遥感技术在冰雪污染物监测中的应用研究

作者:文博论文查重     发表时间:2020-12-26 00:37:36   浏览次数:157


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  摘要:利用归一化差分积雪指数得到了污染物浓度的线性模型,并利用此模型建立了研究区的积雪污染物浓度空间分布专题地图,得到了污染物浓度的空间分布特征,以此推测不同区域的污染物来源和成分。

  关键词:污雪 NDSI 遥感技术

  一、引言

  近年来冰雪遥感监测技术的研究系统产生了较多的改进,在原有的分类基础上,出现了越来越多的分支技术。测深、测高等技术使冰雪的遥感监测从单纯的平面画面升级为3D立体的模型建设。除此之外针对冰雪内在属性的重力,反照率,吸光物质分布监测技术和方法从无到有,并取得了较大进展。各种规格样的数据和工具产品快速发展并广泛应用于科技发展和生产生活。

  黑龙江省拥有丰富的冰雪资源,广泛应用于农林防护,旅游运动等领域。冰雪资源的重要性不言而喻,大量积雪长期存在就难以避免的存在大量污染物,而且积雪融化的长时间性,融水的不可控性,使得污染物更加难以处理。另外,冰雪的组成物质主要是固态水,液态水及部分空气,在遥感波段的反射性较高,其中由于冬季燃煤取暖,积雪中的炭灰,尘土,有机化合物之类的污染物较多,这些污染物反射率低于积雪表面时,就会吸热,造成冰雪融化速度加快,缩短积雪在地表存留时间。有研究表明,黑碳引起冰雪表面反照率变化导致的地表增温效果约占工业革命以来全球变暖的四分之一[1],因此,基于遥感技术的冰雪污染物分布鉴定,从而进行针对性监测的研究格外重要。针对冰雪中的部分吸光性污染物进行遥感动态监测,运用线性光谱混合模型将污雪的光谱特性可见化,将对污雪的针对性处理有益。

  二、数据和方法

  1.数据

  (1)试验区选取

  试验区选择了黑龙江省哈尔滨市南岗区(图2.1),南岗区是哈尔滨市中心城区,处东经126°45′~126°43′,北纬45°30′~45°40′,东与道外区毗连,南邻香坊区,北以哈长、滨北铁路线与道里、道外两区分界,西南部隔运粮河与双城市相望,总面积182.8平方公里,其中城区面积60平方千米。南岗区的区域分布有利于本研究的进行,城市居民地面积和农业用地面积都较大且边界较简单清晰,便于直接观察吸光性污染物的空间分布特征。南岗区属中温带大陆性季风气候,年平均气温3.5℃,1月气温最低,月平均零下19.4℃,7月气温最高,月平均22.8℃,无霜期139天,结冰期190天左右。冬季漫长,寒冷干燥,多刮西北风,冰雪存积时间较长有利于实验进行,也使得本次实验有较强的现实意义[2]。

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  (2)数据来源

  本文用到的所有原始遥感数据均来自地理空间数据云。研究选取反射性相对于冰雪区别较大且肉眼可以观察的物质作为主要研究的积雪污染来源,可以更加方便直观的判断具有代表性的污染物反射特性。除此之外,城市内部的道路冰雪,都通过添加融雪剂等的方式人工融雪,但是对于冰雪来说,融雪剂本身就是一种污染物。融雪剂主要成分为氯化盐类,会将积雪的物理性质转换为偏黄色的半融化状态[2]。因此,由于融雪剂引起的冰雪的反射率和光谱属性改变,也将其算作吸光性污染物的范畴。

  2.研究方法

  (1)原理

  采用归一化差异雪指数将不同区域污染物对积雪反射率的影响可视化为折线图并生成了分类后专题地图,各不同区域污染物的污染程度通过对计算后的结果进行监督分类获得。归一化差分积雪指数计算公式由原始Landsat 8 合成后的单日遥感影像的第四波段和第六波段计算:

  NDSI=(BAND4-BAND6)/(BAND4+BAND6)

  (2)研究方法

  结合目视解译和监督分类,根据归一化差异雪指数NDSI将原始影像分类成3个类别,根据类别的分布和实地考察的结果分析3个地区的污雪污染物的属性浓度,以此讨论各地区归一化差异雪指数的特征和污染物属性浓度的关系,总结讨论该种污染物污雪的光谱属性,并根据不同地物的光谱特征对影像进行不同波段的叠加计算应用到不同种类污染物,达到多种污染物监测的目的。

  3.实验过程

  (1)遥感影像下载以及初步处理

  在地理空间数据云平台上筛选了Landsat 8 OLI-TIRS的2015年和2017年12月份哈尔滨市南岗区及其周边部分地区的遥感影像,根据经纬度范围利用ENVI5.2裁剪出以南岗区为中心的矩形区域,如图3.1所示

  (2)通过归一化差异雪指数及目视解译对积雪受污染情况进行分类

  通过计算结果曲线图以及对影像的目视判别得出积雪阈值为5%,即NDSI>0.15时认为地物有积雪覆盖,同时根据数据的分布情况将所得到的积雪

  按照NDSI值分为3类并在ARCGIS10.3中输出得到归一化差异雪指数计算结果分类对比

  4.总结和讨论

  可以发现当NDSI<0.15时,此处为没有积雪覆盖的地物主要分布在城市主干路沿线,此处积雪大部分被人工清除或被车辆轮胎摩擦产生的热量融化;当NDSI=0.15-0.2范围内时判定为污染程度较高的积雪,这些积雪主要分布在城市建筑物的屋顶以及主要道路的两侧,屋顶污染物来源主要是煤灰,尾气等空中气溶胶胶粒,道路两侧污染物为人工清雪后的堆积积雪和融雪剂残留;当NDSI=0.2-0.3范围内判定为污染程度适中的积雪,这些积雪主要分布在城市的外沿以及城乡结合部中,它们的厚度适中而且较为洁净,人类活动相对于城市中心较少,没有大型集中供暖的设施和车辆;当NDSI>0.3时判定为污染程度较轻的积雪,这些积雪主要分布于城市外的大规模农田中,研究区冬季无农业作业,积雪的厚度较大且受到人类活动影响最小,雪质最好。——论文作者:黄鑫凤 1 王晓迪 1 巩翼龙 **2 赵子鹏 1

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