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系統識別號 U0026-3008201616453700
論文名稱(中文) 以時空地理加權迴歸模式建立衛星影像遙測水庫水質之研究
論文名稱(英文) Applying geographically and temporally weighted regression and analysis to monitor reservoir water quality from satellite images
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 測量及空間資訊學系
系所名稱(英) Department of Geomatics
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生(中文) 江燮珍
研究生(英文) Shish-Jeng Kong
學號 P66035016
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 109頁
口試委員 口試委員-王國樑
口試委員-王驥魁
口試委員-張智華
指導教授-朱宏杰
中文關鍵字 福衛二號衛星影像  時空地理加權迴歸模式  經驗正交函數  濁度  葉綠素 
英文關鍵字 Formosat-2 satellite images  Geographically and temporally weighted regression  Empirical orthogonal functions  Chlorophyll-a  Turbidity 
學科別分類
中文摘要 隨著人口和經濟的增長,對水的需求量與日劇增。水庫為飲用水的主要來源,因此如何有效的監測水庫水質是非常重要的。傳統的水質監測方法是利用水庫所設的水質採樣點進行現地的水質採樣,透過採樣所得到的水樣本需送回實驗室進行各水質的化驗,利用化驗所取得的各水質參數值的高低來評估水質的好壞。但由於現地採樣的水質採樣點位稀少,加上點位的分佈稀疏,並不足以表示水庫空間上的水質變化。本研究配合現地的水質採樣時間,以水質採樣前後20天作為選擇條件,從2005年至2013年的福衛二號衛星影像中,篩選出總計28張的衛星影像進行水質迴歸及計算。在水質迴歸的部分,本研究以時空地理加權迴歸模式來推估曾文水庫的濁度及葉綠素值。
時空地理加權迴歸考慮空間及時間的異質性,進行局部性的水質推估,其可產生各時期各測站專屬的係數值,再利用反距離權重法將各時期各測站的係數值推估到整張影像。利用所取得的整張影像的係數值,加上衛星的DN值經計算後所得到的遙測反射率,便能取得各時期的水質分佈圖。利用線性迴歸及地理加權迴歸的成果與時空地理加權迴歸的成果作比較,並以均方根誤差(RMSE)來分析模型之好壞,從RMSE的成果證明時空地理加權回歸在水質推估上的可行性。利用取得的多時期水質分佈圖,輔以雨量及水位資料,進行水質時空變化的分析及探討,並利用超標累加法及經驗正交函數(EOF)找出超標次數最多及水質參數值變化較大的區域,以利於曾文水庫水質的監測及管理。
英文摘要 The population and economic growth has led to the recently increasing demand for water. Water reservoirs are the primary source of drinking water, such that, monitoring reservoir water quality is important. The traditional water quality monitoring approach collects data at sampling points, and then, transports water samples to the laboratory for water quality analysis. However, the traditional method is not representative of the entire reservoir water quality because only a few locations are sampled. Therefore, this study combines Formosat-2 satellite images and geographically and temporal weighted regression (GTWR) to calculate and to map the turbidity and Chlorophyll-a water contents in the Tsengwen reservoir. This water quality map is used to monitor and to analyze the water quality of the entire reservoir. The GTWR is a spatial and temporal regression that considers spatial and time correlation; it runs a regression for each location and time, instead of a sole regression for the entire study area. This study compares the GTWR and the linear regression and GWR model results. Root Mean Square Error is utilized to analyze and to contrast water quality index with different models. Results show that the performance of GWR model is more precise than linear regression, and this algorithm proved suitable for use on water quality monitoring. This study applied accumulate method and empirical orthogonal functions to analyze space-time water quality data and used water quality information to investigate water quality changes.
論文目次 目錄
摘要…I
Applying geographically and temporally weighted regression and analysis to monitor reservoir water quality from satellite images…II
誌謝…VII
目錄…VIII
表目錄…X
圖目錄…XI
第1章 緒論…1
1.1 前言…1
1.2 研究動機…1
1.3 研究目的…2
1.4 研究流程及架構…2
第2章 文獻回顧…4
2.1 遙測平台在水質監測的應用…4
2.2 水質演算法回顧…16
2.3 經驗正交函數的應用…19
2.4 總結…20
第3章 研究區域…21
3.1 地理位置及地形概況…21
3.2 水文條件及氣候…25
3.3 水質概況…27
第4章 研究材料…36
4.1 衛星影像資料…36
4.2 相關資料整理…37
第5章 研究方法…43
5.1 影像前處理…43
5.2 水質迴歸模式介紹…47
5.3 影像像素點係數之推估方法…50
5.4 影像遮罩之萃取方法…52
5.5 水質影像的時空分析方法…53
第6章 結果與討論…56
6.1 影像前處理之成果…56
6.2 影像水質推估成果…59
6.3 遮罩之比較及選擇…65
6.4 三種迴歸模式水質推估成果之比較…66
6.5 水質時空變化及分析…71
第7章 結論與建議…87
7.1 結論…87
7.2 建議…88
參考文獻…90
附錄一、曾文水庫2005至2013年篩選出的28幅Formosat2影…94
附錄二、三種回歸模式的濁度分佈圖成果圖(單位:NTU)…96
附錄三、三種回歸模式的葉綠素分佈圖成果圖(單位:µg/L)…103

表目錄
表2.1 美國Landsat衛星資訊…6
表2.2 SPOT衛星資訊…8
表2.3 遙測平台比較表…14
表2.4 前人研究以各遙測平台進行水質分析項目歸納一覽表…15
表2.5 國內前人研究水質項目與衛星影像之迴歸方程式一覽表…18
表3.1 曾文水庫土地利用情況…22
表3.2 2005年至2013年曾文水庫雨量資料…26
表3.3 各水質監測站的名稱及所處位置…28
表4.1 各年份使用的影像數…36
表4.2 採樣前15天之降雨量…37
表4.3 環保署現地採樣水質資料表…41
表4.4 南水局現地採樣水質資料表…42
表5.1 卡爾森(Carlson)單一參數指數判定優養化之標準…54
表6.1 絕對輻射校正前後衛星影像光譜值之轉換(以2007/5/11日之採樣點為例)…57
表6.2 衛星影像日期及水質採樣日期的比對表…58
表6.3 三種迴歸模式自變數測試之R square成果…59
表6.4 三種迴歸模式的水質迴歸式子比較表…60
表6.5 三種迴歸模式濁度及葉綠素的RMSE值…67
表6.6 水位及濁度的相關係數…79
表6.7 水位及葉綠素的相關係數…80
表6.8 雨量及濁度的相關係數…81
表6.9 雨量及葉綠素的相關係數…82

圖目錄
圖1.1 研究流程圖…3
圖2.1 利用MODIS影像推估Chla、CDOM、NAP分佈圖…5
圖2.2 Landsat7 影像推估之葉綠素、透明度、總磷分佈圖…7
圖2.3 SPOT影像推估TSM值…9
圖2.4 利用Formosat-2影像推估水質參數值(a)Chl-a (b)SS…11
圖2.5 GA-SA反算之ag(443)與實測值之比較圖…12
圖2.6 Hyperion影像推估水質分佈圖…13
圖2.7 2003年8月31日1200UTC氣壓場水平分佈圖(a)EOF1 (b)EOF2…20
圖3.1 研究區域位置(a)台灣全島(b)福衛二號研究區域影像…21
圖3.2 曾文水庫集水區高程分佈圖…23
圖3.3 曾文水庫集水區各分級坡面分佈圖…23
圖3.4 曾文水庫集水區地質圖…24
圖3.5 2005年至2013年曾文水庫每年累積雨量圖…25
圖3.6 曾文水庫月均溫(統計年份:1986至2009年)…26
圖3.7 曾文水庫環保署及南水質的水質監測站分布圖…28
圖3.8 2013年度台灣本島主要水庫各季卡爾森指數比較圖…29
圖3.9 2005年至2013年的葉綠素變化圖…30
圖3.10 2005年至2013年的濁度變化圖…30
圖3.11 葉綠素盒狀圖(a)環保署(b)南水局…32
圖3.12 濁度盒狀圖(a)環保署(b)南水局…34
圖4.1 採樣前15天之累積降雨圖…38
圖4.2 水庫水位趨勢圖…39
圖4.3 南水局及環保署監測站…40
圖5.1 福衛二號條帶圖…43
圖5.2 多期影像配準處理流程圖…44
圖5.3 徐昇多邊形法示意圖…51
圖5.4 兩種指標各項物質的數值範圍…53
圖6.1 2006年12月12日的福衛二號基底影像圖…56
圖6.2 相對輻射校正前後福衛二號影像比較圖(以2007/5/11日為例)…57
圖6.3 濁度在地理加權迴歸的各測站β值…61
圖6.4 濁度在時空地理加權迴歸的各測站β值…62
圖6.5 葉綠素在地理加權迴歸的各測站β值…62
圖6.6 葉綠素在時空地理加權迴歸的各測站β值…63
圖6.7 徐昇多邊形各測站的權重分佈圖(以2011/02/05的濁度分佈圖為例)
…64
圖6.8 兩種係數值推估方法之成果比較(以2011/02/05的濁度分佈圖為例)
…64
圖6.9 NDVI及NDWI遮罩繪製成果比較(以2006年為例)…65
圖6.10 三種模式濁度及葉綠素推估值與真值之比較…68
圖6.11 三種迴歸模式之濁度分佈圖比較(以2006為例)…69
圖6.12 三種迴歸模式之葉綠素分佈圖比較(以2006為例)…70
圖6.13 2005年至2007年水質濁度分佈圖及相關資訊…72
圖6.14 2008年至2010年水質濁度分佈圖及相關資訊…73
圖6.15 2011年至2013年水質濁度分佈圖及相關資訊…74
圖6.16 2005年至2007年水質葉綠素分佈圖及相關資訊…75
圖6.17 2008年至2010年水質葉綠素分佈圖及相關資訊…76
圖6.18 2011年至2013年水質葉綠素分佈圖及相關資訊…77
圖6.19 水位及濁度具相關性的測站分佈位置…80
圖6.20 水位及葉綠素具相關性的測站分佈位置…81
圖6.21 雨量及濁度具相關性的測站分佈位置…82
圖6.22 雨量及葉綠素具相關性的測站分佈位置…83
圖6.23 水質參數的超標次數圖(a)濁度 (b)葉綠素…84
圖6.24 EOF各成份所佔的百分比(a)濁度 (b)葉綠素…85
圖6.25 第一主成份的時間EOF(a)濁度 (b)葉綠素…86
圖6.26 第一主成份的空間EOF(a)濁度 (b)葉綠素…86
參考文獻 Chang, C.-H., Liu, C.-C., Wen, C.-G, Cheng, I,-F., Tam, C.-K., & Huang, C.-S. (2009). Monitoring reservoir water quality with Formosat-2 high spatiotemporal imagery. Journal of Environmental Monitoring.
Chu, H. J. (2014). Spatiotemporal analysis of vegetation index after typhoons in the mountainous watershed. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 28, 20-27.
Chu, H.J., Huang, B., & in, C.Y. (2015). The spatio-temporal heterogeneity in the PM10-PM2.5 relationship. Atmospheric Environment, 102, 176-182.
Dekker, A., Malthus, T., & Hoogenboom, H. (1995). The Remote Sensing of Inland water quality. Advances in environmental remote sensing, 123.
Dekker, A. G., Vos, R. J., & Peters, S. W. M. (2001). Comparison of remote sensing data, model results and in situ data for total suspended matter (TSM) in the southern Frisian lakes. Sci. Total Environ., 268, 197-214.
de Moraes Novo, E.M.L., de Farias Barbosa, C.C.,de Freitas, R. M., Shimabukuro, Y. E., Melack, J.M., & Pereira, W. F. (2006). Seasonal changes in chlorophyll distributions in Amazon floodplain lakes derived from MODIS images. Limnology, 7, 153-161.
Duan, H., Zhang, Y., Zhang, B., Song, K., & Wang, Z. (2007). Assessment of chlorophyll-a concentration and trophic state for Lake Chagan using Landsat TM and field spectral data. Environmental monitoring and assessment, 129, 295-308.
Giardino, C., Brando, V. E., Dekker, A. G., Strombeck, N., & Candiani, G. (2007). Assessment of water quality in Lake Garda (Italy) using Hyperion. Remote Sensing of Environment, 109, 183-195.
Kallio, K., Kutser, T., Hannonen, T., Koponen, S., Pulliainen, J., Vepsalainen, J., & Pyhalahti, T. (2001). Retrieval of water quality from airborne imaging spectrometry of various lake types in different seasons. Sci. Total Environ., 268, 59-77.
Liu, C. C., Chang, C. H., Wen C. G., Huang, C. H., Hung, J. J., & Liu, J. T. (2009a). Using satellite observations of ocean color to categorize the dispersal patterns of river-borne substances in the Gaoping (Kaoping) River, Shelf and Canyon system. J. Mar. Syst., 76, 496-510.
Mobley, C. (1994). Light and water: Radiative transfer in natural waters. Academic Press, New York
Nielsen, A. A., Conradsen, K., & ndersen, O.B. (2002). A change oriented extension of EOF analysis applied to the 1996–1997 AVHRR sea surface temperature data. Physics and Chemistry Earth, 27, 1379-1386.
Ostlund, C., Flink, P., Strombeck, N., Pierson, D., & Lindell, T. (2001). Mapping of the water quality of Lake Erken, Sweden, from imaging spectrometry and Landsat Thematic Mapper. The Science of the Total Environment, 268, 139-154.
Pan, J., Yan, X. H., Zheng, Q. A., Liu. W. T., & lemas, V. V. (2003). Interpretation of scatterometer ocean surface wind vector EOFs over the Northwestern Pacific. Remote Sensing of Environment, 84, 53-68.
Tsai, G. J., Chu, H. J., Huang, M. L., Chang, C.H., & Kong S.J. (2015). Applying Feed-Forward and Cascade-Forwards ANNs to estimate reservoir water quality from satellite images. International Symposium on Remote Sensing.
Wang, Y., Xia, H., Fu, J., & Sheng, G (2004). Water quality change in reservoirs of Shenzhen, China: detection using LANDSAT/TM data. Sci. Total Environ., 328, 195-206.
Wang, Z. G., Hong, J. M., & Du, G. S. (2008). Use of satellite imagery to assess the trophic state of Miyun Reservoir, Beijing, China. Environmental Pollution, 155, 13-19.
行政院環保署. (2016). 全國環境水質監測資訊網. From http://wq.epa.gov.tw
李宜真. (2006). 應用福爾摩沙二號衛星影像於水庫水質監測之研究.逢甲大學: 環境資訊科技研究所, 碩士論文.
林孟勳. (2005). 使用高解析力衛星影像量測河海泥砂量值研究. 國立成功大學: 地球科學研究所, 碩士論文.
高振傑. (2008). 應用經驗正交函數分析海岸地形變化特性之研究. 國立交通大學: 土木工程研究所, 碩士論文.
國家太空中心.(2016).From http://www.nspo.org.tw
張智華. (2008). 非點源污染負荷模式及水質生光模式之結合與應用. 國立成功大學:環境工程學系, 博士論文.
張騏顯. (2008). 應用類神經網路與衛星影像於水庫水質推估—以石門水庫為例.中興大學: 木工程學系所, 碩士論文.
陳章瑞, &宋維真. (2011).以地理加權迴歸模式探討都市公園之寧適效益. TGIS.
曾文水庫生態知識環境教育平台. (2016). From http://210.69.129.209/
黃建洲. (2007). 應用Landsat 7 衛星影像與水庫水質監測值研究. 中華大學: 土木與工程資訊研究所, 碩士論文.
黃清勇, &羅璋盛. (2004). 颱風路徑預報誤差EOF分析. 大氣科學, 34,277-290.
黃慶祥. (2006). 水庫水質與光學性質模式之建立及其應用. 國立成功大學: 環境工程學系, 碩士論文.
楊明德, 林佑昌, 蔡婷鈺, &楊曄芬. (2008). 結合衛星影像與模糊理論於水庫水質優養判釋與管理. 中國土木水利工程學刊, 20(2), 205-215.
經濟部. (2011). 曾文南化烏山頭水庫治理及穩定南部地區供水計畫.
經濟部水利署. (2016). From http://www.wra.gov.tw
經濟部水利署南區水資源局.(2014). 應用衛星影像即時監測與水庫水質管理之研究—以曾文水庫為例期末報告書 (1/2).
雷祖強, &鄭克聲. (2000). 應用衛星遙測及隨機變域模擬於水庫優養評估, 農業工程學報, 第46卷第4 期.
劉正千, 張智華, 許華宇, 譚子健, &溫清光. (2007). 應用ISIS高頻譜光學遙測影像與曾文水庫之水質監測. 科儀新知, 29, 29-42.
鄭依凡. (2010). 運用福爾摩沙二號衛星高時空分辨率遙測影像探討曾文水庫水質之時空變化. 國立成功大學, 衛星資訊暨地球環境研究所, 碩士論文.
蕭玲鳳. (2002). 雙颱風路徑分析及數值模擬. 私立中國文化大學: 地學研究所, 博士論文.
蕭國鑫, 吳啟南, &廖子毅(2005). 地面光譜資料與 SPOT 影像應用於水質定量推估研究. Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 10, 169-182.
譚子健. (2007). 應用生光模式及福衛二號遙測影像研究曾文水庫水質之時空分析. 國立成功大學: 環境工程學系, 碩士論文.
嚴偉新. (2007). 東亞地區降水年際變化之研究. 國立中央大學: 大氣物理研究所, 碩士論文.
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