【摘 要】
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利用高光谱和多光谱遥感技术实现对污水处理、排放和汇入河流等过程水质信息的定量诊断,可以及时准确地反馈各处理流程的水质信息和控制物料投送;实时评价处理效果,确保达标排放;可以评估河湖水体的水质扰动信息,及时掌握水环境变化情况,对污染来源进行溯源整治,对于水资源合理保护和水污染有效治理具有重要意义。本文以陕西部分污水处理厂不同污水处理过程采集的污水样品为研究对象,通过室内实验得到污水样品的各项水质指标
【基金项目】
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“十三五”国家重点研发计划项目（编号:2017YFC0403302）; 国家自然科学基金面上项目（编号:41502225、51979234）
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利用高光谱和多光谱遥感技术实现对污水处理、排放和汇入河流等过程水质信息的定量诊断,可以及时准确地反馈各处理流程的水质信息和控制物料投送;实时评价处理效果,确保达标排放;可以评估河湖水体的水质扰动信息,及时掌握水环境变化情况,对污染来源进行溯源整治,对于水资源合理保护和水污染有效治理具有重要意义。本文以陕西部分污水处理厂不同污水处理过程采集的污水样品为研究对象,通过室内实验得到污水样品的各项水质指标,同时利用ASD Field Spec-3型高光谱仪获取污水样品的原始光谱。通过分数阶微分和VIP等三种变量选择方法,探究城市污水处理过程主要污染参数的高光谱定量估算;通过组合多步骤预处理、组合筛选方法VCPA-IRIV和熵权法等三种集成建模方法探究水体水质综合信息状况的高光谱定量评价;通过模拟Landsat-8、Sentinel-2和GF-6三种多光谱卫星光谱数据,采用敏感单波段和光谱指数,探究水体水质参数和水质的卫星遥感估算。研究主要结论如下:（1）构建了基于分数阶微分的城市污水处理过程水质参数的高光谱定量诊断模型。分数阶微分处理有效提升了光谱模型的诊断精度,NH3-N、NTU、COD、BOD、TP、TN六种水质参数的最佳模型R~2分别是0.944、0.925、0.923、0.899、0.949、0.834,RPD分别是4.357、3.891、3.677、3.178、3.734、2.516,均可以实现定量诊断。不同水质参数的最佳微分阶数不同,NH3-N、NTU、COD、BOD、TP、TN这六个水质参数模型的最佳微分阶数分别是2、0.75、2、1、1.25、1,微分处理可以有效提高数据的信噪比。波段筛选方法中,基于VIP筛选了约占全波段光谱17.32%的特征波段,在NTU、COD、TP、TN等四种水质参数中有着最好的模型效果,CARS和RFA分别对于NH3-N和BOD是最佳筛选方法,其平均保留光谱波段数目占全波段的4.11%、4.65%。（2）构建了基于集成思想的高光谱水质定量诊断模型。多步骤预处理组合可以有效消除噪声影响,提高光谱数据信噪比,光谱模型精度要优于单步骤预处理模型,最佳预处理是FDR-MSC-SG,其构建的模型精度可以达到R~2=0.911,RMSE=37.649,RPD=3.139。采用变量选择方法筛选光谱数据,组合筛选方法可以找到最优的光谱变量子集,选择了全波段数目15%的波段,表现要优于单一筛选方法,基于VCPA-IRIV组合筛选构建的模型,R~2=0.829,RMSE=63.083,RPD=2.284。基于集合建模方法构建的集成模型可以有效提高模型的稳定性和精度,针对WQI模型,最佳的集合建模方法是熵权法。基于熵权法构建的筛选集合模型具有最佳的精度,R~2=0.897,RMSE=117.926,RPD=4.220。（3）构建了模拟多光谱卫星数据的水体水质参数和水质估算模型。基于多项式、线性、指数和对数构建的单波段模型对不同水质参数和WQI定量诊断的效果不同,其中基于多项式的NH3-N诊断模型R~2=0.942,RPD=4.206,基于指数法的COD诊断模型R~2=0.936、RPD=3.850,有着很好的反演精度,对BOD、NTU、TP和TN的最佳单波段模型R~2均小于0.7、RPD均小于2,可以进行粗略的估计;基于指数的WQI诊断模型R~2=0.813,RPD=2.079,具有较好的模型精度。采用多源卫星数据融合有利于提高反演模型的精度,模型集成有利于提升反演模型稳定性,NH3-N、COD、BOD、TP和WQI的最佳模型都是基于多源卫星光谱指数融合构建的PLSR模型,最佳模型的R~2分别是0.954、0.957、0.895、0.898、0.896,RPD分别是4.630、4.712、3.011、3.047和2.983,通过多光谱卫星数据可以实现对水质信息的定量诊断。综上所述,本研究通过光谱数据分数阶微分和组合预处理、特征波段筛选和组合筛选方法、模型集合优化等多方面联合提高了对水体主要污染水质参数、水体综合信息状况WQI的高光谱诊断模型和模拟多光谱卫星数据构建模型的诊断精度,有效推动了地面、近空和卫星远空的水质监测研究进展,丰富了水质监测遥感模型精度提高的方法和途径,为水质遥感监测提供了重要参考。
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