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千岛湖水体水质参数遥感及其估测模型研究

刘英  
【摘要】: 水体富营养化已成为当今世界性的水污染治理难题,也是全球性的环境问题之一。目前,我国湖泊由水质污染引起的富营养化问题十分突出,在国家环保“九五”规划中,就把太湖、滇池、巢湖三大湖泊的治理工作列为重中之重的治理项目。 千岛湖位于浙江省西部,是1959年新安江水电站大坝建成蓄水后形成的人工湖泊。坝址以上流域总面积10442km~2。千岛湖兼有发电、防洪、旅游、渔业养殖、航运、及工农业用水等多种功能,是钱塘江的重要水源,因此它对浙江省的生态环境及社会经济的可持续发展具有举足轻重的影响。千岛湖历来以优异的水质著称,但是近几年来,随着区域经济的发展,千岛湖出现富营养化的迹象,因此,加强对千岛湖的水质动态监测,及时掌握库区不同区域,特别是上游主要支流的水质动态状况,建立大面积水质动态遥感监测技术,对千岛湖的开发利用和保护有着十分重要的研究和应用价值。 本文根据实测的千岛湖水质参数数据、水体反射光谱数据以及不同时相的卫星遥感数据,研究了不同富营养化程度水体的高光谱反射特性以及千岛湖库区水体藻类叶绿素a浓度与其光谱反射特征之间的关系;还进行了室内悬浮泥沙光谱反射特征研究,并构建了多光谱和高光谱变量,建立了估测模型,对水体叶绿素和悬浮物含量进行了模拟;利用TM和IKONOS数据对千岛湖库区的水质状况作了定性和定量的评价研究。主要结果如下: (1)不同富营养化水体反射光谱的基本特征表现为:随着叶绿素含量的增大,水体的反射光谱曲线的峰、谷愈明显,并且700nm附近叶绿素反射峰的位置逐渐向长波方向移动,范围约在690-730nm之间。富营养化程度最高的水体,其光谱在550nm、700nm附近形成两个反射峰,峰值最高且靠近长波方向;富营养化程度居中的水体,在上述两个波段位置也形成了反射峰,但其高度降低,波峰的位置靠前;富营养化程度最底的水体,其反射光谱曲线近似于纯水的反射光谱,总体比较平缓,没有明显的波峰和波谷存在。 (2)悬浮泥沙的光谱特征:在340-2500nm之间,光谱曲线在815nm和1070nm左右形成两个反射峰,在560-720nm之间呈肩状形态,高反射出现在可见光波段,在波长1160nm以后,光谱反射率逐渐下降,趋近于零。当水体深度一定时,随着水中悬浮物浓度的增加,光谱反射率逐渐增加,其反射光谱曲线在650nm、760nm和820nm左右发生相应的显著变化,反射峰逐渐向长波方向移动。在490-1500nm波长范围内,悬浮物含量和光谱反射率呈正相关。 (3)构建了一系列光谱变量,研究了这些光谱变量和水质参数之间的相关关系,并建立相应的估测模型。对千岛湖水体叶绿素-a浓度拟合来说,多光谱波段中以红光波段(MSS5 和 SPOTZ)为变量的的二项式模型取得了比较好的估测效果;高光谱变量中,以红边内一 阶微分的总和与黄边内一阶微分的总和的归一化植被指数为变量的指数模型取得了最好的 估测效果。 (4)在悬浮物浓度的预测模型中,多光谱波段的以蓝绿波段、红光、近红外波段为变 量的线性模型和二项式模型得到了较好的结果;高光谱波段中,以红边范围内最小反射率 为变量的线性和二项式模型可以很好地预测悬浮物浓度。 (5)通过对 1991和 1999年的 TM数据遥感值(DN)的研究,对千岛湖的水质变化 做了定点定性评价。结果表明,12#航标、积岭口两个样点所代表区域的水质受到一定程度 的污染,有富营养化趋势,其他区域则没有明显变化。利用 200年 10月的 IKONOS数据 与同步的水质参数数据研究结果说明,叶绿素a浓度与IKONOS hi光波段以及其他波段组 合遥感值(DN)之间,透明度和 IKONOS的蓝光波段以及蓝、绿、红三波段 DN值之和 之间,都达到了99%置信度下的显著相关。根据这一结果,建立了对应的水质参数估测模 型,模型的拟合结果显示,实测值与拟合值基本一致,表明这些模型可以用于千岛湖水质 参数的预测预报。但是鉴于本研究中采样点数量的限制,模型的精度还有待于进一步检验、 提高。同时,利用这些模型得到了千岛湖局部水体叶绿素和透明度分布图,80.44%的水体 叶绿素浓度在 36’之间,绝大部分水体透明度在 46米之间,说明千岛湖总体富营养 化水平比较低,水质总体尚好,而局部区域需要加强管理。


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