遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)探討

摘 要：在對(duì)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單歸納闡述后，探討了懸浮物（SS）、葉綠素a（CHl-a）、有色可溶性有機(jī)物（CDOM）等水質(zhì)特性參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)。最后，對(duì)遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：水體水質(zhì)；遙感技術(shù)；懸浮物

1 水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)方法

從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)可知，水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)從上世紀(jì)80年代的物理方法為主，到80～90年代的經(jīng)驗(yàn)方法為主，再到90年代后的半經(jīng)驗(yàn)方法為主，主要經(jīng)歷了物理方法→經(jīng)驗(yàn)方法→半經(jīng)驗(yàn)方法的一個(gè)發(fā)展，其與遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展緊密相連。利用遙感進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其實(shí)質(zhì)就是水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的反演運(yùn)算分析，即：遙測(cè)傳感器在收集到大量水體水質(zhì)信息后，將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)信息的分析處理，進(jìn)而得出與水質(zhì)特性參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、表格和曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體水質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

1.1 物理方法

該方法以輻射傳輸模型為基礎(chǔ)，利用水體組分與固有光學(xué)量間的關(guān)系，通過(guò)遙感傳感器測(cè)得水體反射率，并反演計(jì)算水中實(shí)際吸收系數(shù)與后向散射系統(tǒng)間的關(guān)系，計(jì)算分析獲得水體中各組分含量。此方法對(duì)于多波段的反演分析運(yùn)算尤為適用，具有較為普遍的適用特性。但由于物理方法其所需求的水體水質(zhì)數(shù)據(jù)源難以滿足反演需求，且目前能夠建立的水質(zhì)參數(shù)反演算法模型其整體精度不是太高，模型一些特性參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)假設(shè)也給水質(zhì)反演預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)較大不確定性，很難滿足水質(zhì)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)監(jiān)控需求。

1.2 經(jīng)驗(yàn)方法

該方法是多光譜遙感數(shù)據(jù)在水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的不斷研究發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，是通過(guò)建立遙感波段數(shù)據(jù)與地面水質(zhì)實(shí)測(cè)間的相關(guān)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，優(yōu)選最優(yōu)波段或波段組合數(shù)據(jù)同地面實(shí)測(cè)水體水質(zhì)特性參數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析反演運(yùn)算獲得水質(zhì)特性參數(shù)。該方法中所建立的水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)間的因果關(guān)系，大多是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置的，缺乏精確的物理模型依據(jù)。雖然國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)該方法開(kāi)展了大量研究，并在一些特殊水域環(huán)境中獲得一定研究成果，但該方法中水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)間事實(shí)相關(guān)特性的不確定性以及反演算法的精確性不高等固有的缺陷在很大程度上制約了該方法在工程中的實(shí)際應(yīng)用。

1.3 半經(jīng)驗(yàn)方法

該方法是高光譜遙感技術(shù)在水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的不斷加深而發(fā)展起來(lái)的一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)新技術(shù)。利用非成像光譜儀或機(jī)載成像光譜儀來(lái)測(cè)量獲得水質(zhì)參數(shù)光譜特征，并優(yōu)選估算水體水質(zhì)特征參數(shù)的最佳波段或波段組合數(shù)據(jù)，運(yùn)用合適數(shù)學(xué)模型算法建立遙感數(shù)據(jù)與水體水質(zhì)特性參數(shù)間定量反演經(jīng)驗(yàn)性運(yùn)算算法。該方法是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為成熟的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，可以對(duì)湖泊、水庫(kù)等水環(huán)境中的水質(zhì)特性參數(shù)，如：懸浮物（SS）、葉綠素a（CHl-a）、有色可溶性有機(jī)物（CDOM）、化學(xué)耗氧量（COD）等與之相關(guān)的可見(jiàn)度、混濁度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)、反演運(yùn)算和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，能夠獲得較高監(jiān)測(cè)精度。

2 水質(zhì)特性參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)

基于污染水的光譜效應(yīng)，由于溶解或懸浮于水中的污染成分、濃度不同，使水體顏色、密度、透明度和溫度等產(chǎn)生差異，導(dǎo)致水體反射能量的變化，而在遙感圖像上反映為色調(diào)、灰階、形態(tài)、紋理等特征的差別，根據(jù)這些影像顯示，一般可以識(shí)別污染源、污染范圍、面積和濃度，較成熟地對(duì)水體中懸浮物（SS）濃度、水體渾濁度、葉綠素a（CHl-a）濃度、溶解性有機(jī)物（CDOM）等水質(zhì)特性參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 懸浮物（SS）濃度遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)

懸浮物（SS）濃度是水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)最早研究的水質(zhì)特性參數(shù)，其濃度值直接反映水體的透明度、濁度、色度等，便于分析人員實(shí)時(shí)掌控水域水體水生生態(tài)條件及近岸水文特征信息。對(duì)于可見(jiàn)光遙感而言，在波長(zhǎng)580～680nm的波段范圍內(nèi)，對(duì)不同懸浮泥沙濃度將出現(xiàn)不同的反射峰值，也即水中懸浮泥沙最為敏感的波段，是監(jiān)測(cè)水體渾濁度最佳波段；在波長(zhǎng)700～900nm范圍內(nèi)反射率對(duì)水體中懸浮物濃度變化反映最為敏感，是水體中懸浮物定量遙感估測(cè)的最佳波段。

2.2 葉綠素a（CHl-a）濃度遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)程度或葉綠素濃（如：藻類/浮游生物數(shù)量），是解決湖泊、水庫(kù)等靜態(tài)水域富營(yíng)養(yǎng)化的重要技術(shù)手段。水中葉綠素a（CHl-a）濃度是浮游生物分布的主要特性指標(biāo)，同時(shí)也是衡量水體初級(jí)生產(chǎn)繁殖能力（水生植物的生物量）以及富營(yíng)養(yǎng)化程度作用的最基本評(píng)估指標(biāo)，也是影響水體光譜響應(yīng)特征的重要指標(biāo)。監(jiān)測(cè)藻類中的葉綠素a（CHl-a）濃度，是水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。含葉綠素的水體其光譜特征主要表現(xiàn)為：在波長(zhǎng)440nm處具有吸收峰，在波長(zhǎng)400nm～480nm（藍(lán)光）范圍內(nèi)，其反射率隨水體中葉綠素含量的增加而不斷降低；在波長(zhǎng)550nm～570nm范圍內(nèi)有一反射峰，這主要是由于水生植物中葉綠素和胡蘿卜素弱吸收以及細(xì)胞散射作用引起，該反射峰值則與色素組成成分有關(guān)，因此可以作為葉綠素定量評(píng)估的標(biāo)志；在波長(zhǎng)685nm附近則會(huì)出現(xiàn)明顯的熒光峰，這主要是拉曼效應(yīng)激發(fā)產(chǎn)生能量熒光化的作用[2]。實(shí)踐工程中認(rèn)為波長(zhǎng)685～715nm范圍熒光峰的出現(xiàn)是含藻類水體最為明顯的光譜特征，其中反射峰的位置以及數(shù)值可以認(rèn)為是水體中葉綠素濃度的重要標(biāo)識(shí)。

2.3 有色可溶性有機(jī)物（CDOM）濃度遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外對(duì)有色可溶性有機(jī)物（CDOM）濃度遙感監(jiān)測(cè)都是從海洋開(kāi)始的。CDOM是一個(gè)非常重要的生物光學(xué)參數(shù)，具有較為穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)，是水體（尤其是海洋水體）具有較好的示蹤性能[3]。遙感探測(cè)CDOM物質(zhì)的濃度特性可以將其反演分析預(yù)測(cè)海水中碳的含量。內(nèi)陸水體中通常采用CDOM處于波長(zhǎng)為440nm處的吸收系數(shù)等值，作為水體污染程度評(píng)估指標(biāo)。

3 水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

水體污染是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)研究的重要課題，對(duì)水體水質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、管控，就顯得尤為重要。常規(guī)的現(xiàn)地采樣，實(shí)驗(yàn)室成分分析的靜態(tài)分析方法，其在監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性、分析可靠性等方面，僅僅針對(duì)小區(qū)域小水域的作業(yè)，但是很難滿足對(duì)大尺度、大區(qū)域范圍的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估需要。利用遙感技術(shù)可以彌補(bǔ)常規(guī)水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法中存在的很多不足，解決了地域范圍及空間限制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)組成成分的動(dòng)態(tài)分析和評(píng)估，能夠準(zhǔn)確快速掌握水體水質(zhì)狀況，為污染程度和發(fā)展趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)提供大量實(shí)用數(shù)據(jù)信息。隨著傳感器技術(shù)研究不斷深入、高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用不斷加深、生物光學(xué)模型建立的不斷完善、定量反演模型精確度的不斷奶提高，高分辨率、高光譜、多極化遙感數(shù)據(jù)，將成為水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主流遙感信息源，為遙感走向定量水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)模型支撐。

當(dāng)然，要使遙感真正在水污染監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用，還需要作大量的工作，特別是同步地進(jìn)行光譜測(cè)量和水質(zhì)分析，找出水質(zhì)參數(shù)與光譜之間的相關(guān)關(guān)系。另外，隨著高光譜遙感的發(fā)展，遙感在水污染監(jiān)測(cè)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。實(shí)現(xiàn)定性遙感到定量遙感的跨越；建立完善健全的水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、快速、網(wǎng)絡(luò)化、透明化發(fā)布，將有效推動(dòng)全國(guó)范圍內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的快速建設(shè)。

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