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水是生态和环境的核心要素之一,湖泊作为地球上重要的淡水资源在国民经济和社会发展中的地位和作用越来越突出。但近年来,水污染问题也变得日益严重,水质普遍下降,已危害人们的生活和发展。本次研究的抚仙湖星云湖是云南省著名的风景区,也是今后省内最大的饮用水源地,水质直接影响到国民生产和人们生活用水,对其进行准确快捷的水质调查,加大保护和治理力度是十分重要和必要的。常规的水质调查耗时耗力,并且很难反应湖泊的整体水质状况,而遥感技术能够快速、及时地提供整个湖区的水质情况,具有调查范围广、实施成本相对较低和长期动态观测的特殊优势,能够尽可能地及时发现水质异常问题。
依据水质遥感的原理,国内外常用的方法主要有物理、经验、半经验等三种;常用的遥感数据主要有多光谱、高光谱和新型的卫星遥感数据;常涉及到的湖泊水质参数包括叶绿素a、悬浮物、黄色物质、水温等指标,其中叶绿素a和悬浮物是影响水体光谱特征的主要物质,同时也是研究和应用中比较成熟的水质参数。
此次研究选取了全球对地观测计划(EOS)中Terra和Aqua两颗卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据,它以较高的时间分辨率、辐射分辨率和较多波段的设置成为目前水质遥感调查最具有潜力的数据源之一。
根据研究区实测的水质参数数据、水体反射率光谱数据以及MODIS遥感数据,研究了污染程度不同的水体反射率波谱特性以及各水质参数的波谱反射率特性。采用半经验法,取得主要成果如下:
1)利用水体反射率数据进行了叶绿素a浓度和悬浮物含量的遥感定量模型研究,得出在467 nm、560 nm、677 nm和712 nm附近的波段与叶绿素a浓度呈现较好的相关性,而与悬浮物含量具有较好相关性的则为569 nm、711nm 和817nm附近的波段。
2)将经过预处理的MODIS数据与实测的叶绿素a浓度和悬浮物含量进行相关分析,选择相关性高的敏感波段进行组合,发现1-4波段(250m和500m空间分辨率)能够较好的反演水质参数浓度,并根据相关性最好的组合分别建立了叶绿素a浓度和悬浮物含量的遥感定量估测模型。
3)应用所建的模型对研究区水体的叶绿素a浓度和悬浮物含量进行了分析,得到浓度分布图,并且利用相差一个星期两个时相的MODIS数据说明了研究区水质的动态变化。
4)水体温度与水质优劣有一定的相关性,因此利用MODIS的高辐射分辨率特点,根据前人反演地表温度的算法,生成MODIS第31通道的比辐射率图,初步验证利用MODIS的热红外通道对湖泊水体温度的反演也可以作为湖泊水质遥感调查的一种手段。
基于上述研究,本文发展了适合内陆水体的叶绿素a和悬浮物遥感的最佳波段反演组合,构建了一个基于MODIS数据的内陆湖泊水质遥感体系,能够适用于大面积水域水质遥感调查的定量模型。