草型湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測技術及應用研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的不斷推進，水環(huán)境污染問題越來越嚴重，特別是內(nèi)陸湖泊，湖泊水質(zhì)達標率（I~III類）不足30％。自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的傳統(tǒng)湖泊水質(zhì)監(jiān)測方法，無法滿足對湖泊水質(zhì)進行全面監(jiān)測的需求，遙感技術可以克服傳統(tǒng)方法的不足，實現(xiàn)湖泊水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測。近年來，遙感技術應用于湖泊水質(zhì)監(jiān)測的研究越來越多，其中以太湖為代表的藻型湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測居多，而草型和混合型湖泊研究相對較少，我國眾多湖泊中，草型和混合型湖泊占較高

2、比例，草型湖泊水草的存在導致水草區(qū)水質(zhì)難以利用遙感進行直接監(jiān)測，因此實現(xiàn)草型和混合型湖泊水質(zhì)全面遙感監(jiān)測有利于更全面的獲取我國湖泊的水質(zhì)狀況。葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度是表征湖泊水體水質(zhì)狀況的重要參數(shù)，本研究以草型湖泊南四湖為研究區(qū)，對南四湖水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度進行遙感監(jiān)測研究，南四湖是南水北調(diào)東線重要的水源地，實現(xiàn)南四湖水質(zhì)大面積遙感監(jiān)測對控制南水北調(diào)東線水質(zhì)具有重要意義。
　　本文基于分區(qū)反演思路，將南四

3、湖分為水草區(qū)和水體區(qū)。利用MODIS NDVI產(chǎn)品、HJ1A HSI、HJ1A/1B CCD以及GF-1 WFV影像識別南四湖沉水植物和漂葉植物的物候特征。對于水草區(qū)，處于生長期的水草生長區(qū)域水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度呈較低水平，水草對水質(zhì)具有指示作用，但水草腐爛凋亡會使水質(zhì)惡化。本研究選擇2015年6月6日GF-1 WFV1影像識別南四湖水草區(qū)，結(jié)合水草物候特征，利用水草對水質(zhì)的指示作用對南四湖水草區(qū)水體葉綠素a濃度、總懸浮

4、物濃度和濁度進行間接監(jiān)測；對于水體區(qū)，構(gòu)建反演水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度的常規(guī)半經(jīng)驗/半分析模型、WT-NDBPSO-PLS模型、PSO-SVM模型，EW-CM模型、SPA-CM模型以及BMA模型，利用反演模型優(yōu)選技術，選出南四湖水體區(qū)葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度最佳反演模型。主要得到以下結(jié)論：
　?。?）南四湖主要有光葉眼子菜、菹草、穗花狐尾藻和篦齒眼子菜等水草，穗花狐尾藻、篦齒眼子菜和光葉眼子菜物候特征類似，春季

5、開始生長，夏季生長最為旺盛，然后逐漸開始凋亡；菹草初春開始生長，春末生長最為旺盛，然后快速凋亡，不再生長。光葉眼子菜、菹草、穗花狐尾藻和篦齒眼子菜對南四湖水質(zhì)具有凈化和指示作用，處于生長期的四種水草區(qū)水體葉綠素a濃度低于8ug/L，總懸浮物濃度和濁度一般分別低于15mg/L和15NTU。但水草凋亡腐爛也會對水質(zhì)產(chǎn)生污染，導致南四湖水體總懸浮物濃度和濁度大幅升高，水草凋亡腐爛期南四湖水草區(qū)水質(zhì)較差。
　?。?）南四湖三種水質(zhì)參數(shù)常規(guī)

6、半經(jīng)驗/半分析反演模型中波段比值模型整體上優(yōu)于單波段模型和一階微分模型，其中，葉綠素 a濃度R696.2nm/R401.9nm線性反演模型精度最高，綜合誤差為28.74%；總懸浮物濃度R*681.2nm/R*540.5nm一元二次反演模型精度最高，綜合誤差為33.83%；綜合比較模型 R2和模型綜合誤差，濁度 R′585.6nm指數(shù)反演模型和 R688nm/R568.2nm一元二次反演模型精度較為理想；統(tǒng)一模式反演濁度和總懸浮物類似，綜

7、合誤差大于50%，模型精度偏低。
　?。?）葉綠素a濃度WT-NDBPSO-PLS反演精度較傳統(tǒng)半經(jīng)驗/半分析模型有所提高，綜合誤差低于27%；WT-NDBPSO-PLS模型反演總懸浮物濃度綜合誤差高于50%，反演濁度綜合誤差接近35%。WT-NDBPSO-PLS模型不適合反演存在較大濃度差異的總懸浮物濃度和濁度。
　?。?）三種水質(zhì)參數(shù)PSO-SVM模型精度高于傳統(tǒng)半經(jīng)驗/半分析模型和WT-NDBPSO-PLS模型，當水質(zhì)

8、參數(shù)和光譜變量之間呈顯著非線性關系時，利用PSO-SVM模型反演水質(zhì)參數(shù)能明顯提高反演精度。nsr-PSO-SVM模型精度整體上高于osr-PSO-SVM模型，對光譜反射率進行歸一化處理可以一定程度上提高模型精度。
　?。?）基于熵權(quán)法、集對原理和貝葉斯平均方法的集合模型，可以綜合各模型特點，實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的多模型協(xié)同反演，集合模型同時具有較高的建模和反演精度。
　?。?）綜合比較BMA集合模型和各單一模型的反演區(qū)間的覆蓋率、

9、平均帶寬和平均偏移幅度指標，葉綠素a濃度和濁度BMA集合反演模型可以給出較為可靠的反演區(qū)間；總懸浮物濃度osr-PSO-SVM模型可以給出更為可靠的反演區(qū)間。
　?。?）nsr-PSO-SVM為南四湖水體區(qū)葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和濁度最佳反演模型。
　　本研究中提出一種南四湖水草區(qū)水質(zhì)遙感間接監(jiān)測技術，該技術對其他草型湖泊和混合型湖泊水草區(qū)水質(zhì)遙感監(jiān)測具有指導意義；本文對南四湖水體區(qū)三種水質(zhì)參數(shù)偏最小二乘反演模型和支持向