CN111091082A - 一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法 - Google Patents

一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，属于工程科学技术中的环境遥感领域；步骤一、对遥感污染水域图片进行解析处理，获得反射率数据和图片中各像元点对应的污染物浓度；步骤二、提取图片中的污染水域的轮廓；步骤三、将污染水域轮廓分为N个子块，求出各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)；步骤四、设定M个污染源中各污染源的浓度Vj，位置sj；j模拟计算各子块的污染物浓度模拟值VH(ci)；步骤五、建立目标函数F；对目标函数F进行最优化迭代；根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确。本发明解决了快速定位流域污染源的问题，实现了流域的污染溯源，能够为环境监管机构的决策提供重要依据。

Description

一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法
技术领域
本发明属于工程科学技术中的环境遥感领域，涉及一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法。
背景技术
近年来，在自然和人为因素共同作用下，流域生态与环境遭受严重破坏，各种水污染源日益增加，水污染事故频发。流域环境问题已成为制约社会、经济可持续发展的瓶颈，越来越受到政府与民众的关注。
在实际的流域污染源环境监管中，由于各种客观原因，无法做到对每个污染源进行准确实时的监控。这就需要在污染发生时，通过少数监测断面的监测数据，推算上游哪个污染源发生污染，即污染溯源。
环境监管机构往往不能快速定位发生流域水污染事故的污染源，以至于难以第一时间对事故进行处理。目前，在水环境污染源解析的研究中，定性法直接利用污染物的化学性质或某些化学参数来辨析污染源，定量法则利用数学分析手段进行源解析，如化学质量平衡法，多元统计法、混合方法等，由于污染物自身性质和各地区环境条件差异的影响，使这些定量方法在实际应用中表现出不同程度的局限性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，解决了快速定位流域污染源的问题，实现了流域的污染溯源，能够为环境监管机构的决策提供重要依据
本发明解决技术的方案是：
一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，包括如下步骤：
步骤一、卫星测量获得污染水域的高分辨率遥感图片，对遥感图片进行解析处理，获得反射率数据和图片中各像元点对应的污染物浓度；
步骤二、根据反射率数据，对图片进行水陆分离，并提取图片中的污染水域的轮廓；
步骤三、将污染水域轮廓分为N个子块，根据图片中各像元点对应的污染物浓度求出各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)；N为正整数，且N≥2；
步骤四、根据高分辨率遥感图片，确定有M个污染源，设定各污染源的浓度为Vj，设定各污染源的位置为sj；j为污染源序号；j＝1，2，……，M；模拟计算各子块的污染物浓度模拟值VH(ci)；
步骤五、建立目标函数F；对目标函数F进行最优化迭代；根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤一中，对遥感图片进行解析处理为对遥感数据依次进行辐射定标、大气校正、几何校正和污染物浓度反演处理。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤三中，将污染水域轮廓分为N个子块的具体方法为：
S1、根据污染水域轮廓，获取污染水域轮廓的中心线；中心线沿水流方向，且贯穿整个污染水域轮廓；
S2、将中心线等分为N个子段；
S3、在相邻2个子段的连接点处，沿子段法线方向，向污染水域两侧边界处延伸；分为N个子块；各子块记为ci，i为子块序号，i＝1,2,…，N。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤三中，各子块对应离散污染物浓度VT(ci)的计算方法为：已知图片中各像元点对应的污染物浓度，将污染水域轮廓分为N个子块后，根据各模块中包括的像元点，求得各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤四中，各子块污染物浓度模拟值VH(ci)的计算方法为：
Figure BDA0002309474920000031
式中，VT(ci)为第ci子块受M个污染源污染的污染物浓度模拟值；
E为扩散系数；
K为降解系数；
u为水域平均流速；
Vj为各污染源的浓度；
sj为各污染源的位置。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤五中，目标函数F的建立方法为：
Figure BDA0002309474920000032
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述步骤五中，根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确的具体方法为：
当迭代过程中F小于阈值时，停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
当迭代次数大于预设最大迭代次数时，停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
否则，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定不准确，更新各污染源的浓度和位置，重复步骤四。
在上述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，所述阈值为
Figure BDA0002309474920000041
预设最大迭代次数为100。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明基于海量高分辨率遥感数据，可实现流域上下游、干支流污染的精确定位，拓展了流域污染研究的空间领域；
(2)本发明基于环境水动力学机理，可准确揭示污染物在河道中的迁移转化规律；
(3)本发明基于极小值问题的最优化求解，可实现流域若干个污染源的快速准确定位。
附图说明
图1为本发明流域污染溯源流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，针对当前环境监管机构无法快速定位流域污染源的问题，实现了流域的污染溯源，能够为环境监管机构的决策提供重要依据，为流域污染事故的快速有效处理提供科学支撑。如图1所示，流域污染溯源方法，主要包括如下步骤：
步骤一、卫星测量获得污染水域的高分辨率遥感图片，对遥感数据依次进行辐射定标、大气校正、几何校正和污染物浓度反演处理，获得反射率数据和图片中各像元点对应的污染物浓度；
步骤二、根据反射率数据，对图片进行水陆分离，并提取图片中的污染水域的轮廓；
步骤三、将污染水域轮廓分为N个子块，根据图片中各像元点对应的污染物浓度求出各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)；N为正整数，且N≥2；将污染水域轮廓分为N个子块的具体方法为：
S1、根据污染水域轮廓，获取污染水域轮廓的中心线；中心线沿水流方向，且贯穿整个污染水域轮廓；
S2、将中心线等分为N个子段；
S3、在相邻2个子段的连接点处，沿子段法线方向，向污染水域两侧边界处延伸；分为N个子块；各子块记为ci，i为子块序号，i＝1,2,…，N。
各子块对应离散污染物浓度VT(ci)的计算方法为：已知图片中各像元点对应的污染物浓度，将污染水域轮廓分为N个子块后，根据各模块中包括的像元点，求得各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)。
步骤四、根据高分辨率遥感图片，确定有M个污染源，设定各污染源的浓度为Vj，设定各污染源的位置为sj；j为污染源序号；j＝1，2，……，M；模拟计算各子块的污染物浓度模拟值VH(ci)；各子块污染物浓度模拟值VH(ci)的计算方法为：
Figure BDA0002309474920000051
式中，VT(ci)为第ci子块受M个污染源污染的污染物浓度模拟值；
E为扩散系数；
K为降解系数；
u为水域平均流速；
Vj为各污染源的浓度；
sj为各污染源的位置。
步骤五、建立目标函数F；对目标函数F进行最优化迭代；根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确。
目标函数F的建立方法为：
Figure BDA0002309474920000061
根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确的具体方法为：
当迭代过程中F小于阈值时，阈值为
Figure BDA0002309474920000062
停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
当迭代次数大于预设最大迭代次数时，预设最大迭代次数为100。停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
否则，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定不准确，更新各污染源的浓度和位置，重复步骤四。
遥感技术具有快速、大范围和周期性的特点，拓展了流域污染研究的空间领域。利用高分辨率遥感数据可以弥补常规污染物溯源的不足，不仅能够实现流域上下游、干支流污染的精确定位，还能够节省大量人力、物力和财力。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、卫星测量获得污染水域的高分辨率遥感图片，对遥感图片进行解析处理，获得反射率数据和图片中各像元点对应的污染物浓度；
步骤二、根据反射率数据，对图片进行水陆分离，并提取图片中的污染水域的轮廓；
步骤三、将污染水域轮廓分为N个子块，根据图片中各像元点对应的污染物浓度求出各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)；N为正整数，且N≥2；
步骤四、根据高分辨率遥感图片，确定有M个污染源，设定各污染源的浓度为Vj，设定各污染源的位置为sj；j为污染源序号；j＝1，2，……，M；模拟计算各子块的污染物浓度模拟值VH(ci)；
步骤五、建立目标函数F；对目标函数F进行最优化迭代；根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确。
2.根据权利要求1所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤一中，对遥感图片进行解析处理为对遥感数据依次进行辐射定标、大气校正、几何校正和污染物浓度反演处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤三中，将污染水域轮廓分为N个子块的具体方法为：
S1、根据污染水域轮廓，获取污染水域轮廓的中心线；中心线沿水流方向，且贯穿整个污染水域轮廓；
S2、将中心线等分为N个子段；
S3、在相邻2个子段的连接点处，沿子段法线方向，向污染水域两侧边界处延伸；分为N个子块；各子块记为ci，i为子块序号，i＝1,2,…，N。
4.根据权利要求3所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤三中，各子块对应离散污染物浓度VT(ci)的计算方法为：已知图片中各像元点对应的污染物浓度，将污染水域轮廓分为N个子块后，根据各模块中包括的像元点，求得各子块对应的离散污染物浓度VT(ci)。
5.根据权利要求4所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤四中，各子块污染物浓度模拟值VH(ci)的计算方法为：
Figure FDA0002309474910000021
式中，VT(ci)为第ci子块受M个污染源污染的污染物浓度模拟值；
E为扩散系数；
K为降解系数；
u为水域平均流速；
Vj为各污染源的浓度；
sj为各污染源的位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤五中，目标函数F的建立方法为：
Figure FDA0002309474910000022
7.根据权利要求6所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述步骤五中，根据目标函数F最优化迭代结果，判断流域污染溯源是否准确的具体方法为：
当迭代过程中F小于阈值时，停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
当迭代次数大于预设最大迭代次数时，停止迭代，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定准确，完成流域污染溯源；
否则，对M个污染源的浓度Vj和位置sj设定不准确，更新各污染源的浓度和位置，重复步骤四。
8.根据权利要求7所述的一种基于高分辨率遥感数据的流域污染溯源方法，其特征在于：所述阈值为
Figure FDA0002309474910000031
预设最大迭代次数为100。
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