1  緒論

1.1  研究背景及意義
水是生命之源，也是人類賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)資源，我國水資源面臨的形勢日趨嚴(yán)峻，主要存在兩個問題：一是水資源短缺，二是水污染嚴(yán)重。地球表面雖有70.8％的面積被水體所覆蓋，但只有 2.5％是淡水，其余 97.5％是咸水，無法供人類飲用。在極其有限的淡水資源中，約 70％凍結(jié)在兩極冰蓋中，其余大部分是難以開采的深層地下水和土壤里的水分，只有淺層地下水、江河湖泊及水庫能被人類直接使用。這部分水資源不足世界淡水資源的 1％，且分布很不均勻。 我國水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，水資源嚴(yán)重短缺，人均占有量約為世界平均水平的25％，聯(lián)合國已將我國列為 13 個最貧水國家之一。我國監(jiān)測的河流有 1200 多條，其中超過 850 條受到不同程度的污染，城市水域也超過 90%遭受污染，致使魚蝦絕跡，禽不戲水。水污染問題日益嚴(yán)峻，逐漸成為全球性的頭號環(huán)境治理難題。水體是指江河、湖泊、海洋、冰川、地下水等的總稱，包括水和水中的懸浮物、水生生物、溶解物質(zhì)、底泥等。水體污染直接危害人類健康，破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化，嚴(yán)重威脅到人類的生存安全。因此，準(zhǔn)確、及時地了解水質(zhì)狀況，掌握其變化趨勢，便于有效地保護(hù)水資源和改善水環(huán)境。 內(nèi)陸水體分布廣泛，包括位于陸地表面的湖泊、水庫和河流，是支撐著人類生產(chǎn)和生活的最重要的水源。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類大量排放工農(nóng)業(yè)和城市生活廢水，致使水污染事件時有發(fā)生。例如 2007 年 5 月份開始相繼暴發(fā)的太湖、巢湖、滇池的藍(lán)藻危機(jī)，藍(lán)藻暴發(fā)的內(nèi)因其實(shí)就是湖水的富營養(yǎng)化導(dǎo)致的水質(zhì)污染現(xiàn)象。我國內(nèi)陸水體富營養(yǎng)化的發(fā)展趨勢十分迅速。1978 至 1980 年，我國的大多數(shù)湖泊尚處于中營養(yǎng)狀態(tài)，富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊只占 5%，而在往后的 10 年里，富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊從 5%迅速增至 55%，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到 2006 年，我國達(dá)到富營養(yǎng)化狀態(tài)的水域面積為 36%，水體體積為 85%[1]。近年來不斷加劇的突發(fā)性水污染和水環(huán)境事件，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳鐣�(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，對水環(huán)境和水污染開展定期監(jiān)測、控制和治理是本文目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測方法非常耗時耗力，且不具備廣泛的代表性意義，進(jìn)行長時間連續(xù)動態(tài)監(jiān)測較為困難，不能滿足水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)時性及大范圍、大尺度的監(jiān)測需求[2]。利用遙感技術(shù)監(jiān)測內(nèi)陸水體具備空間大范圍監(jiān)測、監(jiān)測周期短、利于長時間動態(tài)監(jiān)測、成本低等優(yōu)勢，而一些常規(guī)方法不容易揭示的污染物及污染源的遷移特征都能同時被發(fā)現(xiàn)[3]。 
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1.2  國內(nèi)外研究進(jìn)展 
水體光學(xué)成分一般包含純水、浮游植物、有色可溶性有機(jī)物（CDOM，chromophoric dissolved organic matter）和非藻類顆粒物這四種物質(zhì)[13]。水體的光學(xué)特性集中體現(xiàn)在水體中可見光的輻射傳輸過程。這個過程包含吸收、反射、折射和水體中懸浮物的多次散射等。水體的光學(xué)性質(zhì)、水面的入射輻射、表面粗糙度、氣-水界面的相對折射率、日照角度與觀測角度和水底反射（某些情況下會有涉及）都是決定水體光譜特征的因素。 圖 1.2 反映了電磁波與水體是如何相互作用的。如圖所示，太陽光和天空光共同到達(dá)水面，其中含有少量水體本身信息的約 3.5%水面散射光 Ls進(jìn)入大氣，它的強(qiáng)度與表面粗糙度、水面冰層、水面浮游生物、泡沫帶等水面性質(zhì)有關(guān)。其余的光經(jīng)過折射和透射，進(jìn)入水中的透射光主要被水分子吸收和散射，以及水體中的懸浮物質(zhì)所引起的反射、散射、衍射最終形成水中散射光，其強(qiáng)度與水的渾濁度呈正相關(guān)，即水體越渾濁，水中散射光越強(qiáng)。水中散射光衰減后到達(dá)水體底部的部分形成底部散射光，其強(qiáng)度與水的深度呈負(fù)相關(guān)，即水越深，底部散射光越弱；且水越渾濁，底部散射光也越弱。水中向上的散射光及底部反射光（淺海條件下）共同組成水中光 Lw，也稱離水反射輻射。
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2  基于燒失量分析的水體懸浮物濃度測量方法改進(jìn)

2.1  方法
目前懸浮物含量的測量方法主要是稱重法。該方法是利用煅燒稱重好的 Whatman  GF/C 玻璃纖維空白濾膜過濾水樣，在 105  ℃下烘干該濾膜后再次稱重，該重量減去空白濾膜重量即可得到過濾水樣中的總懸浮物（Total Suspended Matter，簡稱為 TSM）質(zhì)量。然后在 550℃下煅燒該濾膜，煅燒前后的重量差即有機(jī)懸浮物（Organic Suspended Matter，，簡稱為 OSM）質(zhì)量，最后濾膜上留下的是無機(jī)懸浮物（Inorganic Suspended  Matter，簡稱為 ISM）質(zhì)量。烘干的目的是為了除去濾膜中的水分，煅燒的目的是為了除去過濾物中的有機(jī)物和氣態(tài)產(chǎn)物。針對烘干、煅燒溫度和煅燒時長，國際上不同的機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室采取的操作規(guī)范不盡相同。 針對 OSM 測量，不同研究者在煅燒時長的問題上爭議較大。Heiri O 等[47]提出的操作規(guī)范是在 550℃下煅燒濾膜，時長為 4h。Stavn RH 等[48]提出先在 550℃條件下煅燒濾膜，時長為 0.25h，然后反復(fù)煅燒、冷卻、干燥和稱重直至濾膜質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定。一般經(jīng)過三個回合，即總煅燒時長為 0.75h，可以滿足質(zhì)量基本不變的要求，有時需要經(jīng)過 4 個回合。在美國 APHA《水和廢水檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》[49]中也有提到：如果要測得揮發(fā)性的固體物質(zhì)含量，在馬弗爐中煅燒 0.25h，且經(jīng)過反復(fù)煅燒、冷卻、干燥和稱重的過程后，直至樣品的質(zhì)量改變少于上一次稱重結(jié)果的 4%或者兩者質(zhì)量變化少于 0.5mg。Juhani  Virkanen 等[50]涉及有機(jī)懸浮物的燒失量法時采用的煅燒溫度為550℃，煅燒時長為 2.5h。Christophe  Luczak 等[51]提出在不受其它關(guān)鍵因素的干擾下能充分煅燒并除去有機(jī)物的最佳時長可能為 6h。Yunlin  Zhang 等[52]采用 Whatman  GF/C 玻璃纖維濾膜，先將其在 550℃條件下煅燒 4h 以除去空白濾膜中的溶解性有機(jī)懸浮物。Daniel Karlsson [53]為了得到有機(jī)懸浮物含量，采用直徑為 25mm 的 Whatman  GF/F 玻璃纖維濾膜過濾水樣，在 550℃條件下煅燒 4h。Christian Wilhelm Mohr [54]采用孔徑為 0.7μm 的 Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜過濾水樣，在 550℃條件下煅燒 4h。  
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2.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取
本章共設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，討論如何改進(jìn)空白濾膜的原始處理方法。其中，第一組實(shí)驗(yàn)判定空白濾膜的最佳煅燒時長，第二組實(shí)驗(yàn)比較兩種不同冷卻方法的影響，第三組實(shí)驗(yàn)討論馬弗爐降到不同溫度取出濾膜對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。第一組試驗(yàn)討論空白濾膜在 550℃的條件下煅燒多長時間可以達(dá)到恒重。實(shí)驗(yàn)采用 Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜，直徑為 47mm，孔徑為 0.7μm。本文選取了 6 張空白濾膜，分為 3 組，每組 2 張做比對。分別取 0.25h、0.5h、0.75h、1h、2h、3h 和 4h這 7 個不同的時間長度，煅燒后取出濾膜放入干燥皿中冷卻 0.5h 后再進(jìn)行稱重，記錄濾膜質(zhì)量并計(jì)算燒失量。煅燒、冷卻和稱重的這個過程稱為一個回合。煅燒前先將所有濾膜進(jìn)行稱重，記錄初始質(zhì)量，每一回合后記錄煅燒后的濾膜質(zhì)量。煅燒時長達(dá)到 1h 前，每隔 0.25h 為一個回合；煅燒時長達(dá)到 1h 后，每隔 1h 為一個回合。表 2.1記錄了 7 個不同的煅燒時間長度下，空白濾膜的質(zhì)量變化情況。 
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3   基于實(shí)測光譜數(shù)據(jù)的懸浮物濃度反演模型構(gòu)建 ....31 
3.1  實(shí)測遙感反射率光譜特征分析 ......31 
3.2  實(shí)測懸浮物濃度時空變化規(guī)律分析 ..........34 
3.3  反演算法及模型構(gòu)建 .......37 
3.4  精度分析與評價(jià) ........38 
3.5  本章小結(jié) ........... 43 
4   基于GF-1 WFV影像的懸浮物濃度反演 ........... 45 
4.1  技術(shù)路線與流程 ........ 45 
4.2  基于GF-1 WFV影像反演官廳水庫懸浮物濃度 .......... 46 
4.2.1 GF-1衛(wèi)星簡介 ......... 46 
4.2.2 GF-1 WFV衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)預(yù)處理 ...... 46 
4.2.3  官廳水庫的懸浮物濃度反演 ............ 49 
4.3 2013-2014年官廳水庫懸浮物濃度時空變化規(guī)律分析 ...... 57 
4.4  本章小結(jié) ........... 60 
5  結(jié)論與展望 ...... 61 
5.1  結(jié)論 ....... 61 
5.2  展望 ....... 62 

4  基于 GF-1 WFV 影像的懸浮物濃度反演

4.1  技術(shù)路線與流程

利用 GF-1 WFV 影像反演水體懸浮物濃度需要完成的步驟包括：幾何精校正、區(qū)域裁剪、輻射校正、TOA 反射率、云掩膜、大氣校正、水體掩膜、懸浮物濃度反演、異常值校正、專題制圖。具體流程如圖 4.1 所示。 GF-1 衛(wèi)星是我國“高分專項(xiàng)”發(fā)射的首顆衛(wèi)星，于 2013 年 4 月 26 日成功發(fā)射升空，搭載了兩臺分辨率為 2m 的全色相機(jī)和兩臺分辨率為 8m 的多光譜相機(jī)，以及四臺分辨率為 16m 的多光譜寬幅相機(jī)。其中 2m 分辨率全色相機(jī)和 8m 分辨率多光譜相機(jī)以 60km 幅寬進(jìn)行對地觀測，且 16m 分辨率多光譜相機(jī)以 800km 大幅寬同步完成對地觀測，屬國際首創(chuàng)。GF-1 衛(wèi)星突破了由高空間分辨率、高時間分辨率、多光譜與寬覆蓋結(jié)合的光學(xué)遙感技術(shù)，星上的多個載荷可同時運(yùn)行工作，其綜合指標(biāo)屬國際先進(jìn)水平，在國際同類遙感衛(wèi)星中 800km 觀測幅寬是最高的。高分一號衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了時間分辨率和空間分辨率的最優(yōu)組合。從高分一號衛(wèi)星影像上可以識別地面目標(biāo)的最小尺寸達(dá) 2 米左右，衛(wèi)星的重訪周期為 4 天。目前在國內(nèi)運(yùn)行衛(wèi)星載荷當(dāng)中，高分一號衛(wèi)星已達(dá)到最高水平。 

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結(jié)論 

本文以官廳水庫為研究對象，基于野外試驗(yàn)采集的水面光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測懸浮物濃度數(shù)據(jù)，構(gòu)建了官廳水庫水體懸浮物濃度反演模型。其中針對實(shí)測懸浮物濃度數(shù)據(jù)的獲取，本文提出基于燒失量結(jié)合單因素方差分析的方法改進(jìn)了原有的測量規(guī)范，提高了工作效率。本文最終選取了 GF-1 衛(wèi)星 WFV 多光譜圖像的藍(lán)光波段、綠光波段和紅光波段的多波段組合作為遙感因子，并建立線性回歸模型作為研究區(qū)水體懸浮物濃度的反演模型。獲取官廳水庫 2013~2014 年的 GF-1 WFV 多光譜圖像，利用構(gòu)建的反演模型，實(shí)現(xiàn)了官廳水庫長時間序列水體懸浮物濃度的反演，并分析了官廳水庫水體懸浮物濃度的時空變化規(guī)律。本文所做的研究得到了一些初步的結(jié)論： 
1)  依據(jù)同種濾膜的總失重比在一定的溫度范圍內(nèi)應(yīng)一致的原則，探討了用燒失 量法選擇懸浮物濃度測量方法中煅燒時長等問題。原有的實(shí)驗(yàn)規(guī)范籠統(tǒng)地認(rèn)為空白濾膜和過濾水樣后的濾膜的煅燒時長是一致的。本文將空白濾膜和過濾水樣后的濾膜的處理方法分開進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)證明：空白濾膜的原始處理方法可以減少煅燒時長和冷卻時間。空白濾膜過濾不同類型的水樣后，本文采用燒失量法結(jié)合 SPSS 軟件的單因素方差分析，選取濾膜最合適的煅燒時長。結(jié)果表明：對于不同類型的水樣，其最佳的煅燒時長不同。本文在保證數(shù)據(jù)精度和安全性操作的前提下，提出了改進(jìn)后的懸浮物濃度測量方法。 
2)  基于四次野外試驗(yàn)的水面光譜數(shù)據(jù)分析了其對應(yīng)的 6 個特征波長，分別是 560nm 附近的大反射峰、630nm 附近的小反射谷、650nm 附近的小反射峰、675nm 附近的大反射谷、700nm 附近的反射峰和 810nm 附近的小反射峰。描述了這些特征波長的特點(diǎn)及其形成原因�；趯�(shí)測的水體懸浮物濃度數(shù)據(jù)，分別從時間跨度和空間分布上分析了水體懸浮物濃度的變化規(guī)律。從時間跨度上：對比官廳水庫 2013 年秋季的懸浮物濃度和 2014 年秋季的懸浮物濃度，發(fā)現(xiàn)其變化很小。對比 2014 年夏季的懸浮物濃度和同年秋季的懸浮物濃度，發(fā)現(xiàn)夏季的懸浮物濃度要比秋季的懸浮物濃度高。從空間分布上：中庫區(qū)的懸浮物濃度總體較媯庫區(qū)的懸浮物濃度高。利用 GF-1 WFV 多光譜圖像的波段 1、波段 2 和波段 3 這三個波段的組合作為遙感因子，建立線性回歸模型作為研究區(qū)懸浮物濃度的反演模型。結(jié)合與水面試驗(yàn)同步的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)構(gòu)建的懸浮物濃度反演模型，結(jié)果表明：反演得到的懸浮物濃度的平均值約為 8.25mg/L，與實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值 8.14mg/L 非常接近。實(shí)測懸浮物濃度與反演懸浮物濃度的決定系數(shù)達(dá)到了 0.8487，平均絕對誤差為 0.8mg/L，均方根誤差為1.58mg/L，平均相對誤差為 9.6%，反演精度達(dá)到 90.4%。則表明模型的反演結(jié)果較為可靠，精度較高。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：45914