（森林工程专业论文）闽江福州段水质遥感监测及其与土地利用联动分析.pdf

摘要 阈江是福建省的母亲河，而闽江福州段位于闽江下游，是一个多功能水域，肩负着 省会城市福州市及临近地区饮用，娱乐、养殖和灌溉用水的功用近年来该地区经济迅 速发展，人口急剧增加，城市化进程的不断加速，以及在经济发展过程中对水土资源的 合理开发利用生态环境保护的重视不够，造成了水环境的恶化然而水质好坏关乎到福 州市经济的健康可持续发展和人们的日常生活因此作为水质评价与水污染防治主要依 据的水质监测显得特别重要 本文在综合论述了遥感技术在水质监测中应用现状，水质遥感监测的原理和方法基 础上，应用遥感技术对闽江福州段水体中的悬浮物和叶绿素两个污染指标进行解译；并 对研究区域进行土地利用变化进行遥感分类，根据研究需要分成植被、建筑用地，水体 和裸地尝试找出土地利用变化与悬浮物和叶绿素两种污染指标的含量变化的关系通 过构建悬浮物和叶绿素遥感模型，制作了1 9 8 9 年和2 0 0 1 年两个时相悬浮物和叶绿素分 布的影像图总体上来说，1 9 8 9 牟福州水域悬浮物以高悬浮物和中悬浮物为主，分别占 研究区水域面积的2 0 8 9 和6 9 5 8 ；2 0 0 1 年福州水域悬浮物分布情况有所好转，4 9 4 1 的水域面积呈低悬浮物分布，中悬浮物分布占水域面积的3 6 7 5 叶绿素的污染2 0 0 1 年比1 9 8 9 年较严重1 9 8 9 到2 0 0 1 ，总体上看，植被和建筑用地增加，水体和裸地减少植 被增加和裸地减少正说明了2 0 0 1 年比1 9 8 9 年水体中、高浓度悬浮物分布较多的原因建 筑用地增加，反映了经济的发展，城市化进程加快，人口增加，使水体中的叶绿素污染 比以前更严重从水质同土地利用之间关系上看，在闽江流域内部的各种土地利用与土 地覆盖类型的比例的变化是造成河流水质发生变化的主要原因，宽河道利于污染的快速 疏散，是闽江水质最重要的影响因素；植被对于水质的改善效应也起着十分重要的作用； 而从1 9 8 9 年发展2 0 0 1 年时，建筑用地成为影响水质状况不可忽视的因子 关键词：遥感；悬浮物；叶绿素；土地利用变4 j 6 ；灰色关联 主题词：遥感；水质；土地利用；关联 m o n i t o r i n go fw a t e rq u a l i t ym i n j i a n gr i v e ri nf u z h o ub a s e do n r e m o t es e n s i n ga n d a n a l y s i so f r e l a t i o nb e t w e e ni ta n d l a n du s e a b s t r a c t f u j i a n sm 嫡i a n gr i v e ri st h em o t h e rr i v e r ，t h er e s e a r c ha r e ai st h el o w e rr e a c h e so ft h e m i n j i a n gr i v e r i nf u z h o u , i sam u l t i f u n c t i o n a lw a t e r s ，s h o u l d e r i n gt h ep r o v i n c i a lc a p i t a lc i t y o ff u z h o uc i t ya n da d j a e e n ta r e a sf o rd r i n k i n g ，e n t e r t a i n m e n t ，c u l t u r ea n dw a t e rf o ri r r i g a t i o n p u r p o s e s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er e g i o n sr a p i dd e v e l o p m e n t ，t h eg r e a t l yi n c r e a s e di n p o p u l a t i o na n dt h ee v e r - a c c e l e r a t i n gp r o c e s so fu r b a n i z a t i o n n l ew a t e re n v i r o n m e n tw a s d e t e r i o r a t e db yi n s u f f i c i e n ta t t e n t i o nt oe c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd u r i n gt h e d e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h ew a t e rq u a l i t yr e l a t e st ot h eh e a l t ho ff u z h o us u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sd a i l yl i f e t h e r e f o r e ，t h em o n i t o r i n go fw a t e rq u a l i t y ，a st h em a i n b a s i sf o rt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fw a t e rp o l l u t i o na n de v a l u a t i o no ft h ew a t e rq u a l i t y ，i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rr e v i e w e dt h ea p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yi nm o n i t o r i n go fw a t e r q u a l i t y ，t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rm o n i t o r i n go fw a t e rq u a l i t yb a s e do nr e m o t es e n s i n g t w oi n d i c a t o r sw h i c ha r e s u s p e n d e ds o l i da n dc h l o r o p h y l l - ao fw a t e rp o l l u t i o nw e r e e x t r a c t e da n dt h ec h a n g eo fl a n d u s eo fr e s e a r c ha r e aw a ss t u d i e db a s e do nr e m o t es e n s i n g t h ep u r p o s ei st r y i n gt of i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el a n d u s ec h a n g ea n dt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fw a t e rp u l l o t i o n b yb u i l d i n gr e m o t es e n s i n gm o d e lo fs u s p e n d e ds o l i da n d c h l o r o p h y l l a t h ew r i t e rp r o d u c e dt w o - p h a s ei m a g e sa b o u ts p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e s u s p e n d e ds o l i da n dc h l o r o p h y l l ai n1 9 8 9a n d2 0 0 1 g e n e r a l l ys p e a k i n g ，m1 9 8 9 ，t h eh i 【g h s u s p e n d e ds o l i d sc o n c e n t r a t i o na n dm i d d l ew a st h em a i n ，a c c o u n t e df o r2 0 8 9 a n d6 9 5 8 o ft h es t u d ya r e aw a t e r s ；s u s p e n d e ds o l i dc o n c e n t r a t i o nh a v e di m p r o v e di n2 0 0 1 ，t h em i d d l e a n dl o wc o n c e n t r a t i o nw a sm a i n ，c o u n t e df o r4 9 4 1 a n d3 6 7 5 o ft h et o t a lr e s e a r c h a r e a c h l o r o p h y l l ap o l l u t i o nw as m o r es e r i o u si n2 0 0 1t h a ni n1 9 8 9 f r o m1 9 8 9t o2 0 0 1 t h e a r e ao fv e g e t a t i o na n dc o n s t r u c t i o nw a si n c r e a s e d w a t e ra n db a r e l a n dw a sr e d u c e d k i n c r e a s i n go fv e g e t a t i o na n db a r e l a n di n2 0 0 1s h o w e dt h er e a s o no fs u s p e n d e ds o l i di i lw a t e r w a sd e c r e a s e di i l1 9 8 9 w i n lt h ed e v e l o p m e n to f e c n o m y t h ei n c r e a s i n go f p o p u l a t i o na n dt h e u r b a n i z a t i o n , t h ea r e ao fb u i l d i n gw a se n l a r g i n g ，m o r ep o s i t i o n e dm a t e r i a l sw e r ee n t e r e dt h e r i v e r s ot h ec h l o r o p h y l l ap o l l u t i o nw a sm o r es e r i o u st h a nb e f o r e i nt h em i n j i a n gr i v e r ， t h e r ei ss o m ec l o s e l yr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el a n d u s ea n dt h ew a t e rq u a l i t y t h em i n j i a n g r i v e rw a t e ri st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r f r o m1 9 8 9t o2 0 0 1 ，b u i l d i n gl a n d u s eh a sb e c o m eaf a c t o rt h a t m u s tn o tb eo v e d o o k e d k e y w o r d s ：r e m o t es e n s i n g ；s u s p e n d e ds o l i d ；c h l o r o p h y l l a ；l a n d u s ec h a n g e ；g r e y c o r r e l a t e i o n s u b j e c tw o r d ：r e m o t es e n s i n g ；w a t e rq u l i t y ；l a n d u s ec h a n g e ；c o r r e l a t e i o n i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研 究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方 外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志， 都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人 承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：夫_ 砀1 欠日期： 论文使用授权的说明 j 弓d 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：从砌袋日期矽7 ，工弓。 指导教师亲笔签名：茅勿云j 浓 日期：。7 j 多 福建农林大学2 0 0 7 届硕士学位毕业论文 l 绪论 水是自然环境中最重要的因子之一，是人类生产、生活中不可缺少的重要资源，水质直接关系 到人类以及自然环境的生存与发展水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水体污染 闯题的日渐严重，本质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题，尤其是内陆水体，其水 质影响到国民生产和人们的生活用水，准确、快捷的水质监测显得尤为重要 目前，我国内陆永体水质常规的监测方法是先采集水样，然后进行水质实验室分析，并根据分 析数据采用单一参数评价指数法或多参数的综合评价法进行水质评价该方法虽然能对众多的水质 指标做出精确的分析和评价，但是耗费人力物力和财力。而且水样采集和分析的数量很有限，对于 整个水体而言，这些测点数据只具有局部和典型的代表意义这种方法是目前我国各地方环境保护 部门和水利部门采用的传统方法他们在全国建立了庞大的水质监测网点，每年投入巨大的人力物 力进行采样和分析即使如此，也只能对一些重点的河流、湖泊、水库进行监测，其余大多数区域 的水质情况不得而知水质遥感监测方法具有监测范围广、速度快、成本低、便于进行长期动态监 测的特殊优势，在内陆水体水质监测中具有巨大的应用潜力 1 1 遥感技术的发展状况 遥感( r e m o t es e n s i n g ，简称r s ) 是应用探测仪器。不与目标相接触，从远处把目标的电磁波 特性记录下来，通过分析，揭示出物体特有性质及其变化的综合性探测技术遥感技术的发展揭 开了人类从外层空间观测地球的序幕，为人类监测全球环境变化和研究环境灾害提供了新的技术途 径随着空间技术、传感器技术、数字图像处理技术、数据通讯技术的发展，现代遥感技术已经进 入了一个能够实时、动态、快速、准确、多手段提供多种对地观测数据的新阶段口j 遥感技术也从 最初的军用逐渐转为民用，目前已应用在自然资源调查、各环境要素的动态监测、作物估产、城市 扩展动态监测评等领域 自1 9 7 2 年美国发射首颗地球资源卫星e r s t - i ( 后改名为l a n d s a t - 1 ) ，国内外陆续推出了一系列机 载对地观测系统，卫星所携带的遥感仪器种类越来越多：波段覆盖了紫外、可见光、红外及微波波 段：地面分辨率由千米级直到米级；波谱由几百纳米到几个纳米使实时成像成为可能2 0 世纪9 0 年代以来各种高分辨率卫星的相继发射，特别是美国的q u i c k b i r d ( o 6 9 m ) 和i k o n o s ( 1m ) 、以色列 和美国合作e r o s - a ( i 6 m ) 和俄罗斯的s p i n - 2 ( 2 m ) 等高空间分辨率卫星图像的出现，使航天遥感与航 空遥感的界限变得模糊；立体成像技术的发展，在资源和环境探测方面将提供更清晰的空间特征此 外，多种探测技术的集成日趋成熟，雷达，多光谱成像与激光测高、g p s 的集成可以同时取得经纬 度坐标和地面高程数据，用于实时测图 遥感技术研究的目的就是为了应用，遥感应用研究的实践表明，遥感技术为认识整个地球系统 提供全面的、持续不断的变化信息，对人类的生存和发展环境实施实时的、动态的监测，确保可持 续发展所需的空间信息的获取从尼葛洛庞蒂的“数字化生存”到戈尔的“数字地球”，遥感已经成为 重要的信息采集手段 a 1 空间遥感对地观测得到的全球变化信息已被证明有不可替代性由遥感观 测到的全球气候变化、厄尔尼诺现象及影响、全球沙漠化、海洋冰山漂流等动态变化现象已经引起 闯江福州段水质遥感监测及其与土地利用联动分析 人们的广泛重视；海洋渔业、海上交通、海洋生态等方面的研究中，遥感发挥了重要作用；矿产资 源、土地资源、森林资源、水资源、野生动物资源和农作物的估产都缺少不了遥感手段的应用遥 感在解决各种环境变化，如城市化、土地退化、盐渍化、环境污染等问题有其独特的作用，在灾害 监测，如水灾、森林火灾、多种气象灾害和农作物病虫害的预测、预报与灾情评估等方面，遥感也 发挥了巨大的作用随着遥感应用深度和广度的不断发展，遥感技术将更趋于实用化、商品化和国 际化1 4 1 1 2 遥感技术在水质监测中的应用 利用遥感技术进行水质监铡主要是由于被污染水体具有独特的有别于清洁水体的光谱特征，这 些光谱特征体现在对其特定波长的光的吸收或者反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在 遥感图像中体现出来 5 1 水质遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布情况和变化，发现 一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，而且具有监测范围广、速度快、成本低和便于 进行长期动态监测的优势，遥感在内陆水体研究中的应用从最初的单纯的水域识另l j 逐渐发展到对水 质参数进行遥感监测、制图和预测随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征及算法研究的 不断深入，遥感监测水质逐渐从定性发展到定量。并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加， 包括叶绿素a 浓度、悬浮物浓度、黄色物质浓度等，反演精度也不断地提高近年来，高光谱遥感 技术的发展和应用于水质遥感监测极大地提高了水质参数的遥感估测精度基于对水质参数光谱特 性日渐深入地了解，很多学者开始致力于发展没有时间和空间特殊性的水质遥感监测算法【6 。” 自从1 9 7 2 年l a n d s m 1 发射以来，遥感不仅在陆地资源环境领域中得到了，“泛的应用，对水环 境参数的提取也得到了发展例如欧盟( e u ) 于1 9 9 7 年专门立项，应用多种传感器遥感技术研究欧洲 范围的水质变化情况( 1 9 9 8 2 0 0 0 ) 我国科学家应用遥感技术研究内陆河湖与近海的水质状况，也曾 做过大量工作匡定波应用t m 图像解译太湖水质状况，其结果表明卫星图像( t m ) 及水面反射光谱 可以反映湖泊中泥沙和叶绿素特征；濮静娟等利用热红外遥感对唐山陡河水库的水质及其生态环境 进行试验研究，其结果表明热红外可有效地监测库区水质受热污染状况但这些研究多数限于定性 研究，或进行已有的航空和卫星遥感数据分析，却很少进行纯水以及不同水质的波谱特性研究，尤 其是缺乏实验室和多种传感器的波谱数据及其定量分析结果从总体上看，应用多种传感器遥感技 术进行水质机理研究，属国内外研究前沿1 1 1 - 1 2 1 在水质遥感的研究对象方面，对于纯净水体在可见 光和近红外波段的光谱特性已研究得比较充分【”l ，最近十几年的研究主要集中于固体悬浮物和叶绿 素叶绿素浓度不仅影响水色和水质，与水域的初级生产力也有着密切关系，更是湖泊营养状态的 重要表征参数对于水体中的溶解性有机物( 黄色物质) ，特别是b o d 、c o d 和营养状态指数，国内 外所进行遥感监测研究一直比较少【“已有的研究成果表明，类似于叶绿素的光谱特性，有机物 浓度的上升会增强水体在可见光波段和近红外波段的吸收性能，遭受有机污染的水体的反射率要低 于清洁水体l ”- 2 4 1 遥感不仅在陆地资源环境领域中得到了广泛的应用，对水环境参数的提取也得到了发展2 0 世 纪7 0 年代开始，利用遥感对水体的研究从单纯的水域识别发展到对水质参数进行遥感监测、制图和 2 福建农林大学2 0 0 7 届硕士学位毕业论文 预测8 0 年代以后，随着l a n d s a t 4 和l a n d s a t 5 的发射，t l v l 数据以其更高的空间、光谱和辐射分辨 率吸引研究者研究它的水质监测用途l a t h r o p 等( 1 9 9 11 9 8 51 9 9 2 ) 对美国m i c h i g a n 湖的g r e e n 湖湾 作了一系列遥感研究，估测了包括叶绿素a 浓度、悬浮物、透明度在内的多项参数，取得了较理想 的结果 2 5 - 2 7 1 c a r p e n t e r 等( 1 9 8 3 ) 等利用m s s 数据得到了澳大利亚三个湖泊的浑浊度算法方程 l a t h r o p 等( 1 9 9 2 ) 等应用t m 数据得到美国黄石湖的透明度和总悬浮物的回归方程这些方程的 一个共同特点是尽管在各自的湖泊或湖泊群取得了可接受的准确结果，但是不能外推到其他湖泊， 除非湖泊的条件非常类似”1 随后许多学者提出了不同模式来模拟悬浮物与遥感数据的关系m a h t a b 等0 9 9 8 ) 利用地物光谱仪模拟t m 波段设置对不同浓度悬浮物光谱反射率进行测量研究，结果表明 t m 4 波段是估测悬浮物浓度的最佳波段，并建立利用t m 4 波段反射率估测悬浮物浓度的二次回归 模型，该模型估测效果优于线性模型估测效果1 2 9 1 s t u m p f 等( 1 9 8 9 ) 在g o r d o n 模型和g o r d o n 大气校 正方法的基础上，建立由a v h r r 的c h i ，c h 2 资料来获取中等浑浊度海湾的悬浮物浓度的实用系 统1 3 0 i c h e n ( 1 9 9 1 ) 对1 8 种不同浓度、不同类型、不同粒径的悬浮物在3 5 0 2 5 0 0 n m 范围的光谱特 征研究结果表明：在4 5 0 7 0 0 n m 波段范围，悬浮物浓度与反射率是一种对数线性关系，而在7 0 0 1 0 1 5 r i m 波段范围成线性关系1 3 l 】h a r t 等( 1 9 9 8 ) 实验研究发现，当悬浮物浓度大于3 5 0 m g l 。时，光 谱反射率与悬浮物浓度呈线性关系，利用反射率的一阶微分的一元二次回归模型的估测效果比利用 反射峰值估测精度高 我国学者利用经验和统计的方法开展了一些初步的水质遥感监测研究张春桂( 1 9 9 9 ) 根据水体对 太阳辐射光谱的反射率变化特性，动态监测福建省近岸悬浮物的定性分布口”李京( 1 9 8 6 ) 提出了反 射率羊悬浮物浓度之间的负指数关系式，并成功地埘于杭州湾水域悬浮物的调查中p ”许君( 1 9 9 9 ) 等运用s p o t 数据对河流水体悬浮固体浓度进行研究，发现s p o t 数据的1 、2 波段对水体中的悬浮 吲体比较敏感，并根据影像灰度值与悬浮崮体之间的相关关系对台湾淡水河的悬浮固体浓度进行了 分级评价【余丰宁等( 1 9 9 6 ) 利用t m 数据和准同步观测资料，对太湖北部水体叶绿素浓度与不同 波段遥感值的关系进行了定量分析，结果表明所建模型拟合效果较好陈楚群等( 1 9 9 6 ) 利用灰色 系统理论分析各波段组合与叶绿索浓度之间的关联度，表明t m 3 、t m 4 两波段的乘积是估算海水表 层叶绿素浓度的最佳波段组合o “疏小舟等( 2 0 0 0 ) 、李索菊等( 2 0 0 2 ) 5 - 甥1 j 研究了太湖、巢湖水体反射 光谱特征与藻类叶绿素浓度之间的关系，以波长反射比( 7 0 5 n m 和6 7 5 n m ，7 0 5 r i m 和6 8 0 h m ) 为自变 量建立了藻类叶绿素离光谱定量遥感模型，并指出，在叶绿素浓度较高时，7 0 5 r i m 和6 7 5 n m 的光谱 反射比以及7 0 0 r i m 附近反射峰的位置与叶绿素浓度有较好的相关性( 余丰宁等，1 9 9 6 ) 3 7 - 3 8 赵碧云 ( 2 0 0 0 ) 等利用t l v l 数据与准同步监测资辩，对滇池水体叶绿素浓度与不同波段遥感值的关系进行了关 联度分析，并据此建立了t m 图像遥感叶绿素水质模型，该模型被成功地应用于滇池水体叶绿素的 遥感动态监测 1 3 研究背景及意义 1 3 1 研究背景 闽江是福建省最大的河流，发源于闽赣边界的武夷山脉，向东南流入东海干流全长5 7 7 公里， 3 闽江福州段水质遥感监测及其与土地利用联动分析 流域面积6 0 9 9 2 平方公里，约占福建全省面积的5 0 以上涉及到福州、南平、三明、龙岩、宁德、 泉州等市的3 6 个县( 市、区) ，流域人口约占全省人口的3 5 ，经济总量约占全省的3 8 ，是我省重 要的经济区之一，在全省经济、社会和环境的可持续发展中占有十分重要的地位 本文是响应2 0 0 5 2 0 1 0 闽江流域水环境保护规划在综合改善闽江流域水环境质量，防治环 境污染，保护生态环境，促进流域经济、社会的可持续发展，加快海峡西岸经济区建设的指导思想 下，针对闽江流域福州段尝试运用遥感技术进行水污染遥感解译以期为运用“3 s ”技术对闽江水污 染监测提供参考 1 3 2 研究的意义 水是自然环境中最重要的因子之一，是人类生产、生活中不可缺少的重要资源，水质直接关系 到人类以及自然环境的生存与发展水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水体污染 问题的日渐严重，水质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题，尤其是内陆水体，其水 质影响到国民生产和人们的生活用水，准确、快捷的水质监测显得尤为重要水质遥感监测方法具 有监测范围广、速度快、成本低、便于进行长期动态监测的特殊优势，在内陆水体水质监测中具有 巨大的应用潜力 闽江是福建省最大河流，发源于武夷山脉的杉岭山南麓的九县山，流域总面积为6 0 9 9 2 k m 2 约 占全省面积的一半 3 9 1 闽江福州段位于闽江下游，是一个多功能水域，肩负着福州市及临近地区饮 用、娱乐、养殖和灌溉用水的功用福州市现有东区、南区、西区、北区、东南区和义序等六个自 来水厂均以闽江水为源水然而十多年来，随着沿江两岸人口的增长，经济的持续发展，闽江水已 受到严重的污染，同时闽江桶州段f i 7 = 于闽江最下游，难免受到上游水质的影响，且福州市本身是沿 江向江中排污量最大的城市，大量的上业、生活污水和医院废水基本上未经任何处理直接排入内河 再进入闽江，绝大部分河段氨氮及生物性污染远超地表水v 类标准，说明内河被人畜粪便污染已十 分严重城区的内河污水最终全部流入闽江下游，闽江水达不到生活饮用水所必需的水质要求i 帅1 为 了合理的评价水环境质量，加强综合治理使闽江水质达到各功能区划标准，水质监测显得特别要常 规的水质监测方法是人工取样进行实时实地监测，这种方法只能了解监测断面上的表面水质状况， 但对于整个水体而言，这些监测点数据只具有局部和典型的代表意义利用遥感和g i s 能有效解决 这种点数据意义的局限性遥感为水体监测提供正确、迅速、宏观的监测数据，g i s 发挥其强大的 空间信息管理、分析能力，建立各类数据库、模型库以及图像库，同时结合地面监测数据，对监测 数据进行有效的管理、分析、计算和可视化表达，具有广阔的应用前景 1 4 研究技术路线 研究总体思路是：应用遥感技术获取1 9 8 9 年2 0 0 1 年闽江福州段水质参数悬浮物和叶绿素变化 空间分布格局，同时解译出相应时期研究区土地利用变化信息，通过分析土地利用变化和研究区水 质变化之间存在的空间关联性，寻求研究区水质变化的原因图1 - 1 为本研究所采用技术路线图， 以1 9 8 9 和2 0 0 1 年的t m 影像为数据源，先进行大气较正、几何精较正、线性拉伸等数据预处理工 作；在确定土地利用分类体系前提下，结合遥感影像和g p s 野外地物样点调查，对各地类光谱特征 4 福建农林大学2 0 0 7 届硕士学位毕业论文 进行分析，派生出利于提取典型地类的归一化指数影像，应用基于知识分类方法分层分类提取两时 期各地类，这样就为水质变化同土地利用变化关系分析准备了基础；水质参数提取是通过从遥感影 像比值运算，派生代表悬浮物和叶绿素比值指数影像，利用归一化水体指数影像获得的水体掩膜对 上述水质参数影像进行水体区域非监督分类，从而获得两个时期研究区水质空间分布信息；最后， 结合土地利用变化和水质变化在空间分布的关联性特征，分析它们之间存在的关系 g p s 野外调 查 遥感原始数据 确定土地利用分 类系统 地类光谱特征分 析 遥感数据预处 归一化指数 影像提取 提取水质参数 s s 心口n e l i 、帮 c h l a ( n n c j n n l t ：e , ) 比 值指数影像 基焉筹地l 幽利用分类i 土地利用变化与水色变化联动分析 应用水体掩膜对 水质参数s s 和 c h l a 非监督分类 图1 - 1 技术路线 f i g u r e l - if r a m e w o r ko f t h ea p p h e dm e t h o d s 5 线性拉伸理一几何较正一大气较正 闽江福州段水质遥感监测及其与土地利用联动分析 2 研究区与数据源 2 1 自然地理概况 图2 1 研究区概况 f i g u r e 2 - 1t h eg e n e r a ls i t u a t i o no fs t u d ya r e a 如图2 - 1 所示，闽江是全省最大的水系，发源于武夷山脉，在水口镇流入福卅l 境内，流经闽清 县、闽侯县，在侯官附近因受南台岛之阻，分为南、北两港，南港称乌龙江；北港称闽江，亦称台 江或白龙江；北港绕过南台岛北侧，穿过福州市区至马尾港区，一般河宽3 0 0 6 0 0 米，从淮安至罗 星塔长2 8 5 公里，河槽相对窄深，为航运通道南港绕南台岛南侧，在江口处接纳大樟溪，江面 宽阔，达3 0 0 0 4 0 0 0 米，至峡兜缩小为5 0 0 米，南港自淮安至罗星塔长4 0 2 公里，河槽宽浅，为 泄洪贮沙河段南、北港于马尾港域汇合后折向东北进入通海河段，经青洲、闽安峡谷( 河宽由1 7 0 0 米缩小为6 0 0 米) 至亭江长约1 2 公里在亭江附近受琅岐岛之阻，闽江复分为南、北两支：南支( 称 6 福建农林大学2 0 0 7 届硕士学位毕业论文 梅花水道) 绕过琅岐岛南侧，经浮岐、潭头至梅花入东海，长1 8 公里，河道宽浅；北支为闽江入海 主汉，绕过琅岐岛的北侧经英屿、长安至珀头长门口，称长门水道，宽约1 5 0 0 米，深9 1 0 米，长 门峡谷宽仅3 8 0 米，深达3 4 米；出长门口后又被粗芦、川石、壶江诸岛分成乌猪水道、熨斗水道、 壶江水道和川石水道分别入海，其中自西北向东南流经闽清、闽侯、市区、长乐，分别从长门水道 和梅花港水道注入东海闽江全长5 3 0 公里，在福州市境内1 5 0 公里；流域面积6 0 9 万平方公里， 在福州市境内0 8 万平方公里境内主要支流有安仁溪、梅溪、大樟溪】 2 2 水环境质量概况 闽江福州段属多功能水域，城市上游和下游分布较多承担饮用水的功能的水源保护区，这种不合 理布局造成地区供水和排污互为制约的局面，使城市今后的污水出路和饮用水源量的矛盾日益突 出北港横穿福州市区，常年黑臭的内河污水排入闽江北港，往其接纳的污染负荷占闽江下游工业 污染负荷的8 5 及生活污染负荷的近9 0 南港承受的污染负但荷占总量的5 左右，除受纳本地 排放的污水，现已发现上游难降解的有机物和重金属的沉积和富集h “工业结构性污染尚未从根本 上解决一些企业污染反弹，由于工艺设备比较落后，技术水平较低，一些企业污染治理设施未能 正常稳定运行，污染物不能稳定达标排放而且有一些企业存在擅自停运治理设施、私设暗管偷排 漏排的违法现象突发性污染事故时有发生，危及水环境安全生活污染和禽兽养殖业也是不容忽 视的污染源虽然福州市有几个污水处理厂但由于管网不配套；污水收集率低，不能处理所有工业 污水和生活污水，使某些工业污水、家禽粪便注人闽江除受纳本地排放的污水，现已发现上游难 降解的有机物和重金属的沉积和富集【4 ”2 0 0 3 年以来，持续干旱导致河流水量明显减少，以及备禽 养殖污染、生活污染物排放、工业污染反弹等因素的影响，虫】江水质有所下降由于城市污水管网 未配套完善，污水大部分排入内河，对内河水质有一定的污染，生活污水经内河汇入闽江，直接污 染水源地东南区水厂设计日供水量1 5 万t 取水量占全市总取水量的1 4 ，其水源地( 鳌峰洲) 处于 闽江福州段下游，取水口位于五孔闸附近，闽江乱采砂导致河床变位，曾引起生活污水倒灌据福 州市环境监测站的长期监测数据分析，闽江福州段下游属微污染水源 4 4 j 尤其是近期，闽江下游南港受到海水倒灌、北港污水回溯以及南港污水影响，2 0 0 3 年1 0 月至 2 0 0 4 年2 月福州南港长乐、福清取水口断面水质经常出现氯化物和氨氮超标的现象而闽江下游北 港由于受到福州市大量未经处理的污水污染，福州东南区水厂水源地氨氮经常超标所以尽管闽江 下游水量充足，但是现在水质型缺水已成为制约福州地区水资源开发利用的主要因素，这将直接影 响福州地区人民身体健康和社会经济的发展m j 2 3 数据源概况与分析 2 3 1 数据源概况 研究选用l a n d s a t 5t m 和l a n d s a t 7e t m + 遥感影像作为影像数据源，获取时间分别为1 9 8 9 年 0 6 月1 5 日、2 0 0 1 年0 3 月0 4 日，覆盖闽江福州段的两个时相遥感影像数据( 轨道号为1 1 9 4 2 ) ，过 境时问为当地时间上午9 ：4 5 时左右，像元大小为3 0 3 0 m 图2 2 为所用的两个时相遥感影像r g b 5 4 3 7 闽江福州段水质遥感监测及其与土地利用联动分析 假彩色合成图( 经几何精校正后的切割出的包含闽江福州段和内河部分作为试验区) 除了两个时相的t m 遥感数据外，还用到了一些相关的地图资料和社会经济统计数据，主要包 括：福州地区l ：5 万地形图；福州地区土地利用图：福州地区地质地貌图，1 9 8 9 年、2 0 0 1 年福州 统计年鉴和福州志 ( a ) 1 9 8 9 年影像 ( b ) 2 0 0 1 年影像 图2 - 2 两个时期闽江福州段t m 影像 f i g u r e2 - 2 t w o t m i m a g e r i e s o f s t u d ya m l i t d l f f e r e l l t p e r i o d so f t i m e 表2 - 1t m 影像波段特征 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r so f t mb a n d s 波段波段波长范嗣 波段特征主要用途 呼 c p m ) t m l蓝 o 4 5 o 5 2 t m 2绿 o 5 2 o 6 0 对水体穿透力强，对叶绿素 及叶色素浓度反映敏感 对健康茂盛植物绿反射敏 感，对水的穿透力较强 t m 3 红0 6 3 0 6 9为叶绿素的主要吸收波段 t m 4 近红外0 7 6 0 9 0 t m 5 中红外1 5 5 1 7 5 t m 6 热红外 l o 4 1 2 5 对绿色植物类别差异最敏 感，为植物通用波段 处于水的吸收内，反含水量 敏感 可以进行热制图 t m 7 中红井 2 0 8 2 3 5处于水的强吸收带 t m 8 全色 o 5 2 o 9 0 有助于判别水深，水中叶绿素分布，近 海水域制图 探测健康植物，评价生长活力，研究水 下地形特征和水污染 用于区分植物种类与植物覆盖度，探测 植物叶绿素吸收的差异，在秋季则反映 叶黄素、叶红素的差异 确定绿色植被类型，做生物长势和生物 量的调查，水域判别等 用于植物含水量的调查，土壤湿度，水 分状况、作物长势的研究，区分云和雪 植物和地物的热强度测定分析，人类热 活动特征监测 植物含水量测定，岩石的调查与分类， 含有- o h 矿物的土壤 能通过各种融合手段提高地面空间分辨 盔 8 福建农林大学2 0 0 7 届硕士学位毕业论文 2 3 2 数据源分析 2 3 2 1t m 数据各波段特征分析 l a n d s a tt m ( t h e m a t i cm a p p e r ) 专题制图仪是美国陆地卫星上携带的一种改进型的多光谱扫描 仪它设有八个波段，不同的波段响应了不同地物在该波段内的反射辐射特征正是由于波段与地 物间存在这些相关特性，才可以利用地物在不同光谱范围内的反映程度和波段的组合来识别地物表 2 1 给出这8 个波段的特征说明 t l v l 遥感影像具有中等空间分辨率( t m i 1 m 5 ，t m 7 为3 0 m ，t m 6 为1 2 0 m ，e t m + 的t m 6 波段为6 0 m ) 、中等的时间分辨率( 其覆盖周期为1 6 天) 和多光谱( 包含3 个可见光波段、1 个近 红外、2 个中红外和1 个热红外) ，信息量丰富，能够满足研究要求；如表3 一l 表示，t m l 对水体穿 透力强，有助于水深，适于近海水域制图；中红外波段t m 5 ，t m 7 对含水量反应敏感，有利于进行 水陆分离和土壤湿度等监测，而t m 4 、t m 3 的特征适用于植被提取 2 3 2 2 各波段信息量比较法 为了获得有效信息，对多光谱遥感图像处理之前，必须获取能反映图像数据本身的标准差和均 值向量等量 ( 1 ) 图像灰度方差和标准差 方差反映各像元灰度值与图像平均灰度值的总的离散程度它是衡量一幅图像信息量大小的重 要度量，是图像统计分析中的最重要的统计量 设某幅图像为 ( f = l ，2 ，3 ；产l ，2 ，3 ) ，其图像矩阵大小为m x n ,，代表整幅图像 的平均灰度值，产、s 分别是方差和标准差则方差为 窆艺陟( f ，) 一7 】2l 厂( f ，) 一r s 2 = 三生旦一 m ( 2 ) 图像灰度数值域 图像灰度数值域是图像最大灰度值和最小灰度值的差值， 间接地反映了图像的信息量，其公式为 石a n g e ( f ，) 2f m a x ( “力矗i n u ，以 ( 2 1 ) 反映了图像灰度值的变化程度，从而 ( z - 2 ) ( 3 ) 灰度均值 灰度均值是一幅图像中所有像元灰度值的算术平均值，反映的是图像中地物的平均反射强度， 大小由一级波谱信息决定，其公式为 m - i n - i 一厂( f ，_ ，) f = 三生二l 一 ( 2 3 ) m n 根据以上三种方式，对研究所采用的数据进行了信息量统计，得到如表2 - 2 所示信息信息量 9 堕垩塑型垦查堕堡墅鉴塑墨墨皇圭丝型里壁塑坌塑 与标准差有着密切的关系，标准差越大，信息越丰富，越有利于地物信息的提取对标准差按照从 大到小的顺序排列，如，对2 0 0 1 年，波段5 波段7 波段3 波段4 波段2 波段1 ，可知2 0 0 1 年 信息量最大的波段是第五波段 表2 - 2 两时期遥感影像的各波段特征参数 t a b l e 2 - 2s t a t l s t l c a l p r o p e r t i e so m m d b o f t w o t m a g e d a t a 年份 b a n d l b a n d2b a n d 3b a n d 4b a n d sb a n d7 1 9 8 91 7 41 2 4 1 6 01 9 52 5 32 4 3 数值域 2 0 0 l1 7 81 8 6 2 3 21 1 82 5 42 5 4 1 9 8 9 均值 2 0 0 l 7 8 8 1 5 6 6 4 5 3 6 0 7 1 5 0 6 6 6 4 3 8 4 5 1 9 8 91 49 1 42 62 72 4 标准差 2 0 0 11 11 3 1 91 42 52 1 表2 - 31 9 8 9 年影像各波段相关系数统计表 t a b l e 2 - 3 c m t e l a t t o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nb a n d s o f l 9 8 9 i m a g e d a t a 相关系数b a n d lb a n d2 b a n d 3b a n d4b a n d5b a n d7 b a n d l1 0 0 0 0 0 0 b a n d 2 b a n d 3 b a n d 4 b a n d 5 0 9 4 2 1 9 5 0 9 3 2 3 0 3 0 3 4 9 4 8 6 0 0 6 0 8 2 5 0 9 7 3 1 7 8 0 3 3 0 9 7 103 1 8 2 5 2 0 0 8 4 5 4 901 6 1 9 8 0 0 7 7 1 2 5 0 b a n d 704 2 3 0 9 40 4 2 0 3 0 1 0 5 2 0 3 7 80 4 4 3 6 5 808 8 6 8 6 61 0 0 0 0 0 0 表2