1、摘要I索取号： 密级： 硕 士 学 位 论 文基于 GF-1 数据的南京夹江饮用水源地安全评价研究研 究 生：指导教师： 培养单位： 地理科学学院一级学科： 地理学二级学科： 遥感技术与应用完成时间： 年 月答辩时间： 年 月摘要II摘 要南京夹江饮用水源地是南京市最重要的饮用水源地之一，水源地的安全状况直接影响到市区的饮用水安全。本文基于 GF-1 卫星影像，从水质安全和环境安全两个方面研究了南京夹江饮用水源地安全状况的评价方法。在水质安全评价方面，构建了基于 GF-1 数据的 CODMn、总磷、总氮水质参数浓度估算模型，并基于单指标浓度进行河道水质安全评价；在环境安全评价方面，提出了基于非
2、点源、固定源、流动源风险的环境安全评价指标和模型算法，对饮用水源地环境安全状况进行了综合评价。主要研究结果如下：（1）建立了 CODMn、总磷、总氮等水质参数估算模型，并进行了单指标水质安全评价。COD Mn 浓度估算模型采用 GF-1 数据第二波段和第一波段的比值作为自变量，使用对数拟合方法进行建模，模型 R2=0.7964；总磷浓度估算模型采用 GF-1 数据第二波段和第三波段差值作为自变量，使用指数拟合方法进行建模，模型 R2=0.5125；总氮浓度估算模型采用 GF-1 数据第一波段遥感反射率作为自变量，使用对数拟合方法进行建模，模型 R2=0.7732。利用星地同步数据进行模型验证，
3、对 CODMn 浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为 9.43%，均方根误差为 0.28mg/L。使用同步 GF-1 数据验证，平均相对误差为 17.34%，均方根误差为 0.51mg/L。对总磷浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为 14.88%，均方根误差为 0.01mg/L。使用同步GF-1 数据验证，平均相对误差为 18.19%，均方根误差为 0.02mg/L。对总氮浓度估算模型，使用地面同步实测光谱数据验证，平均相对误差为 4.50%，均方根误差为 0.10mg/L。使用同步 GF-1 数据验证，平均相对误差为 5.56%，均方根误差为 0.
4、11mg/L。利用 2014 年 1 月 6 日、2014 年 4 月 14 日、2014 年 6 月 11 日和 2014 年 10月 15 日共四景 GF-1 影像对饮用水源地水质参数进行估算，并对其时空变化进行的分析表明，大部分区域的 CODMn 浓度在 4mg/L 以下，总体上秦淮新河水域高于夹江水域；总磷浓度没有明显的变化趋势，大部分区域总磷浓度稳定在0.10.2mg/L 之间；总氮浓度基本上在 1mg/L 以上，处于枯水期的 2014 年 1 月6 日浓度达到 2mg/L。分析表明，水质参数的时空变化主要与秦淮新河地区的工厂排污和长江丰水期、枯水期的水量变化有关。根据 CODMn
5、浓度水质安全评价结果表明，包括三个取水口在内的饮用水源地大部分水域达到了 类水质标准。根据总磷浓度得到的评价结果显示，水源地大部分区域为类水质，达到了饮用水的标准。摘要III（2）构建了基于环境安全指数的饮用水源地环境安全评价方法。首先，建立了以非点源、固定源、流动源三类风险源为一级指标的饮用水源地环境安全评价指标体系。然后，利用 GF-1 卫星影像进行土地利用分类、风险源提取，结合地面调查资料获取了各类风险指标信息，并根据夹江地区实际情况制定了风险指标评分方法。最后，利用层次分析法获得各类评价指标权重，建立饮用水源地环境安全评价模型，使用饮用水源地环境安全指数（ESI）对饮用水源地环境安全状
6、况进行了综合评价。结果显示，2014 年 1 月 10 日夹江饮用水源地环境安全指数为 11.17，2014 年 12 月 24 日夹江饮用水源地环境安全指数为 10.89。根据安全等级划分标准，2014 年 1 月 10 日夹江饮用水源地环境处于中等安全水平，2014 年 12 月 24 日夹江饮用水源地环境处于较高等安全水平，这一结果表明，2014 年相关部门开展的环境整治行动使得南京夹江饮用水源地环境安全状况得到了改善。关键词：高分一号卫星 夹江 饮用水源地 安全评价AbstractIVAbstractJiajang River drinking water source is one
7、of the most important drinking water source in Nanjing, and the water safety situation of this area directly affects the safety of urban drinking water. Based on GF-1 images, the safety of drinking water source was evaluated in Nanjing Jiajiang river from the aspects of water quality and environment
8、al safety. In the aspect of safety evaluation of water quality, the estimation model of CODMn, TP and TN concentration was establish based on GF-1 data.The river water security was evaluated based on single indicators.In the aspect of safety evaluation of environment , a evaluation index system and
9、model algorithm of drinking water source environment safety was established based on non-points source,fixed source and flow source risk. Finally,the security status of drinking water source environment was evaluated integrately.Main conclusions are as follows:(1) Water quality parameter estimation
10、model was established.The ratio of remote sensing reflectance of band2 and band1 was used as the independent variable of CODMn concentration estimation model, the logarithmic fitting method was used to modeling, R2 = 0.7964.The difference of remote sensing reflectance of band2 and band3 was used as
11、independent variables of TP concentration estimation model,the index fitting method was used to modeling, R2 = 0.5125.The remote sensing reflectance of band1 was used as independent variables of TN concentration estimation models, the logarithmic fitting method was used to modeling, R2 = 0.7732. Sat
12、ellite-ground synchronous data was used to validate the model. As for the estimation model of CODMn, the mean absolute percentage error is 9.43% and the root mean square error is 0.28mg/L useing ground synchronal measured spectral data to validate. The mean absolute percentage error is 17.34% and th
13、e root mean square error is 0.51mg/L using the synchronal GF-1 data to validate. As for the estimation model of total phosphorus, the mean absolute percentage error is 14.88% and the root mean square error of 0.01mg/L useing ground synchronal measured spectral data to validate. The mean absolute per
14、centage error is 18.19% and the root mean square error is 0.02mg/L using the synchronal GF-1 data to validate. As for the estimation model of total nitrogen, the mean absolute percentage error is 4.5% and the root mean square error iss AbstractV0.10mg/L useing ground synchronal measured spectral dat
15、a to validate. the mean absolute percentage error 5.56% and the root mean square error is 0.11mg/L using the synchronal GF-1 data to validate.Temporal-spatial change of quality of intake water was analysesed by using GF 1 image of January 6, 2014, on April 14, 2014, June 11, 2014, and until October
16、15, 2014.On the whole,CODMn concentration shows lower after rising trend and most of the areas CODMn concentration is below 4 mg/L in full-year except qinhuai xinhe river.There is no obvious change on total phosphorus concentration from the time, total phosphorus concentration is stable between 0.1
17、0.2 mg/L in most of the area for the whole year.Total nitrogen showed lower after rising trend from the time, then CODMn concentration is above 1 mg/L in most of the areas in full-year,it get 2 mg/L in the mutagenicity on January 6, 2014.Analysis showed that the temporal-spatial change of water qual
18、ity parameters is related to the factory sewage of qinhuai xinhe area and the change of water quantity of Yangtze river .In the aspect of safety evaluation of Water quality , most of drinking water source area, including three intake, reached the class water quality standards according to the evalua
19、tion results of CODMn concentration. Most of drinking water source area reached the class water quality in full year according to the evaluation results of total phosphorus concentration, the evaluation results shows that it has reached the standard of drinking water.(2) Drinking water environment s
20、afety evaluation index system was established by using nonpoint source, fixed source, mobile source types of risk source as the primary index.Then, GF-1 images was used for land use classification and risk source extracting, got the ratio of cultivated land of all levels of protection area,the ratio
21、 of urban and rural residents of industrial land, road length, channel length, and other information.The ground survey data was used to collect the wharf, pumping stations and factory at all levels in the protected area.And the risk index score method was made according to the actual situation of th
22、e protected area.Finally, the weight of all evaluation index was obtained by using the analytic hierarchy process (AHP), drinking water environment safety evaluation model was set up,drinking water environment security situation was evaluated comprehensively by using environment safety index(ESI) .
23、Drinking water environment safety index of Jiajiang river is 11.17 according to the results of AbstractVIJanuary 10, 2014, Drinking water environment safety index of Jiajiang river is 10.89 according to the results of December 24, 2014. The results show that in 2014, environment security situation o
24、f Nanjing Jiajiang river has improved through the clean-up operation of relevant departments.Key words: GF-1 satellite, Jiajiang, drinking water source, safety evaluation目录VII目 录摘 要 .IAbstract.III第 1 章 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 国内外研究进展 .21.2.1 饮用水源地安全评价方法研究进展 .21.2.2 总结 .51.3 研究目标与研究内容 .61.3.1 研究目标 .
25、61.3.2 研究内容 .61.4 论文技术路线 .6第 2 章 研究区与数据采集及处理 .82.1 研究区概况 .82.2 野外实测数据的采集与处理 .102.2.1 水体遥感反射率的观测 .122.2.2 水质参数的测量 .132.3 遥感影像数据的获取与处理 .172.3.1 影像数据介绍 .172.3.2 影像数据的预处理 .172.4 地面调查资料的获取 .20第 3 章 基于遥感估算水质参数的饮用水源地水质安全评价 .233.1 南京夹江饮用水源地水质参数估算模型构建 .233.1.1 CODMn 浓度估算模型构建 .243.1.2 总磷浓度估算模型构建 .253.1.3 总氮浓度
26、估算模型构建 .263.2 基于 GF-1 数据的水质参数浓度时空变化分析 .273.2.1 CODMn 浓度时空变化分析 .283.2.2 总磷浓度时空变化分析 .293.2.3 总氮浓度时空变化分析 .303.3 南京夹江饮用水源地水质安全评价 .323.4 本章小结 .34第 4 章 基于遥感信息提取的饮用水源地环境安全评价 .354.1 环境安全评价指标体系的构建 .35目录VIII4.1.1 非点源风险 .354.1.2 固定源风险 .354.1.3 流动源风险 .364.1.4 环境安全评价指标体系 .364.2 结合 GF-1 数据的风险指标信息提取 .374.2.1 非点源信息
27、提取 .374.2.2 固定源信息提取 .394.2.3 流动源信息提取 .424.2.4 风险源评分值的确定 .424.3 环境安全评价模型构建 .444.3.1 评价指标权重的确定 .444.3.2 饮用水源地环境安全指数 .474.4 基于 GF-1 信息提取的饮用水源地环境安全评价 .474.5 本章小结 .50第 5 章 结论与展望 .515.1 主要结论 .515.2 研究展望 .52参考文献 .53硕士期间参加的课题和取得的成果 .57参与的科研项目 .57发表论文 .57致 谢 .58图目录IX图目录图 1.1 论文技术路线 .7图 2.1 研究区示意图 .8图 2.2 南京夹
28、江饮用水源地保护区概况 .10图 2.3 南京夹江 2011 年 12 月 23 日野外实验点位分布 .11图 2.4 南京夹江 2014 年 10 月 15 日野外实验点位分布 .11图 2.5 仪器的观测几何 .12图 2.6 实测南京夹江 2014 年 10 月 15 日遥感反射率特征曲线 .13图 2.7 2011 年 12 月 23 日各点位 CODMn 浓度示意图 .14图 2.8 2014 年 10 月 15 日各点位 CODMn 浓度示意图 .14图 2.9 2014 年 10 月 15 日各点位总磷浓度示意图 .15图 2.10 2014 年 10 月 15 日各点位总氮浓度
29、示意图 .15图 2.11 2011 年 12 月 23 日各点位氨氮浓度示意图 .16图 2.12 2011 年 12 月 23 日各点位硝酸盐浓度示意图 .17图 2.13 保护区内排涝泵站 .21图 2.14 保护区内码头 .21图 2.15 保护区内排污工厂 .21图 2.16 南京夹江饮用水源地固定风险源分布 .22图 3.1 波段比值与 CODMn 浓度的关系 .25图 3.2 波段差值与总磷浓度的关系 .26图 3.3 第一波段遥感反射率与总氮浓度的关系 .27图 3.4 CODMn 浓度时空分布 .28图 3.5 总磷浓度时空分布 .30图 3.6 总氮浓度时空分布 .31图 4.1 夹江饮用水源地环境安全评价指标体系 .36图 4.2 2014 年 1 月 10 日夹江饮用水源地土地利用分类结果 .38图 4.3 2014 年 12 月 24 日夹江饮用水源地土地利用分类结果 .38图 4.
