淺析遙感反演技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測方面的應(yīng)用

孫李一楠

（哈爾濱師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025）

一、引言

水資源匱乏已成為一個(gè)全球面臨的難題，也成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，甚至在很多國家連居民的基本生活用水都難以保證。因此，各國專家都在致力于水資源的開發(fā)、探索中，尤其是地下水資源的勘探及海水的水質(zhì)監(jiān)測、凈化方面。正是基于這種實(shí)際的需要，水質(zhì)領(lǐng)域的研究者也在運(yùn)用新的技術(shù)手段探索水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的方法。

研究者對地下水質(zhì)及海水水質(zhì)參數(shù)的研究，是為了滿足不同用戶對水質(zhì)的要求。通過對地下水演變及成因進(jìn)行分析、研究，可以找到解決水資源短缺的辦法，實(shí)現(xiàn)水資源的持續(xù)利用。遙感技術(shù)在水資源的勘探及水質(zhì)檢測方面為工作者提供了技術(shù)支持及保障。當(dāng)前，遙感反演技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測上的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，并為解決人類水資源匱乏作出了巨大貢獻(xiàn)，尤其是在深層地下水資源的勘探，海水水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測上。

二、傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)

隨著工業(yè)的發(fā)展及人類生活、生產(chǎn)形成的廢水越來越多，只靠古老的、自然的水循環(huán)已難以解決水資源的污染問題。同時(shí)，再采用傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)采樣分析的方法，將無法滿足用戶對水質(zhì)的需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的采樣分析方法，是在不同的河段進(jìn)行采樣，然后將采樣放置在容器內(nèi)靜置，并通過物理的、化學(xué)的方法分離、監(jiān)測水質(zhì)，分析水中所含有的各種成分，得出水質(zhì)參數(shù)及指標(biāo)。

這種監(jiān)測方法會(huì)受到采樣點(diǎn)空間分布密度的限制，不能客觀、全面地反映需要監(jiān)測的水域的真實(shí)情況。在監(jiān)測的過程中耗費(fèi)時(shí)間較長、成本也比較高、效率低下，有時(shí)得出的結(jié)果也不盡人意。隨著人們對水質(zhì)要求的不斷提高及要求的多樣化，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)已略顯無能為力。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為水質(zhì)的監(jiān)測提供了新的手段、方法，尤其是遙感技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測上的運(yùn)用，為水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測提供了更加高效的方法。

三、遙感反演技術(shù)的概述

當(dāng)今各國已不在滿足于地球上的競爭、資源的爭奪，已將其擴(kuò)展到了外太空。衛(wèi)星的發(fā)射就是很好的證明。各國之所以搶先發(fā)射衛(wèi)星，戰(zhàn)領(lǐng)宇宙空間，是因?yàn)橥ㄟ^衛(wèi)星可以為人類返回很多地球表面的數(shù)據(jù)信息，而不僅僅是為了網(wǎng)絡(luò)通訊。比如通過衛(wèi)星返回的圖片，人類可以對我們所生活的地球有一個(gè)更全面的了解。礦產(chǎn)資源的分布情況、地形地貌情況、水資源的分布情況等，還可以通過遙感反演技術(shù)更清楚、更高效、更準(zhǔn)確地了解地球上某一流域水質(zhì)參數(shù)，隨時(shí)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，及時(shí)了解水質(zhì)情況，并根據(jù)用戶需要為其提供水資源。

隨著遙感科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水質(zhì)研究者試圖將偏振作為遙感的另一維信息源加以利用。光的偏振在大氣與海洋系統(tǒng)中形成了豐富的數(shù)據(jù)信息。研究者可以根據(jù)水面反射光的偏振效應(yīng)、反射光在布儒斯特角時(shí)的規(guī)律、水體散射介質(zhì)對入射光的偏振狀態(tài)的改變等信息得出水體物質(zhì)的組成。因此，偏振信息的遙感反演方法可以作為一種新的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測方法，這種基于遙感反演技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測方法，對水質(zhì)領(lǐng)域的研究將具有劃時(shí)代的意義。

針對用水戶不同的需要，研究者對水質(zhì)的監(jiān)測往往也會(huì)采用不同的方法。常用的水質(zhì)參數(shù)評價(jià)方法主要有：綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、模糊綜合評價(jià)法、灰色聚類法、灰色關(guān)聯(lián)度法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、多元回歸模型、邏輯斯諦曲線模型、主成分分析法、集對分析法、投影尋蹤模型法、物元分析與可拓集合法等，雖然研究者為我們呈現(xiàn)了很多水質(zhì)評價(jià)監(jiān)測的方法，但是由于水環(huán)境的不確定性，在水質(zhì)管理的實(shí)踐中，能夠廣泛應(yīng)用的方法還是比較少的。利用遙感衛(wèi)星，可以對水質(zhì)的時(shí)空分布及變化情況進(jìn)行定性甚至定量的監(jiān)測。這種監(jiān)測方法監(jiān)測范圍廣、速度快、監(jiān)測周期長、成本低，因此在我國已經(jīng)將這一技術(shù)應(yīng)用到長江、黃浦江、閩江等內(nèi)陸水域的監(jiān)測中，然而很多技術(shù)的使用仍然在探索、完善中。

四、遙感反演技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測上的應(yīng)用原理

遙感反演技術(shù)其實(shí)利用的是不同物質(zhì)反射光的波長不同的原理。水質(zhì)遙感監(jiān)測就是根據(jù)被污染水體所呈現(xiàn)的光譜特征與清潔水體的不同，并可根據(jù)呈現(xiàn)的光譜特征判斷污染物質(zhì)。因?yàn)樘柟馊肷涞轿矬w的表面，經(jīng)過物質(zhì)的選擇性吸收與散射，形成不同的吸收光譜。水體的光譜敏感通道主要集中在0.35～0.90um之間。當(dāng)水體被污染后，就會(huì)出現(xiàn)富營養(yǎng)化，水體中的浮游植物增多，浮游植物的葉綠素對近紅外波段具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，當(dāng)葉綠素濃度不同時(shí)，在0.43～0.70um光譜波段會(huì)出現(xiàn)較明顯的差異，因此近紅外波段與紅光波段的比值可以用來估算水體中葉綠素的濃度變化。

對于水中含有的其他懸浮顆粒，同樣可以運(yùn)用不同物質(zhì)對太陽光吸收反射的光譜波段的不同，分析水質(zhì)中所含有的物質(zhì)的成分及數(shù)量，以便更好地掌握水質(zhì)的參數(shù)，對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果水中懸浮的泥沙增加，將會(huì)增加太陽光的反射率，并使光譜曲線的反射峰往長波方向移動(dòng)，尤其是可見光波段中的紅光波段。

目前在內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測中應(yīng)用較廣泛的多光譜數(shù)據(jù)之一是運(yùn)行時(shí)間長、應(yīng)用廣泛的Landsat衛(wèi)星。Landsat衛(wèi)星成功運(yùn)用近紅外波段與紅光波段的比值（TM4/TM3），提取了濃度為10～200mg/L的葉綠素（R2>0.92），同時(shí)這一比值還可以用來估算水體中葉綠素濃度的變化，可以運(yùn)用三波段模型、兩波段模型、反射峰位置法、一階微分法等方法估算水質(zhì)葉綠素a的濃度。如果缺乏衛(wèi)星同步實(shí)測數(shù)據(jù)，則可以利用水體本身的遙感光譜信息建立水質(zhì)參數(shù)遙感模型。

五、結(jié)束語

水資源的短缺及用水戶對水質(zhì)參數(shù)提出的不同需求，促使水質(zhì)監(jiān)測部門改變傳統(tǒng)的分段采樣的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測方法，探索運(yùn)用衛(wèi)星遙感反演技術(shù)對地下水資源勘探及地表水水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。隨著遙感反演技術(shù)的成熟，我國的水質(zhì)分析與研究領(lǐng)域也正在蓬勃發(fā)展，各種利用衛(wèi)星遙感反演技術(shù)建立的水質(zhì)監(jiān)測模型不斷出現(xiàn)，盡管現(xiàn)在已經(jīng)形成了多種水質(zhì)監(jiān)測評價(jià)方法，但由于水環(huán)境是一個(gè)特殊的循環(huán)系統(tǒng)，具有很大的不確定性，目前能夠廣泛應(yīng)用的模型還不多，且須要根據(jù)水質(zhì)的實(shí)際情況不斷地修改、調(diào)整模型。為了能更準(zhǔn)確地反映水資源的保有量、水質(zhì)參數(shù)情況及為用水戶提供符合其需要的水質(zhì)，水質(zhì)研究者要樹立科學(xué)的態(tài)度，為水質(zhì)參數(shù)有效的分析提供科學(xué)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立推進(jìn)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測、分析的研究模型，促進(jìn)水資源循環(huán)利用，解決水資源短缺問題。

［1］宋瑜，宋曉東等.基于定量遙感反演的內(nèi)陸水體藻類監(jiān)測［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，（4）.

［2］李云亮，張運(yùn)林，李俊生，等.不同方法估算太湖葉綠素a 濃度對比研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，（3）.