基于RS与GIS技术对某流域水体富 氧化有机化合物的反演研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-04-18 19:49
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:土木工程
近年来随着城镇化的高速发展,社会水资源富氧化污染问题日益严重。水体富 氧化程度的加重,不仅会引起人均水资源短缺,区域经济发展受到限制,甚至会威 胁人类健康。为了寻找
摘要
近年来随着城镇化的高速发展,社会水资源富氧化污染问题日益严重。水体富 氧化程度的加重,不仅会引起人均水资源短缺,区域经济发展受到限制,甚至会威 胁人类健康。为了寻找引起水体富氧化污染的主要因素,本文从对水体富氧化有机 物叶绿素a、氮、磷以及溶解氧的反演出发,结合WorldView-III多光谱遥感卫星数 据与水质采样数据对长春地区某主干流域水体进行反演分析,通过构建影像光谱波 段反射率与富氧化有机物的相关函数模型与利用BP神经网络对溶解氧浓度预测分 析的方式,获取分析水体中富氧化有机物的浓度及其分布趋势。
实验运用 RS 与 GIS 技术,利用 Envi5.1、ArcGIS10.2、SPSS24、Matlab2017a 等软件,通过预处理、掩膜分析等处理过程,结合函数模型对流域中富氧化有机物 叶绿素a、氮磷、溶解氧浓度进行相关拟合分析,根据流域两岸地物信息,分析讨 论引起流域水体富氧化污染的主要原因,对流域水体富氧化污染治理具有重要意义。 实验得到结论如下:
1.由于农作物对养料的吸收程度不同,不同农作物间的种植面积占比会影响水 体的富氧化程度。其中,玉米、黄豆面积占比与氮、磷含量呈现正相关关系,而高 粱、水稻面积占比与氮、磷含量呈现负相关关系。
2.城市工业排水同样会提升水体富氧化程度,政府有关部门仍需加强对工业废 水排放的治理。
摘要
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第1章绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究现状 2
第2章 实验数据获取与预处理方法 10
2.1研究区域概况 10
第3章RS与GIS技术在水体提取中的应用 18
3.1水体归一化指数法对影像数据的计算分析 18
第4章 流域富氧化合物模拟反演研究 25
4.1叶绿素a反演经验方法 25
第5章 实验结果分析 66
5.1叶绿素&浓度反演分析 66
第 6 章 不足与展望 69
第1章绪论
1.1研究背景
近年来,随着我国城市化的进程日益加快,由此引发的环境问题也日益日趋严 峻,其中水体富氧化污染问题尤为突出,主要表现为各江河湖泊水质不断恶化,水 域面积逐渐变少。水体富氧化程度的加重,会导致人均水资源短缺,区域经济发展 受到限制。2017年中国水资源现状分析报告显示,中国目前有16个省(区、市)人均 水资源量低于1000立方米,有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏) 为极度缺水地区。同时,流域、湖泊中水体富氧化现象也会引起蓝藻水华问题。近 几年,我国湖泊蓝藻水华暴发导致水环境恶化事件频繁发生。2017年12月底,我 国大理洱海西岸部分水域蓝藻富集,使得洱海水质受到严重影响。2017年9月,我 国武汉百年名园中山公园园内人工湖蓝藻水华暴发,发出阵阵臭味。蓝藻通过在水 面聚集,遮挡阳光使其不能入射到水中,导致水下生物因缺少阳光而生长缓慢或停 止生长。此外蓝藻本身具有毒素,当水体中没有其他食物时,水中的一些鱼类会食 用蓝藻,这样毒素会进入水生生物链,给其他生物也带来一定的危害,导致其生长 缓慢或死亡。蓝藻水华问题的存在,致使整个水体的水质状况不断恶化,对人类的 健康造成威胁。
常规的水质监测是在水域设置一些固定的监测点位,人工到现场进行水样的采 集,并将水样送到实验室进行化学分析与测量。但这种方法费时耗力,数据获取具 有一定的难度,采集和分析的数据有限。对于整个流域水体而言,用该方法进行监 测很难反应其整体的水质状况。本文从对流域中水体富氧化有机物质的模拟反演的 角度出发,选取长春地区某流域作为研究对象,通过结合该流域中南、北两段各观 测点的实测数据,模拟反演流域水体中富氧化有机物质的含量与分布,讨论引起流 域中富氧化有机物含量升高的原因,并对流域富氧化污染的治理提出有关建议。
本文对研究流域水体进行相关富氧化有机物的研究分析,具有重要的现实意义:
一方面,目前在对水体污染的研究较多依赖地方统计数据,但地方统计数据往 往不便获取且缺乏流域范围、土地利用类型等基础资料;而且获得资料的时效性和 可信度也较差。如果为了获得准确数据,而进行全面的监测和调查,必然会消耗大 量的人力物力。本文对研究流域内水体污染情况,从城乡与种植结构两个方面着重 分析。利用最新的卫星遥感资料提取水体富氧化污染研究所需的基础数据,解决了 面源污染研究较多依赖地方统计数据的问题,节省了人力物力,提高了数据的时效 性和可信度。
另一方面,对水体有机物含量的预测模拟同样具有重要意义。结合研究流域中 南、北两段水体有机物质含量的分布与人类活动,分析流域水体富氧化污染的成因, 便于为当地政府提供相关治理依据。
第2章实验数据获取与预处理方法
遥感影像数据的采集与预处理过程是进行水体富氧化模拟反演的基础与前提。 本章结合实验研究区域、流域水样采集、WorldView-III卫星影像数据、遥感影像数据 预处理过程的总结,实现了对区域内多光谱影像数据的校正处理,为流域内水体信 息提取以及富氧化有机物的反演作出了铺垫。
实验数据由地面水质监测数据与WorldView-III卫星多光谱数据构成。地面水质监 测数据为该区域内67个采样点的水质参数和地理坐标,其中30个点均匀分布在研究 流域北段,另外37个点均匀分布在研究流域南段。测量的主要水质参数有:磷(P)、溶 解氧(COD)、氮(N)和叶绿素a浓度。多光谱遥感数据为实验研究区域内分辨率为 1.6m的WorldView-III的遥感影像。
第3章RS与GIS技术在水体提取中的应用
在利用光谱波段反射率对影像数据计算时,影像数据中水体以外的其他地物信 息同时参与了计算,具有一定数值。因此,为了准确反演分析流域中富氧化有机物 的含量与分布趋势,避免水域临近地物信息对实验的干扰,需要将水体信息从影像 数据中提取分离。水体提取分离技术,既是遥感影像数据预处理过程的深化,也是 对流域富氧化有机物模拟分析的先决条件。通过结合RS与GIS技术,利用Envi5.1 以及ArcGIS10.2软件,通过水体归一化指数(NDWI)法与掩膜裁剪的方式,实现 了对研究区域影像中的水体信息进行提取分离,提高了研究流域内水体富氧化有机 物的模拟反演精度。
归一化水体指数算法(NDWI)最早在1996年由Me Feeters提出网,该方法有 效弥补了单波段阈值法以及多光谱叠合分析处理法中的不足,实现了对研究区域内 水体信息的有效提取,NDWI (Normalized Difference Water Index,归一化水指数) 是基于绿波段和近红外波段进行计算的归一化比值指数。该方法通过两者间的比值, 进一步凸显不同波段之间光谱成像的差距,有利于光谱中不同地物间的有效区分。 即在相对的波段内,不同地物均具有一定的亮度值。在指定波段内,目标地物具有 影像的最大亮度值,而在相应波段内的其他地物的亮度受到抑制,基于它对遥感光 谱信息中的建筑物区域识别较弱的特征,实验通过结合掩膜裁剪的方式实现了对水 体信息的提取分离。由于水体归一化指数(NDWI)法在水体信息的提取中具有简 便、提取精度高的特点,它广泛应用于水体富氧化有机物数值的计算研究中。
第4章 流域富氧化合物模拟反演研究
近年来,我国水体污染问题日益严重,利用遥感手段及时、准确地了解水体分 布和污染状况,对于水资源保护具有十分重要的意义。本文面向遥感水体监测的应 用需求,对造成研究流域内水体富氧化的相关有机物质:叶绿素a、氮、磷以及溶 解氧(COD)采用不同的方法,对它们的浓度进行了有效反演,通过不同段流域间 的对比,分析并找出引起有机物含量改变即形成水体富氧化的主要因素。