高光譜遙感技術在水質監測中的應用前景分析

馮文

（湖南省第二測繪院湖南長沙410000）

高光譜遙感技術在水質監測中的應用前景分析

馮文

（湖南省第二測繪院湖南長沙410000）

高光譜遙感技術在水質監測中具有重要應用價值，根據遙感監測水質機理對清水、藻類水體、懸浮泥沙類水體、石油類污水的光譜特征進行了總結；分析了遙感監測水質常用的方法；對懸浮物、葉綠素-a、黃色物質濃度高光譜監測的國內外研究現狀進行了總結；指出建立不同水體的光譜特征庫、建立水體性質指標的多波段非線性模型是高光譜技術在水質監測應用中的重點研究方向。

高光譜遙感；遙感；水質監測；光譜特征

1 引言

隨著我國經濟的高速發展和工業化程度的加劇，水質污染和富營養化日益嚴重，因此必須加強水質的監測和治理。傳統監測方法（先采集水樣，然后運回實驗室進行水質分析）比較費時費力，而且對水樣的選取、水質的保存等要求較高，此外水樣采集和分析的數量有限，對于整個水體而言，這些測點數據只具有局部和典型的代表意義，難以獲取大范圍水域水質參數的空間分布和變化規律，不能滿足對水質實時、大尺度的監測評價要求。多數據源、多水質參數的定量遙感是當前水質遙感監測發展的前沿。利用遙感技術監測河流、湖泊等較大的水體可以提供大面積的水質信息，具有監測范圍廣、速度快、成本低和便于進行長期動態監測的優勢，在相當大的程度上彌補了常規水質監測方法的不足，為環境監測提供了一種卓有成效的新方法。而高光譜遙感以其光譜分辨率高、波段連續性強、可以獲得多光譜傳感器無法獲得的精細的光譜信息，可以實現連續空間上光譜測量的特點[2]，在水質監測中逐漸顯示出巨大的優勢。

2 幾種水體的光譜特征

通過遙感系統量測一定波長范圍的水體的輻射值得到水體的光譜特征是遙感監測水體水質的基礎。遙感獲取水質參數的方法是通過分析水體吸收和散射太陽輻射能形成的光譜特征與水質指標濃度之間的關系實現的。利用遙感技術進行水環境質量監測的主要機理是被污染水體具有獨特的有別于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現在其對特定波長的光的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠為遙感器所捕獲并在遙感圖像中體現出來。

對水體來說，其光譜特征主要是由水本身的物質組成決定，同時又受到各種水狀態的影響。

2.1 清水的光譜特征

清水的反射率在可見光波段范圍內一般為4～5%，在600nm下降為2～3%，到750nm之后的紅外波段，水體成了全吸收體。

2.2 藻類水體光譜特征

浮游植物體內的葉綠素對可見光和近紅外光波段具有特殊的“陡坡效應”。在420～500nm范圍內，葉綠素-a在藍紫光波段有一個比較平坦的吸收峰，水體的反射率較低，可能是葉綠素、類胡蘿卜素以及溶解性有機物的吸收造成的；510～620nm附近的反射峰是由于葉綠素和胡蘿卜素弱吸收和懸浮物的散射作用形成的，該范圍內反射峰值與色素組成有關，可以作為葉綠素定量標志；670nm附近是葉綠素-a的又一吸收峰，當藻類密度較高時，水體光譜反射率曲線在該處出現谷值；710nm附近反射峰的出現是含藻類水體最顯著的光譜特征，其峰值是葉綠素-a濃度的指示，其存在與否可以作為判斷水體是否含有葉綠素的依據，出現的表面原因是由于水和葉綠素-a的吸收系數之和在該處達到最小，根本原因應歸因于葉綠素的熒光效應，但熒光峰位置變化不能用于葉綠素-a的定量反演。

2.3 含石油類污水的光譜特征

目前海上油輪事故、含油污水排放、石油生產活動給水環境帶來了嚴重的污染。含石油類水體光譜特征的研究愈顯重要。黃妙芬等的研究表明含石油類污水的黃色物質和色素的吸收系數大于非石油類水體，其光譜曲線與非色素顆粒物、黃色物質都遵循e指數衰減但指數斜率明顯不同；陸應誠等認為1150～2500nm波段可用來探測較薄油膜的存在與否，400～1150nm可以用來定量探測較薄油膜厚度，550nm、645nm為較薄油膜探測與評估的高光譜遙感最佳選擇波段。

3 幾種主要水質參數濃度的高光譜定量監測

針對水體遙感監測的水質指標，研究較多和相對比較成熟的是懸浮物、葉綠素-a和黃色物質。其它指標如溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、透明度（SD）等也開展了研究。

3.1 懸浮物濃度的高光譜定量監測

內陸水體中懸浮物濃度是最先被遙感估測的水質參數，懸浮物主要是指水中呈固體狀的不溶解物質，如水中的各類礦物微粒，含鋁、鐵、硅水合氧化物等無機物質，及腐殖質、蛋白質等有機大分子物質。

3.2 葉綠素-a濃度的高光譜定量監測

監測葉綠素濃度是利用波段和波段組合的反射率與實地監測水質建立統計模型。計算葉綠素-a濃度的最佳波段的選取依賴于其濃度。葉綠素-a濃度的遙感監測研究已經比較成熟。

3.3 黃色物質濃度的高光譜定量監測

國外對黃色物質（CDOM）的遙感監測始于20世紀90年代在海洋水體中進行的。探測CDOM的屬性能演繹海水中碳的含量，其濃度變化可以作為海水污染程度的指示劑。CDOM對紫外光有很強的吸收能力，而在紅外光譜波段幾乎為零。

3.4 其它指標的高光譜定量監測

水體透明度是一項重要的水質指標，它反映了水顏色和渾濁度的綜合影響；水中溶解氧的含量直接反映水體受污染的程度，其含量與水生生物的生存也有重要意義。國內學者對這兩者的監測也較多。童小華等人建立了黃浦江上游水域透明度的線性模型和溶解氧的對數模型；段宏濤等人建立了適合于查干湖水域的單波段透明度反演模型。這些指標主要建立了單波段的線性模型。

4 高光譜遙感技術在水質監測中的應用研究展望

基于遙感技術的水體水質監測顯現了巨大的應用潛力，隨著傳感器技術的發展，高分辨率、多光譜遙感數據將成為主要的遙感信息流，為高光譜遙感水質監測提供數據保證。基于高光譜遙感數據的水質監測應集中研究以下方面：

（1）利用高光譜數據進行水質參數反演，對其上百的寬度為10nm左右的連續波段與主要水質參數的光譜響應特性進行研究，建立不同水體的光譜特征庫。

（2）利用高光譜數據和中、低分辨率多光譜數據進行水質遙感定量監測機理研究，研究同時含有多種水質參數的水體的光譜特征，尋找各影響因素的相關關系，消除水質組分間的相互干擾，選擇合適的算法建立不受時間和地域限制的水質參數反演模型。

（3）確定水質參數診斷性波譜及波段組合，構建水質參數遙感模型和反演的核心技術，提高水質監測精度。

（4）利用高光譜數據加強水中其它指標的定量監測，建立其它指標的多波段及波段組合的非線性反演模型。

[1]童小華，謝歡，等.黃浦江上游水域的多光譜遙感水質監測與反演模型[J].武漢大學學報（自然科學版），2006，31（10）：851～854.

[2]侯鵬，楊鋒杰，等.遙感技術在南四湖水質監測方面的應用研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2003，22（3）：252～255.

[3]杜嘉，張柏，等.松花湖水體葉綠素a含量與反射光譜特征關系初探[J].遙感技術與應用，2010，25（1）：50～56.

[4]段洪濤，馬榮華，等.高葉綠素水體熒光峰位置變化響應關系研究[J].光譜學與光譜分析，2009，29（1）：161～164.

[5]張蕓，張鷹，王晶晶.懸浮泥沙反射光譜反射率與質量濃度、粒徑的相關關系[J].海洋科學進展，2008，26（3）：340～345.

X832

A

1004-7344（2016）28-0202-02

2016-8-5

馮文（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事工程測繪、大地測量、數據建庫工作。