鄂西聚磷区矿山水质遥感监测与评价

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中文摘要：遥感技术具有实时性、动态性和宏观性的特点，它在一定程度上弥补了传统的水质监测方法所遇到的时空间隔大、费时费力、难以具备整体、普遍意义和成本高的缺陷和困难，因此遥感技术具有不可替代的优越性。本文对水质遥感的国内外研究现状进行了深入的的总结与分析。对于水质的研究来说，主要的监测指标有物理性指标、化学性指标和生物性指标，目前，国内外研究人员已开展了关于水深、水温、悬浮泥沙、黄色物质、叶绿素a、生化需氧量、总磷、总氮等多种水质组分的研究，并取得了很大的进展。本文在总结国内外研究技术的基础上，开展了虎山尾矿库水质中化学性指标的研究。虎山尾矿库位于鄂西聚磷区荆襄磷矿区胡集镇，是胡集磷化工区污水、磷矿山开发后暴露的磷矿石及废渣等淋滤物的聚集地。研究区开矿历史悠久，是我国著名的“中原磷都”。区内矿体产于震旦系陡山陀组鄂西浅海台地上的沉积磷矿床，主要赋于含磷碳酸盐建造中，矿层位于建造的下部，距下面侵蚀面不远的部位。磷块岩赋存于底部黑色炭质岩、薄层硅质岩块，具有矿层厚、层数多、规模大、品位佳的优点。近年来，随着地表矿藏开发基本完毕，矿业活动转入地下，开始了对深层矿藏的开发，大量的废矿场和废石废渣未能得到及时地恢复治理，在雨季来临时，大量的淋滤液从废矿场和废石废渣中流出，加上磷化工产生的污水未经处理直接排放，最终汇集于虎山尾矿库中，导致库区周围以及下游地区水资源的破坏。水资源是矿区经济社会发展的物质基础，水质状况严重影响着该地区的可持续发展。为加强矿山水资源的监测与评价，为区域矿山环境的科学管理和恢复治理提供理论和技术支持，本文开展了以下研究： (1)本文根据电磁波的辐射传输方程，选择合适的大气纠正模型，对研究区的遥感影像做大气辐射纠正，定量地分析辐射纠正的精度，并对数据进行几何纠正等处理，并进一步提取矿山水资源信息。 (2)以ASTER数据为数据源，在对研究区水质调查与监测时，空间分辨率不能很好的满足要求，因此本文对数据的几何与尺度问题进行了深入地研究，进而对ASTER遥感数据进行混合像元分解的研究，并选择合理的方法对混合像元值进行计算。 (3)水体的光谱特征是由其中的各种物质对光辐射吸收和散射性质决定的，是遥感监测的基础，通过研究水质参数光谱特征，选择和优化波段组合，从而确定水资源遥感定量监测的最佳波段或波段组合，以获取最佳的光谱信息。 (4)对比分析样品的光谱特征，对实测水样数据和遥感数据进行统计分析，建立适合矿山水资源监测与评价的信息模型，并对模型的有效性、精度及应用效果进行检验，为水资源评价提供依据。 (5)利用建立的模型对研究区水质组分进行反演，并与野外调查进行对比，进一步验证模型，同时对研究区水质状况进行分析与评价。针对以上内容，本文通过深入的研究，取得了下列初步成果： (1)文中首先对电磁波的辐射传输过程进行了详细的阐述，同时也对几何与尺度问题进行了深入的探讨。由于文中研究区面积小、影像空间分辨率相对较低，几何与尺度问题引起的数据不确定性对定量遥感的监测精度有非常大的影响，因此只有减弱或消除数据不确定性，才能提高定量遥感的监测精度。 (2)运用FLAASH模型对ASTER数据进行了辐射纠正，对五种典型地物纠正前后的光谱曲线进行了对比，结果表明经FLAASH模型做过大气纠正的ASTER数据符合本次水质遥感监测的要求。 (3)文中对ASTER数据进行了表观反射率的计算，并利用波谱“沙漏”分析，对数据进行MNF变换，进一步生成纯净像元指数，制作了影像分类图，实现了对混合像元的分解，同时也提取了研究区水体信息。 (4)文中使用 ASD光谱仪对野外样品的光谱信息进行收集，并分析了野外样品的光谱特征。通过与ASTER数据作对比，弄清了ASTER数据识别水质组分信息的能力与不足，为本文后续的研究与分析提供了前提依据。 (5)通过SPSS生成ASTER遥感数据反射率或反射率比值与实测污染物(Ag+、Ba2+、Hg2+、F-、Cl-、NO3-、H2PO4-、SO2-4、Ca2+、Mg2+等)数据间的散点图，进行多次试验，并对比试验结果，最终建立了实测污染物数据与水体反射率间显著相关的反演模型。通过对模型进行显著性检验，验证了该模型的可靠性和实用性，进而应用该模型对尾矿库水体污染物进行了浓度分布的反演。 (6)利用建立的反演模型所生成的研究区水质组分浓度分布图显示，污染物的浓度成阶梯状连续分布，污染物的浓度逐渐减少，浓度高的地方即是污染源所在。这与野外调查相符，进一步验证了模型的正确性，故而表明该模型是适用的。另外，在今后的工作和研究中，也要加强矿山水质监测的进一步研究： (1)分析不同水质组分的光谱特征，以及加强水质参数之间光谱特征相互影响规律的研究。同时，加深遥感建模机理的研究，建立综合的水质遥感信息模型，充分考虑模型的各种影响因子，增强模型的实用性和可移植性。 (2)随着水深度的改变，水质组分浓度会有所改变，同时，因水体内部的运动及水的扰动性，水质组分浓度也会不有所不同，所以要加强水体内部动力机制对电磁波谱的影响。 (3)加强遥感数据挖掘技术的研究，充分发挥遥感数据捕捉各种水质组分信息的能力，以提高遥感数据的利用效率。 (4)加强遥感数据的不确定性研究。遥感从获取到应用，其中的每个环节都存在不确定性因素，会对数据质量有不同程度的影响，对水质定量遥感监测来说，数据质量直接决定着后期分析和应用的准确性。

作者：

杨强

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关键词：

水质遥感监测辐射传输 FLAASH模型混合像元区域矿山环境可持续发展

授予学位：

硕士

学科专业：

地图制图学与地理信息工程

导师：

张志

学位年度：

2009

学位授予单位：

中国地质大学(武汉)

语种：

中文

中图分类号：