RS、GIS在内陆湖泊水质研究中的应用
发布时间：2022-01-05
摘 要: 遥感( RS)、地理信息系统 ( GIS)技术的综合应用在许多研究领域广泛推广并日渐成熟 ,表现出广阔的发展前景。将 RS、 GIS相结合 ,综合应用于内陆湖泊水质的监测和分析 ,充分体现了其快速、经济、高效的强大优势。 本文首先回顾了一般监测方法的特点及局限性 ,主要讨论了 RS、 GIS的特点及在内陆湖泊监测和分析中的优势所在。 最后提出了此领域的发展方向展望。
关键词: 内陆湖泊 ; RS; GIS; 水质监测及分析; 遥感信息模型
内陆湖泊水质研究的一般方法需要在水域布置大量的监测点才能得到准确的水质分布信息 ,这种方法受人力、物力和气候、水文条件的限制 ,难于进行连续或快速地跟踪监测。 RS和 GIS的出现及综合应用 ,为内陆湖泊水质的监测和分析提供了新的方法。
遥感监测可以大面积地提供水质信息 , 并且具有适时、迅速、持久等特点 ,它所提供的信息量是常规水质监测所不能比拟的。 GIS是处理空间数据的有效工具 ,可以把遥感所提供的大量空间信息快速处理并进行分析 ,这在工作效率和经济效益上都明显地占有优势。 RS和 GIS的结合将内陆湖泊水质的监测和分析提高到一个新的水平。 以下探讨了常规监测和分析的局限性 , RS和 GIS 的结合应用于内陆湖泊水质监测和分析的可能性及思路、方法和发展前景。
1 内陆湖泊水质一般研究方法的特点及局限性
一般的水质监测和分析方法是污染调查和采样分析。 内陆湖泊水质监测和分析的特点是 [1 ] : 样品的组分复杂 ,种类繁多;样品组分的稳定性较差 ,变异性较大;样品组分的含量通常较低;环境监测的工作量大。
基于水质监测和分析的特点 ,要做好内陆湖泊水质监测和分析 ,主要依赖于高精度的仪器以及准确的分析技术。此外 ,还要特别注意水样的采集和保存。 在内陆湖泊水质监测和分析中 ,关键性的一点是进行水质采样。
这种监测和分析方法受人力、物力和气候、水文条件的限制 ,且所采集的数据量少 , 难于长时间跟踪监测和分析 ,有必要寻求一种新的监测和分析方法来克服这些限制。
2 RS、 GIS的特点
2. 1 RS原理及其监测水质的可行性
RS是近几十年蓬勃发展起来的一门新兴技术学科 ,并且在很多方面广泛应用。自然界中水体的反射波谱曲线与清水的反射波谱曲线之间有很大的差异 ,自然界中的水体由于水中的藻类及泥沙的影响 ,反射率比清水高 ,反射波谱曲线的形态也与其有很大的不同 (图 1) [ 2]。 这正是利用其进行水质监测和分析的原理。
从上个世纪 70年代开始 ,利用 RS对陆地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、制图和预测 [3 ]。 通过 RS预测的水质参数包括: 悬浮颗粒物、水体透明度、叶绿素 a浓度以及溶解性有机物、水中入射与出射光的垂直衰减系数 ,和一些综合污染指标如营养状态指数 [4, 5 ]。
遥感传感器记录的辐射值与水中组分的含量有关 ,通过辐射值估测组分含量的一般方法是半经验法 ,这种方法的关键部分是对遥感数据进行适当的统计分析来得到水质参数的估测值。 国内外许多学者已利用这种方法来监测湖泊、水库的水质参数如总悬浮物、叶绿素及与之相关的透明度、混浊度和富营养化指数等 ,研究的湖泊遍及欧洲、北美、澳洲。 如 Lath ro p 等 利用 TM 数据 对美 国 Michigan [6, 7 ]湖的 Green湖湾作了一系列遥感研究 ,估测了包括叶绿素 a、悬浮物、透明度等在内的多项参数 ,获得了较理想的结果。
2. 2 GIS及其在水质监测和分析中的应用
地理信息系统 ( GIS)是以地理空间数据库为基础 ,在计算机软硬件的支持下 ,对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示的服务系统。
在内陆湖泊水质研究中 , GIS是一个强有力的工具。 GIS是将空间信息和属性信息相结合处理的一种极为有效的工具 ,可以把分析结果以图形和报表的形式输出 ,使结果更直观。另外 , GIS可以对大量的数据进行操作 ,可以进行一些复杂的计算;它可以通过对数据的分析 ,实现对湖泊的监测分析和预测; 同时可以对湖泊进行规划和管理 ,为管理者提供决策。
2. 3 RS、 GIS结合的必要
在内陆湖泊水质的复杂研究中 ,仅仅采用 RS或 GIS一种手段 ,分析和处理一种信息是远远不够的 ,必须将 GIS与 RS结合起来应用。 RS、 GIS结合是资源和环境信息分析处理 ,实现对遥感数据、图形数据和属性数据科学管理的重要技术途径 ,是现代资源和环境信息系统的发展方向。 RS技术的发展促进了 GIS的发展 ,同时 GIS又为 RS的研究提供了一强有力的工具。 它们之间的关系为: RS是 GIS的重要信息源和数据更新手段; GIS是遥感信息提取与分析的重要手段。
3 运用 GIS、 RS技术进行内陆湖泊水质监测和分析的思路和方法 [8 ]
3. 1 依靠遥感数据获取水质参数
大量数据获取与集成 ,是进行内陆湖泊水质监测和分析的关键。 RS的出现克服了采样方式中有限数据的不足。
3. 2 依靠遥感数据发现变化信
息数据的快速获取是进行动态监测和分析的关键。遥感技术经过几十年的发展 ,已趋成熟 ,它能快速、动态地提供湖泊表面的信息。科研人员将遥感数据应用于内陆湖泊水质污染的宏观调查中 ,可以快速获取大比例尺的污染变化信息。
3. 3 依靠 GIS进行空间数据的组织、管理、分析与可视化
GIS具有空间数据的输入与编辑 ,组织与分析 ,查询与管理以及制图输出等功能 ,因此适合用来管理环境数据。 我国各地环境部门正在或即将运用 GIS建立各自的环境管理数据库。 但是 ,由于目前的 GIS几乎都是静态地管理空间数据和属性数据 ,而环境管理工作是一个动态的、日常的工程 ,因此 ,如何在现有 GIS软件中表示湖泊水质变化的时间属性 ,或者开发基于时空数据模型的 GIS新软件 ,是 GIS发展面临的一个新问题。目前在现有的 GIS中表示时间信息的方法大致有 [9 ] :
( 1)在数据库中删除过时信息 ,用现状信息代替 ,即快照模型;
( 2)重新定义和建立一个新的数据层 ,来反映变化信息 ;
( 3)为数据库中每一个元素存贮该元素生成的时刻 T0 和发生变化的时刻 T1 ,在表中以时间指针相连结 ( T0→ T1 )。
由于动态监测和分析要求不仅能够表示 T0 到 T1 时刻的变化 ,而且要生成 T1 时刻的现状图和报表等信息 ,因此 ,采用上述的第三种方法 ,即数据库中既存贮 T0 时刻的数据 , 又保存 T0→ T1 时刻的变化信息 ,二者经过空间分析即可得到 T1时刻的现状数据。
3. 4 基于 RS、 GIS集成技术的动态监测和分析方法
在传统的内陆湖泊监测和分析中 ,仅仅依靠采样数据来确定变化 ,不能及时、准确地掌握变化的空间位置、属性和数量。遥感手段的运用 ,不仅可主动发现变化 ,而且可以及时、准确地掌握变化。
综上所述 ,归纳出基于 RS、 GIS集成技术的内陆湖泊动态监测和分析新方法 (图 2)。
4 存在的问题及展望
目前 , RS、 GIS在内陆湖泊水质研究中的应用有了长足的发展 ,但仍存在一些问题。首先 ,遥感监测的精度不高。 RS是依赖于传感器在高空对地表物体进行监测 ,这种方法受分辨率的限制。目前 ,各种传感器的分辨率都比较低 , M SS的分辨率为 79～ 82m, TM 的分辨率为 30m( 1～ 5, 7波段 )和 120m( 6波段 ) , SPO T卫星的分辨率比较高 ,但全色图象的地面分辨率为 10m,而多光谱图象的地面分辨率为 20m;其次 ,根据水中光场的理论模型来确定吸收系数与后向散射系数之比与表面反射率的关系的模型还不成熟 ,无法做出精确的计算 ,目前还只能靠半经验方法。
基于这些问题 ,有待于进一步的研究。具体说来 ,应该在以下几方面发展和提高。
首先 ,提高对 RS机理的认识。 一方面 , 提高从电磁波辐射和散射的角度认识遥感机理。 RS实际上是一个反演的问题。如何由散射场的信息同时或分别反演出地物的参数 , 对于提高遥感信息利用率是非常重要的。 李宗谦等 [10 ]选取合适参数建立了小扰动模型、基尔霍夫模型等 ,使地物的模型成为较易求解的模型。另一方面 ,提高对遥感信息传输规律的认识。 遥感信息的传输规律密切依赖于介质的特性。在无云的天气条件下 ,大气气溶胶和水气是难以确定的两个介质。 因此建立适合各地的大气气溶胶的光学特性和水汽含量的模式对研究遥感信息在大气中辐射传输和大气效应订正应用具有重要的意义。 大气效应订正的另一重要问题是适用的大气辐射传输模式[11 ]。
其次 ,在目前分辨率的情况下 ,提高解译精度。在一定的分辨率的情况下 ,主要靠提高解译技术来提高解译精度。 在 RS、 GIS结合情况下 ,提高计算机的自动解译技术来提高遥感信息的应用是关键性的一步 ,比如建立专家解译系统。
第三 ,建立模型。 环境问题是错综复杂的 ,在解决环境问题的理论研究中 ,最重要的是建立模型 ,对错综复杂的环境问题进行模拟分析 ,以便抓住主要问题。 目前 ,国内外都已认识到把 RS与 GIS结合起来是研究和解决环境模型问题的关键。
国内的马蔼乃 [12 ]把结合 RS和 GIS所建立的模型称为遥感信息模型。 遥感信息模型是集中地形模型、物理模型和数学模型 ,应用遥感信息和地理信息影像化的方法 ,建立起来的一种模型。在环境领域中 ,可以借助于遥感信息和地理信息系统 ,建立起环境遥感信息模型 ,利用先进的科学技术对环境进行模拟研究 ,以便更好地对环境进行监测和分析。有许多环境遥感信息模型等待去开发 ,例如: 酸雨的遥感信息模型 ,湖泊与沿海水域中的各种污染物的遥感信息模型等等 [13 ] 。马蔼乃和李京 [14 ]在研究悬浮泥沙含沙量时 ,利用遥感信息模型 ,建立了悬浮泥沙含沙量遥感信息模型。
同样在内陆湖泊水质的研究中 ,最有效的研究方法是建立内陆湖泊水质遥感信息模型 ,对内陆湖泊水质进行动态模拟 ,有效地对湖泊水质进行监测和分析。 这种内陆湖泊水质遥感信息模型可以是污染物总体的遥感信息模型 ,也可以是各种污染物的遥感信息模型。——论文作者：刘瑞民 , 王学军 *
[参考文献 ]
[1 ] 张世森 .环境监测技术 [M ].北京: 高等教育出版社 , 1992.
[2 ] 宁书年 ,吕松棠 ,等.遥感图象处理与应用 [M ].北京: 地震出版社 , 1995.
[3 ] Ritchie, J. C. and Cooper, C. M. . An al gorith m f or estimation su rface s uspended sediment Concentration s with Landsat M SS digital dat a [ J]. Wat. Res. Bull. , 1991, 27: 373～ 379.
[ 4 ] Wezernak, C. T. , Tanis, F. J. , and Bajza, C. A. . Trophi c st ate anal ysis of inland lakes[ J]. Remote Sensing Environ. , 1976, 5: 147～ 165.
[5 ] Caims, S. H. , Di ck son, K. L. , and Atkinson, S. F. . An ex amination of meas uring s el ected w ater qualit y trophi c indi cat ors w ith SPOT s atellite HRV data [ J]. Ph ot og ramm. Eng Remot e Sens. , 1997, 63: 263～ 265.
[6 ] Lath rop, R. G. , and Lill esand, T. M. . Us e of th ematic map per data to assess w ater quality in Green Bay and cen tral Lake Mi chigan [ J]. Pho togramm. Eng. Remot e Sens. , 1986, 52: 671～ 680.
[7 ] Lath rop, R. G. , Lill esand, T. M. , and Yand ell, B. S. . Testing th e utility of sim ple multidata thematic mapper calibration algo rith ms f or monit oring of turbid inland w at er [ J]. In t. J. Remote Sens. , 1991, 10: 2045～ 2063
