搜索
长安大学国家级大学生创新创业训练计划项目结题报告项目名称：城市景体富营养化多光谱遥感监测的模型及其应用研究项目类别：□创新训练□创业训练□创业实践项目编号：201210710118项目负责人：李晨龙专业班级：所属学院：环境科学与工程学院执行年限：2012年4月28日至2014年4月28日电话:18729902046E-mail:2580937855@qq.com填表日期：2013年12月6日长安大学教务处制一、基本情况项目名称城市景观水体富营养化多光谱遥感监测模型的研究成果形式论文立项时间2012年4月28日完成时间2014年4月28日鉴定时间年月日项目主要研究人员序号姓名学号专业班级所在学院项目分工1李晨龙201129040203化学工程与工艺2班环境科学与工程学院2马凯201129040204化学工程与工艺2班环境科学与工程学院3朱海昌201129040216化学工程与工艺2班环境科学与工程学院4赵珊201129040226化学工程与工艺2班环境科学与工程学院5温婷婷201129030124建筑环境于设备工程环境科学与工程学院二、研究过程简介研究目的本研究以城市景观水体为靶区，以多光谱数据遥感反演为主要方法，通过尺度转换，水质分析，开展水质定量遥感监测和对水体富营养化状态评价识别的方法和技术研究，探索城市景观水体富营养化多光谱遥感监测的便捷方法，通过发展适合城市景观水体水质定量遥感监测的波段分析和构建模型，实现与遥感水质监测同步完成的城市景观水体营养状态的评价识别，搭建一个基层水利、环境及其它相关业务管理部门易于掌握的，具有可操作性的多光谱城市景观水质遥感监测平台。研究意义城市景观水体是营造城市优美景观，为城市居民提供休闲游憩的场所，主要包括城市里的天然湖泊、人工湖泊、景观池塘、景观河道等。城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，水域面积小、水深较浅、水环境容量小、自净能力差、容易出现不同程度的富营养化现象。一旦发生，水体颜色泛绿，发出难闻的腥臭味，严重影响周边的自然环境和人居环境，丧失了水体的景观功能。由于地表水体存在富营养化问题，其中的氨氮、总磷、总氮、化学需氧量等有机物质会以水为介质，在下渗过程中，透过地层进入地下水中。虽然地表水在经过地层变为地下水的过程中或多或少得到一定净化，但是地下水的水质还会受到不小的影响。为了发挥城市景观水体功能，营造优美城市环境，有效防治地下水进一步污染，对城市景观水体水质做到快捷准确监测和及时治理就显得尤为重要。传统的城市景观水体水质监测采用实地、点上采样和实验室分析等手段，这类监测方法有一定的准确性，但容易受局部扰动的影响，不能反映整个水体生态环境的时空变化，且费时、费力、成本高，不能满足对水质实时、大尺度监测评价要求。遥感技术的出现和发展，给水质的监测评价提供了新的机遇与选择。水质遥感监测是利用经验、半经验或者物理分析的方法，选择合适的遥感波段数据，建立水质参数的遥感估测模型来反演水体中的水质参数浓度。水质遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，发现其它一些方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，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，既可以满足大范围水质监测的需要，也可以动态跟踪污染事件的发生、发展。如何针对城市景观水体，通过多光谱遥感监测技术和地面准同步水质分析技术的科学组装，实现对水体富营养化的方便快捷监测，及时地掌握城市景观水体的富营养化状态，是探索切实有效的修复方法改善其水质,恢复并提高水体生态系统景观功能与价值,以提高其生态环境效益与社会经济效益的重要途径。因此，应用遥感技术进行水质变化机理研究，进而研究水资源的合理利用和保护，有效防治地下水进一步污染，维护地下水安全，成为当前国际、国内遥感界的研究热点之一。本研究以位于西安市区的汉城湖、兴庆湖、护城河、曲江池、未央湖、莲湖公园、渭河咸阳段、丰庆公园及革命公园等景观水体为研究对象，主要应用多时相的多光谱卫星遥感数据，通过尺度转换等方法，进行水质参数的遥感信息提取和定量反演研究，引入数据挖掘和知识发现机制，揭示城市景观水体富营养化过程中隐含的客观规律，利用一种新的机器学习法-支持向量机（SVM-SupportVectorMachine）错误!未找到引用源。及模糊模式识别交叉迭代模型对遥感反演的水质数据进行水体富营养化状态的模糊模式识别，构建一个适合于城市景观水体水质实时监测与富营养化状态评价识别的计算准确、性能稳定的计算模型。通过以上研究，回答科学与生产中的几个实际问题：①城市景观水体富营养化多光谱遥感监测的机理模型是什么？②如何进行城市景观水体水质参数敏感波段分析与选择及如何建立基于定量遥感反演技术的城市景观水体富营养化快捷综合评价方法与模型？从而全面及时地掌握城市景观水体的富营养化状态，揭示水体富营养化形成的机理和发生发展的规律，为制定具有时效性的控制水体富营养化的治理措施提供科学依据。研究报告见附件一研究结论富营养化状态识别和监测是治理水体富营养化危害的主要依据，随着城市景观水体富营养化问题的日益严重，城市景观水体富营养化状态识别和监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题。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，在城市景观水体富营养化状态识别和监测中具有巨大的应用潜力。本文在总结分析国内外水质遥感监测和湖泊富营养化评价识别研究领域已有的理论、技术和方法的基础上，将西安市景观水体作为研究区，以富营养化状态识别指标总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)、和透明度(SD)为研究对象，系统研究了利用Landsat5ETM遥感数据反演景观水体水质组分的方法和技术。研究内容涉及遥感数据的获取及与其同步(准同步)的地面数据采集、遥感数据的预处理、水质参数的光谱特征分析、波段数据分析和最佳波段和波段组合的选择、利用GA-SVM方法构建水质浓度遥感定量反演模型及模型精度的分析和检验，并将识别结果与景观水体实际的富营养化状态进行对比分析验证其准确性。本文研究重点放在利用GA-SVM方法构建水质浓度遥感定量反演模型和对水质浓度遥感反演数据进行富营养化状态的识别研究上。通过以上研究得到如下结论：（1）本研究以西安市景观水体为实验对象，发展适合水质浓度遥感监测的多光谱波段分析技术。采用实测水质数据与水质指标实测光谱数据和多光谱遥感数据统计分析相结合的方法，选择水质参数的最佳反演波段和波段组合。研究结果显示TM1～TM4波段数据非常适合用来反演景观水体水质指标浓度，并且利用波段比值算法计算的TM1～TM4波段组合数据明显增强了水质指标遥感反演的灵敏度。（2）将GA-SVM方法应用于水质遥感定量反演模型的建立过程中。通过大量的训练和测试构建了适合水质浓度遥感反演的SVM模型。并将该建模方法应用于2000～2012年西安市不同时相的ETM遥感数据的水质指标浓度遥感定量反演研究，反演精度均在控制误差以内，得到了西安市各景观水体各月不同水质指标浓度的分布状况图。实现了不受时间和地域限制对景观水体进行大范围的监测和评价。（3）利用实测水质浓度数据，将SVM模型应用于2000～2012年西安市景观水体富营养化状态的识别研究。富营养化识别结果与2010年4月～10月实际调查的西安市景观水体富营养化状态相符，能够客观准确的反映出水体富营养化状态，验证了模型计算的准确性和稳定性。对后续进行基于水质遥感反演的湖泊富营养化状态的模糊模式识别研究提供了计算准确、结果可靠的评价识别模型。（4）本研究构建了一个基于ETM数据的水质遥感监测体系，从TM影像数据预处理到水质指标反演、水体富营养化状态识别监测，监测体系中的各个环节均已实现。该体系为进一步开展城市景观水体富营养化状态识别的业务化卫星监测打下了基础。此外，本文所构建的水质遥感定量反演SVM经过必要的验证和完善后，均可以直接应用于其它景观水体富营养化状态的遥感识别和监测研究。研究的特色1)研究思路独特，解决了城市景观水体污染监测时间上的连续性问题，明确掌握了污染物的连续变化及迁移规律，为城市地下水污染治理提供了有针对性的资料。重点探讨城市景观水体水质综合评价模型与遥感水质综合评价模型的结合，吸收了水文学、生态学、遥感与地理信息系统等学科的研究成果，具有鲜明的多学科交叉性与综合性的特点。2)研究方法创新，实现了城市景观水体其它方法从点上监测到遥感方法面上监测的突破。遥感技术可快速、大范围、周期性的对湖泊的富营养化状态进行监测，也可以进行长年的不同时段不同季节的监测对比，能全面及时地掌握湖泊（水库）的富营养化状况；遥感技术的大部分工作可在室内计算机上完成，与在现场采集水样相比，省时省力。在对同一湖泊的不同水域可同时完成营养状态的监测评价。各成员承担的研究任务分解水质分析及遥感反演模型研究----李晨龙，朱海昌，马凯采样点的选择及室内水质分析----赵珊，温婷婷野外采样及室内水质分析----马凯，李晨龙，朱海昌，赵珊，温婷婷遥感反演及地面验证方案的制定及实验室水质分析----马凯，朱海昌，李晨龙，赵珊，温婷婷三、研究总结报告预定计划执行与项目研究实践情况一，资料的收集（2012.4-2012.6）通过现场勘测和调研，查找书籍文献，上网搜索，对课题的研究思路和内容有了深入的理解，根据研究思路与内容和研究区的基础资料，我们确定了水体取样的城市:西安，咸阳，渭南，宝鸡，收集了研究区的基础资料。本研究以城市景观水体为靶区，采用多光谱数据遥感反演、地面准同步水质监测验证等方法，考虑水体空间变异性，通过尺度转换，水质分析，以探索适合城市景观水体水质定量遥感监测的波段分析和模型构建技术，开展水质定量遥感监测和水体富营养化状态评价识别方法和技术研究，实现与遥感水质监测的同步完成。二，资料分析与项目计划制定（2012.7-2012.8）通过对所收集的资料整理分析，确定了课题研究计划。该研究项目整个过程将持续了两年。三，野外实地调查（2012.9-2012.10）对西安市，咸阳市，宝鸡市，渭南市主要景观水体进行了取样分析，通过实验测定，获取了各个取样地点景观水体的研究指标，包括总氮，总磷，叶绿素a，溶解氧含量。四，样品分析及数据处理（2012.11-2013.7）对于所取样品进行测定，将总氮，总磷，叶绿素a，溶解氧量的具体数据得出，最终在对数据经行计算处理。五，撰写结题报告，科技论文（2013.8-2014.4）根据研究结果及数据撰写结题报告及科技论文，并对论文进行投稿发表。研究工作中取得的主要成绩和收获本创新小组所有成员先后多次到西安，咸阳，渭南，宝鸡等地进行野外考察和景观水体样品的采集，在进行深入的理论分析基础上，建立遥感和水质参数关系模型，并对水质的营养状态进行综合评价，并撰写《城市景观水体富营养化多光谱遥感监测的模型及其应用研究》，包括研究区一系列相关的遥感影像及反映城市景观水体富营养化变化的地面实测数据，科技论文《MultispectraldataAppliedinMonitoringandEvaluatingtheWaterTrophicStateofSouthLakeQujiangbasedonGA–SVM》已经进入投稿阶段，有望被EI收录。研究工作存在的不足与改进建议第一阶段：存在资料较为繁杂，难于辨别，由于知识的缺乏，对于资料的理解存在较为大的问题，处于一种发现问题才进行学习的状态，所以进度较慢。第二阶段：对于一些资料的重点不是很明确，导致做计划时有些迷茫，计划与实际情况有一些偏差。第三阶段：对于野外实地活动没有经验，在取样时有些细节问题注意不到。第四阶段：测定数据时对于实验室操作不熟练，测数据时往往会进行很多遍。数据的分析存在专业知识不足的问题，关于运用到统计学的东西只能边学边用分析数据，进度很慢。第五阶段：撰写论文时对论文的构思，结构，具体内容的写作上都一些问题。尚需深入研究的问题一城市景观水体富营养化多光谱遥感监测的模型在实际应用中还需要根据具体监测数据进一步调整与完善，不断提高期预测的准确度。四、论文及专利