基于国产卫星多光谱影像的河流水体浊度遥感联合反演研究

基于集合建模思想,在水体光谱特征分析与敏感波段选择基础上,集成多种遥感反演模型优势,构建了河流水体浊度多光谱遥感联合反演模型(Combined Model-BP,CM-BP)。选择汉江中下游典型河段为研究区,利用2012—2013年原位观测数据,以具有较高时间分辨率和空间分辨率的国产卫星数据作为多光谱遥感数据源,测试评估了CM-BP浊度遥感反演模型适用性,并与传统波段组合模型进行精度比较,基于反演结果分析了研究区浊度时空分布特征。结果表明:基于集合建模思想构建的CM-BP模型的反演精度、适应性及稳定性均高于波段组合模型;从光谱分辨率、时空分辨率等角度考虑,环境与灾害监测预报小卫星星座系统、高分一号卫星、资源三号等国产卫星多光谱遥感数据是河流水体水质反演优选数据源;国产卫星遥感数据可以满足河流水体水质高精度、实时性与大尺度等遥感反演需要,为河流水环境监测研究提供数据基础。     

基于GF-1/WFV的钱塘江叶绿素a和总悬浮物浓度遥感估算

为了探究高分一号(GF-1)卫星对河流水体水质参数遥感反演的效果,使用GF-1卫星数据的16 m分辨率的GF-1/WFV传感器数据和地面实测数据,基于地面实测光谱反射率数据模拟WFV波段组合,构建水体叶绿素a和总悬浮物浓度遥感模型,从而对钱塘江流域杭州段水体水质参数进行估算。研究结果表明:基于B1-B3差值的二次多项式模型可用于叶绿素a浓度估算(R²=0.83,RMSE=0.74 μg/L),基于B3波段的二次多项式模型可用于总悬浮物浓度的估算(R²=0.92,RMSE=1 mg/L);通过模型应用于准同步的GF-1/WFV数据,较好反映了低潮位钱塘江杭州段水体叶绿素a和总悬浮物浓度的空间分布,为高分一号卫星数据遥感监测钱塘江水色参数做出了有益的探索性工作。研究方法及结果对其他流域河流水色遥感研究具有参考价值。     

基于航空高光谱的囫囵淖尔水体浊度反演建模

针对机载 Headwall 高光谱成像仪对水质监测能力的验证, 利用 2018 年 9 月 17 日航空高光谱数据和 17 个准同步实测水体浊度数据分别构建囫囵淖尔水体浊度波段比值反演模型、一阶微分反演模型和偏最小二乘反演模型, 估算同日的囫囵淖尔水体浊度的空间分布。研究结果表明: 利用机载 Headwall 高光谱数据构建的 3 个浊度反演模型, 验证均方根误差 RMSE 均小于验证样本浊度的极值差 5. 3 NTU, MRE 均小于 10% , 机载 Headwall 高光谱成像 仪能够较好地观测水体浊度差异; 在囫囵淖尔, 基于 Headwall 高光谱数据的偏最小二乘模型建模精度高于波段比 值模型和一阶微分模型, 决定系数 R2 达到 0.95, 综合误差 CE 为 1. 74% , 最适用于囫囵淖尔水体浊度的反演; 2018 年 9 月 17 日囫囵淖尔东部水域浊度范围为 21. 2~ 54.4 NTU, 呈现出北低南高的趋势, 湖中心区域水体浊度较低, 南部水域受水中藻类的影响, 水体浊度较高。利用航空高光谱遥感影像实现了浊度的定量反演, 为航空高光谱遥感数据用于水质参数反演提供借鉴。     

基于高光谱数据的汉江中下游典型河段水体悬浮物遥感反演

选择汉江中下游典型河段作为研究区域,利用2012—2013年实测水质数据及高光谱数据,基于有效信息变量筛选和神经网络算法构建研究区水体悬浮物浓度高光谱反演模型,分析评价了模型性能与估测效果,讨论了研究区水体悬浮物浓度分布特征。研究结果表明:基于变量投影重要性指数和神经网络优势构建的高光谱反演模型在反演精度、稳定性和适应性方面表现出优异的性能;而对于基于简单相关性分析构建的单波段模型和比值模型而言,建模样本选择对模型精度有较大影响,导致模型反演精度、稳定性和适用性较差;汉江中下游典型河段水体总悬浮物浓度整体上在18.8~187.0 mg/L之间变化,季节性差异明显,即春、夏两季悬浮物浓度低于秋季。     

悬浮泥沙反射光谱特性和泥沙量估算试验研究

通过实验室含沙水体的配比试验，对不同浓度含沙水体进行了光学特性测量，建立了不同悬沙含量遥感反演模型，结果表明：1）确立的水体光谱反射率和悬沙浓度之间的数值关系，为用卫星遥感技术探测表层悬沙浓度做了基础性的研究，取得了令人满意的效果；2）悬沙水样的敏感波段位于700nm～720nm，730～750nm和800～850nm；3）利用主成分分析方法结合多元线性回归可较为精确地估算悬沙含量，其模型反演能力明显优于敏感波段线性模型。对于浓度范围为0．1905g／L～3．6991g/L的悬沙水体，主成分回归模型反演精度更高，反演值和实测值的平均相对误差仅为5％左右；4）用实验室含沙水体配比方法进行的悬沙浓度与光谱关系的研究，其数据采集的同步性好，精度可靠。     

基于高光谱分析的长荡湖水质监测技术研究

以江苏省长荡湖为例,对15项常规水质参数进行实地采样试验,并同步测定采样点的水体高光谱信息。为研究高光谱信息在该湖泊水质反演中的适用性,对水质参数和对应光谱特征进行定量分析,筛选高光谱对水质指标的敏感波段。分别选用波段差值、波段比值和单波段建立半经验数学模型,并根据实测值验证各模型反演精度。结果表明,利用波段组合反射率建立的模型对TP、浊度、悬浮物SS、水温和透明度具有较好的拟合效果。     

汉江中下游典型河段水环境遥感评价

选择汉江中下游典型河段作为研究区域,利用2012年春、夏、秋3季水质采样结果及HJ1A卫星CCD同步多光谱数据,建立了研究区总氮浓度BP神经网络反演模型,并根据反演结果对研究区进行水质状况评价。研究结果表明基于弹性BP训练算法(启发式训练算法)的BP神经网络模型反演精度高,适用性强,可真实反映研究区总氮浓度在不同河段及不同季节中的变化情况,可较好地利用国产卫星数据开展流域水质评价工作。水质评价结果表明研究区在不同季节和不同区域水质差异较大,研究区春季总氮指标严重超标,夏、秋2季指标优于春季,下游指标优于上游。     

基于SWMM和MIKE11的城市河流水质动态模型构建及应用

为了对城市河流水污染治理提出精细化控制建议，科学合理地制定流域水环境综合治理措施，以茅洲河为研究对象，基于Visual Studio开发SWMM与MIKE11的耦合程序，采用映射配置文件将两个模型的空间拓扑关联，构建了城市河流水质动态模型，并在模型率定验证的基础上将其应用于流域水质情势预测。结果表明：城市河流水文-水动力-水质耦合模型具有较好的模拟能力和适应性，可用于类似流域水质动态模拟、预测及评估。     

基于Landsat-8卫星遥感反演内陆河湖水质参数

以太湖为研究区，使用Landsat-8卫星OLI数据和无人机高光谱数据，对研究区CODMn、DO、TN、TP、NH₃-N等5项水质参数进行遥感定量反演研究，通过各水质参数与遥感数据波段组合分析，构建高拟合度的水质参数反演模型，为内陆水体水质参数遥感定量反演提供理论基础。     

地下水补给影响下的河流水质模糊模拟

摘 要：基于河流水环境系统的模糊性、不精确性，采用三角模糊数描述和表征沿岸地下水水文地质参数，建立了计算地下水补给量和补给强度的模糊模型。在将水质模型参数定义为三角模糊数的基础上，构建了考虑地下水补给影响的一维稳态河流水质模糊模拟模型。作为案例，将上述模型应用于淮河流域某支流水质模拟研究。采用-截集技术，计算得到各控制断面模糊数形式的污染物浓度值，并与确定性模型计算结果进行比较。实例研究表明，以三角模糊数原理模拟和表征考虑地下水补给影响的河流水体污染物浓度变化规律，理论上可行，计算结果可信，较好地弥补了传统确定性模型的不足。     

基于水质指数法的城市河流水质综合评价研究

依据江门市泥海水水质2020年9月的5个断面的监测数据,以溶解氧（ＤＯ）、高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、氨氮（ＮＨ3－Ｎ）、总磷（ＴＰ）作为ＣＷＱＩ模型的5个主要变量对河道水质进行综合评价。分析结果表明:各监测点的ＣＯＤＭｎ和ＣＯＤ均满足Ⅳ类水质要求,ＴＰ基本满足Ⅳ类水质要求,ＤＯ污染较为严重,ＮＨ3－Ｎ污染最为严重。通过对泥海水的监测断面的水质时间空间分布趋势分析可知,5个水质参数变化规律在不同监测时间表现趋势差异较大,每个水质参数在不同监测断面中变化规律相差也较大。采用ＣＷＱＩ方法能够从定性和定量两个方面对监测结果进行综合分析,监测结果可为下一步实施改善型措施提供依据。     

基于无人机高光谱成像技术的河湖水质参数反演

以云南星云湖和深圳茅洲河为例,利用无人机高光谱成像仪获取研究区高光谱影像的同时对地面水质参数进行采样,构建水质参数的最佳双波段监测模型。结果表明：叶绿素a的模型精度最高（R2=0.99,RPD=7.55）,其次是悬浮物（R2=0.95,RPD=4.86）,总氮（R2=0.88,RPD=2.04）和总磷（R2=0.86,RPD=1.93）,最低是浊度（R2=0.60,RPD=1.65）。无人机高光谱成像技术为城市河流、湖泊的水质监测提供了全新的数据来源和技术手段,同时也为湖泊、河流的水环境保护及治理提供了依据。     

夏季引流条件下苏州古城区河网水质变化研究

为探寻城市河网水动力提升对水环境改善的影响,评估引水调流效益,以苏州古城区河网为例,在夏季丰水期条件下通过对不同流量引水条件下数条河流水动力及水质的监测和分析,探讨水动力作用对河网水体的水质改善效果。结果表明,在汛期允许最佳引流条件下,苏州齐门河、平门河及学士河的污染物通量分别下降了15.2%,16.5%和13.2%,其中古城区北部河网水环境改善情况明显高于南部河网。引水调流方案能够有效增强古城河网流动性,而河网水体中COD和溶解氧含量在不同水动力条件下的变化较为敏感,可以作为古城区河网典型水质指标参数,反映水动力调控的影响效果。     

无人机技术在河湖水质污染监控中的应用研究

为研究无人机技术在我国河湖水质污染监控中的应用,文章以广西南宁市青秀区金沙河为研究对象,基于“无人机+高光谱成像”协同技术对该湖泊水质展开了全面监测与数据采集工作,并对多个监测点的水样进行了室内污染物检测试验。研究发现基于无人机高光谱成像技术所建立的区域水质预测模型与实测结果吻合程度高,无人机监测结果反演空间成像效果好。研究成果可为我国河湖水质监测与改善提供借鉴。     

A water quality model applied for the rivers into the Qinhuangdao coastal water in the Bohai Sea,China

The water quality of all rivers into the Qinhuangdao coastal water was below the grade V in 2013. In this study, an integrated MIKE 11 water quality model is applied to deal with the water environment in the rivers into the Qinhuangdao coastal water. The model is first calibrated with the field measured chemical oxygen demand(COD) concentrations. Then the transport of the COD in the rivers into the Qinhuangdao coastal water is computed based on the model in the water environmental monitoring process. Numerical results show that the COD concentration decreases dramatically in the estuaries, from which we can determine the positions of long-term monitoring stations to monitor the river pollutions into the coastal water. Furthermore, different scenarios about the inputs of the point sources and the non-point sources are simulated to discuss the model application in the water environmental control, and simplified formula are derived for assessing the water quality and the environmental management of rivers.     

基于实测数据的鄱阳湖悬浮泥沙粒度遥感反演模式分析

水体悬浮泥沙粒度是重要的水质参数之一,影响着水体的遥感反射率。研究两者之间的关系对于内陆湖泊水环境遥感监测具有重要意义。基于鄱阳湖实测数据,采用相关分析方法,用不同数学模型进行鄱阳湖悬浮泥沙粒度反演研究。研究结果表明:(1)浑浊区适合采用体积百分比众数粒径建立反演模型,清水区适合采用数量百分比中值粒径建立反演模型;(2)浑浊区悬沙粒度的敏感单波段是环境卫星Ⅳ波段,在清水区悬沙粒度的敏感单波段有环境卫星Ⅱ和Ⅲ波段,而环境卫星Ⅱ,Ⅲ波段比组合是整个研究区水域的敏感波段;(3)单波段反演模型中,幂函数适用于鄱阳湖粒度遥感反演;波段比反演模型中,多项式模型适于鄱阳湖粒度遥感反演。     

Simulation of environmental change in response to operation of dams in Huaihe Basin

This paper describes the model simulation of a portion of the Huaihe Basin upstream of the river mouth at Hongze Lake,with an area of 130 520 km2.The MIKE 11 modeling system was used to assess the flows and water quality in the Huaihe,Shayinghe,Honghe,Guohe,and Pihe rivers.The hydraulic part of the model was used to study the propagation of flows in the Huaihe River,which was calibrated with data from 2002-2003 and verified with data from 2004-2005.In general,there was agreement between measured and simulated discharges at all the hydrological stations.Except for some places close to large gates,there was reasonable agreement between measured and simulated water levels in the simulated rivers.The MIKE 11 WQ (water quality)model was used to study general sanitary parameters describing the river water quality in areas influenced by human activities.The water quality model simulated dissolved oxygen (DO),chemical oxygen demand (COD) and ammonia nitrogen (NH3-N).The difference between the simulated and observed concentrations was within the range that could be expected from water quality modeling,taking into account uncertainties such as pollution loads,and monitoring and sampling frequency.This model setup was also suitable for the subsequent scenario modeling of periods of water project operation.In the simulation of the Pihe River,increasing the discharge at Hengpaitou Dam was shown to cause a significant improvement in water quality downstream of Lu'an City.In the Shayinghe and Huaihe rivers,the effect was less visible.This suggests that the poor water quality in the Huaihe Basin is mainly caused by extensive discharge of domestic and industrial wastewater.     

水质标识指数法在赣江尾闾段水质评价中的应用

赣江为鄱阳湖的重要补给水源,赣江水质对鄱阳湖生态有着重要影响。本文以电导率（EC）、浊度（TUR）、悬浮物（SS）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH₄-N）、硝态氮（NO₃-N）以及化学需氧量（COD）作为赣江水质评价指标,采用水质标识指数法对赣江尾闾段2015年10月30日、12月4日以及2016年1月12日、3月10日和5月30日5个时间点、3个支流、8个监测点的水质进行综合评价分析。分析结果表明：采用主要污染物水质标识指数法（PP-WQI）所得赣江下游北、中、南支流污染指数分别为3.84（COD）、3.53（COD）、3.84（COD/SS）,综合水质标识指数法（CWQI）所得污染指数分别为3.8077、3.5003、3.7465;水质介于Ⅲ类和Ⅳ类之间,属于轻度污染,主要污染物为COD、TN和SS。水质在空间上表现为中支较好,南支和北支较差,上游优于下游;在时间上表现为夏季（5月30日）最差,冬季最好（12月4日和1月12日）。