2（石碑河）3（王希鲁）4（小流津河）图像裁剪图1.3研究区域水体提取样点号试验区图像水体提取图像12341.4回归模型的建立回归方法比较成熟，这也是体现出其自变量参数与因变量参数间存在明显的关联性；同时也是解析诸多自变量参数给1个因变量参数带来的影响状态。这种分析方式也是能够对一些衡量各类尺度参数的变量间产生的互相作用情况进行分析。由此会对市场研究工作人员带来更好的分析效果，这是会由分析工作人员与数据科研工作者排除非重要的考量因素后估测一组最优化的变量组合，从而创建相应的预测模型。重点涵盖如下所述的操作流程：（1）参考已经出现的地面实测信息，由此可以获取同步的遥感数据资源；（2）校正遥感数据信息；（3）研究光谱数据资源，确定最优化的波段参数；（4）选择线性回归研究的手段，在此基础上创建相应的遥感数学模型；（5）选择测试样点数据信息，以此对计算结果的精确性进行检测；（6）采用评价指标等级分布图研究结论。1.2.1化学需氧量的回归模型的建立及检验针对COD参数选择所需的波段参数展开研究，相关的分析结论如下所述：1）单波段极其对数形式均没有相关性；2）波段作除以及其对数参数，其中S：b6/b4及其对数和叶绿素间存在较为理想的相关性状态：COD=75.36+22，78*(S)+11，43*(S)²+12.36*(S)³其相关系数为：R²=0.367LnCOD=8.90-0.014*lnS+2.67*(lnS)²-1.860*(lnS)³相关系数参量R²=0.4263）波段参数NDVI对应的相关性，其中NDVI1=(b6-b4)/(b6+b4)具备较为理想的相关性；COD=58.8+1.05*NDVI1-48.12*NDVI1²+21.89*NDVI1³其相关系数为：R²=0.8154）模型检验选择相关性最好的模型，作为氨氮反演模型，对其进行检验，模型精度满足要求。样点号实测值COD（mg/L）估测值残差19491.04250.09572379.480.134-0.2658458.057.0870.38421.2.2总磷的回归模型的建立及检验针对总磷分析过程中，这是需要选择和COD同样的波段参数展开研究，其分析结论如下所述：1）单波段极其对数形式均没有相关性；2）波段作除以及其对数参数，其中S：b6/b4及其对数和叶绿素间存在较为理想的相关性状态：P=-25.15+82.55*(S)+59.65*(S)²+11.93*(S)³其相关系数为：R²=0.698LnP=2.10-0.016*lnS-1.39*(lnS)²+1.268*(lnS)³相关系数参量R²=0.5793）波段参数NDVI对应的相关性，其中NDVI1=(b6-b4)/(b6+b4)具备较为理想的相关性；P=6.93+1.05*NDVI1-41.36*NDVI1²+47.28*NDVI1³其相关系数为：R²=0.6334）模型检验选择相关性最好的模型，作为氨氮反演模型，对其进行检验，模型精度满足要求。样点号实测总磷（mg/L）估测值残差10.810.00270.0787220.550.00590.0346931.71.8561-0.156142.211.1388-0.92882基于研究区域的水质评价方法2.1水质评价方法的研究2.1.1定性-定量遥感方法定性遥感方法通过分析分析水环境异常的化学现象体现在遥感图像上的特征（或颜色）色调的来，然后创建图标解译标志研究方式，可以对遥感数据信息进行定量研究，打造合理化的地面系统对应的信息系统。有效整合定性与定量想融合的融合方式，全球大量观测数据的预测分析和模拟已经遥感技术的发展核心趋向。遥感技术的发展宗旨是要高效解决具体的负面现象，不过只是借助于常规统计方式与目视解译研究方法对遥感数据进行分析，很难在应用中找到新的转折点。臂如,其主要原因是远距离传感器数据的采集受多种因素的影响，如仪器老化问题、大气影响因素、地面因素和几何记录等，使得所获取遥感信息中含有一些非目标的成像信息REF_Ref13767\w\h[15]。2.1.2半经验方法目前最常用的研究手段为半经验模式，这是将水质参数用作于因变量，确定最优波段组合方式或者将波段参数用于自变量参数，以此进行水质中光谱曲线的研究工作，从而来估计水质。2.1.3经验方法这类研究手段是借助于创建实测水质数据和收集的遥感数据间的统计关联性，以此反向推演出相应的水质参数。相关模型成为环境预测领域中大量使用的一类研究模式。这是参考输入-输出关系的前提下进行建模分析活动，能够体现出相关因素间存在的因果关联属性，假设在后续的动态改变中突破预设的合理区间时，这类模型的可靠性将明显下降，此方法也有相应的不足之处。2.2研究区域的水质评价定量遥感研究模式是基于定性分析方式的前提下，将原先的随机性考量要素予以删除，这是需要把实测数据信息和遥感数据信息等以同步方式操作后创建相应的数学模型。随着我国国民经济和科学技术的不断发展，要求数据具有空间维度上的大局性，不过遥感技术会存在重要的性能，这是可以基于各类时空尺度参数持续产生各类地表区域的特征数据情况。但相较于遥感卫星获取数据信息性能而言，遥感数据具备自动化与定量化的处理效能，甚至针对遥感数据信息的认知水平和对相关数据的高效利用等仍处于较低层次，这也是成为相关技术应用效能提升的制约性影响要素。所以，定量遥感技术渐渐成为相关领域的核心技术发展趋向。遥感信息处于各类频段中会产生相应的电磁波信号，物质中物理定量参数与精确性的物质空间位置参数；相关的遥感量化数据选择实验方式或者物理数据信息等，从而会有效关联遥感数据和地理学参数等，基于定量方式推算或者反演一些地理学或者生物学的有关数据情况等。如图所示是试验区四条河流水体的光谱曲线；光谱曲线图由上图可以得出，光谱特征是典型的水体光谱特征，在370到450nm蓝光波段的低反射是由于有少量浮游植物所生成的叶绿素进行吸收后产生的现象；其中反射峰参数范围是从570-790nm间，处于560-850nm间的绿光波段信号产生的反射峰参数重点是因浮游植物处于水中出现的反射现象而产生；处于600-700nm间的绿光波段信号产生的反射峰参数重点是因水与白色COD中最低吸收系数参量引发；处于790nm周围出现1个反射峰现象，重点是因氨氮元素与总磷物质的吸收后产生，以上各条河流的水体光谱表明，在670nm和750nm附近有一个反射谷，这是由于对化学氧的需求以及对氨氮和总磷的吸收引起的。实测数据统计表样点号COD（mg/L）氨氮（mg/L）总磷（mg/L）1（2018.06）940.812（2018.08）2.250.553（2021.02）79.418.81.74（2019.04）58.011.82.21结果讨论，如表所示，在2018年6月，在沧州市一共监测的地表水河流截面数量为8个，参考该省环保厅出台的《2018年河北省环境监测工作方案》，其检测项目中主要包括流量参数、电导率参数以及《地表水环境质量标准》（即GB3838-2002）（其中没有涵盖粪大肠菌群监测物）中规范的23个项目，一共项目数量为25项。在此之中，没有考评的项目包括水温参数、电导率参数、流量参数以及总氮参数等，参考《地表水环境质量标准》（即GB3838-2002），宣惠河大口河口等共计4个断面对应的水质情况属于Ⅴ类，其他的共计4个监测断面对应的水质情况均小于Ⅴ类标准，核心污染物重点包括高锰酸盐指数分析内容、五日生化需氧量分析内容以及化学需氧量分析内容。在当年8月，沧州市一共监测的地表水河