多光譜遙感監測方法在內陸水體水質檢測中的應用研究

【摘要】在水資源問題日漸嚴峻的形勢下，我國在水體水質檢測方面的研究力度不斷加強，目前水質檢測已經成為了社會發展中一個極為關鍵的問題，特別是內陸水體，它直接影響到居民的生產與生活，遙感檢測技術是目前應用最為廣泛的技術種類之一，它具有速度快、成本低的優勢，因此非常適合在長期動態化的檢測工作中應用。本文針對多光譜遙感檢測方法在內陸水體水質檢測中的應用進行幾方面分析。

【關鍵詞】多光譜遙感檢測；內陸水體水質檢測；應用研究

引言

水是生態系統中的核心部分，是生態系統得以穩定、健康發展的物質基礎，在21世紀，社會可持續發展戰略中，水資源的治理和維護是一項必須要堅持貫徹和執行的任務。水質檢測是針對水資源中各種物質的含量進行分析，從中得出有害物質與有利物質的比例，進而劃分出哪些是可以引用的水資源，哪些是需要進行處理的水資源。隨著我國水質檢測技術的發展，遙感技術得以出現，該技術在內陸水體水質檢測評價中開始普及和應用，同時取得了良好的檢測效果，該項技術的檢測范圍廣泛，成本低廉，優勢非常明顯。

1、研究的意義

在生態系統中，水是最為關鍵的要素，它與地球環境中的其他要素共同奠定了人們生存與發展的基礎。但是目前從世界范圍來看，水體污染問題已經不容忽視，在未來的發展戰略中，水質檢測以及治理已經被列入了一個主要行列，水資源是有限的，它隨著人們的破壞以及不合理利用會逐漸減少，目前我們所看到的是水體污染問題，但是如果不加以重視和質量，那么污染就會無休無止的蔓延，最終將會導致人類失去基本的生存條件。在這樣的背景下，水質檢測的重要越來越凸顯，它作為評價水質以及水污染防止的主要依據，在水體污染越發嚴峻的情況下，必須要加大力度開展工作，體別是在內陸水體的檢測上，必須要做到及時、準確。

從國內情況來看，我國各級地方環保部門、水流部門已經建立了有機聯系，在水質檢測上基本是采用定點剖面、長期監測的方式進行水質分析，這種方式雖然能夠取得一定的效果，但是卻受到人力、物力以及天氣條件等眾多因素的影響，很難保障檢測數據的準確性與可靠性，同時這種檢測方法的成本高，效率低。對于整個水體來說，這些檢測點數據受到局限，很難進行整體的估算與防止措施的制定。在遙感技術出現之后，我國水體污染檢測迎來了一個展現的時代，通過衛星或者是航空遙感技術，我國實現了大規模水質檢測的設想，同時也能夠動態監控以及定量分析，這極大的彌補了水面采樣的弊端，可以更加快速的發現污染源頭，及時進行控制和治理，能夠有效針對污染源頭進行分析，最終找到污染的原因，為下一步的工作提供了有利依據。多光譜遙感監測是遙感技術中的一種，在我國應用廣泛，通過使用這項技術，我國水質檢測工作質量得到了進一步的提升，為水資源保護、規劃以及可持續發展提供給了巨大助力。

2、遙感監測技術原理

在水質環境檢測中，遙感技術借助飛機或者是衛星上的傳感器記錄的總體輻射，也就是四種輻射的綜合，可以表示為：L1=LP+LS+LV+Lb，在這個式子中，LP表示尚未達到水體表面的下行太陽以及太空輻射，因此被人們稱之為路徑輻射；LS表示水與大氣之間的界面，但是大部這個層面上的輻射基本都會被水體發射回去，它包括擴了很多與水體表面相似的光譜信息；LV則是表示穿過氣體與水界面能夠達到水體內部的太陽以及天空輻射，它們與水中的有機物、無機物進行作用，并且這些輻射是無法達到水底的，在中途就會離開水體，這部分輻射被稱之為水下體輻射，它們是提供水體內部組成成分以及特征最有價值。Lb則是能夠透過水面中途返回的那部分輻射，它對人們了解水底情況有著非常大的幫助。但是實際情況下，人們很難區分LV和Lb，通常情況下，人們所研究的是水體中的有機物與無機物的組成成分，因此從傳感器系統記錄中如何提取出這部分的相關信息，是檢測人員的主要任務。如果用公式表示：LV=L1-（LP+LS++Lb），從這些內容來看，技術人員需要對遙感書籍進行糾正，確保其精確性，其中包括大氣糾正、表面太陽耀斑以及表面其他反射消除等方面的內容。

在對純水本身進行分析之外，內陸水體中影響光譜反射率的物質主要有浮游植物，一般都是浮藻類；一部分死亡植物產生的有機碎屑、陸生以及湖底泥再次懸浮而產生的無機懸浮顆粒，這些顆粒又被成為非色素懸浮物；由黃腐酸、腐植酸等物質組成的溶解性有機物，一般被成為黃色物質。

3、多光譜遙感監測技術原理

作為遙感檢測技術中重要的技術中形式，其在我國水質檢測發揮著不可忽視的作用，多光譜遙感檢測技術，是利用兩個以上的波普通道傳感器對地物進行同步成像的遙感技術，實現了電磁波信息的分段信息接受與記錄。其特點表現為：根據影像形態與結構的差別進行地物半段，同時還能夠依據光譜特性的差異對地物進行判斷，從而有效的拓展了遙感技術的信息量。多光譜遙感數據，包括Landsat MSS、TM、SPOT HRV、IRS-1C、NOAA/AVHRR等數據。在這些數據中最先在內陸水體水質進行檢測的是LandsatMSS數據，通過相關學者的研究發現內陸水體中的葉綠a濃度以及懸浮物是通過MSS數據進行檢測的，但是因為其波段過寬，所以不適用于湖泊、水庫等水域的懸浮物檢測。如果從綜合效益來看，TM數據是現階段在應用最為廣泛的多光譜遙感數據，它具有空間、實踐以及光譜分辨率、數據可獲得性特征各個方面特征。現階段，世界范圍內對于TM數據進行研究，將其在大量的內陸水質檢測中應用進行了研究，并針對葉綠素a、懸浮物以及透明度等各方面進行了估算和測量，效果還是十分顯著的。SPOT HRV數據、IRS-1C、NOAA/AVHRR數據通常都是在內陸水體檢測中所應用。MSS數據從不同波長以及波段比值的組合是構成標準模型的關鍵內容，但是受到大氣糾正法缺乏的限制，沒有形成一個通用的模型。因為多光譜遙感數據存在分辨率低的問題，因此無法實現地物光譜特征方面針對性問題的解決，在水質參數多光譜技術的深入研究中，利用多光譜數據研究構造在時間與空間上算法的優勢，進行可行性研究的問題開始受到關注。

4、多光譜遙感監測方法在內陸水體水質檢測中的應用

4.1 檢測對象分析

本文針對某湖泊作為實驗區域，針對其水環境采用多光譜遙感技術進行各項指標的檢測，包括葉綠素a與懸浮物的檢測。

4.2 研究方法確定

將以往檢測的經驗作為依據，同時結合遙感技術的發展，最終確定了在研究方法。首先對試驗區域進行了全面調查分析，GIS與GPS技術相結合，在采樣區域進行了采樣點布設，通過衛星遙感數據實現地面數據的獲取。圖1為監測點分布。

采用光譜測量方法針對該湖面以上的部分進行測量，測量過程中天氣晴朗，水平保持平靜，因此水面波動的影響不大。測量水體輻射數據的時候采用在50%的漫反射參考版，針對一個測量點都要進行數據的檢測和記錄，以10次為標準測量，水體光譜測量20次，天空光譜測量20次，遮擋直射太陽光測量10次，每一個采樣點都要根據以上的方法進行數據采集，分為兩組，并計算反射率時采用穩定性較好組測量數據。

4.3 數據處理與分析

4.3.1 水質參數數據的處理與分析

從實驗室的分析情況來看，其中葉綠素a、SS，TN，TP、化學需氧量等參數值表面，水中的懸浮物質已經達到了3級，并且大部分集中在一起。在這些物質中，最不穩定的是葉綠素的濃度，范圍在20.3～40.2之間，而從該湖各個采樣點的水中的氮磷總量來看，幾乎都超過了富營養化的界限，也就是說水體已經呈現出明顯的富養化特征。從這些數值的情況來看，該湖水質無法達到3級標準。

通過對五個區域的水質進行分析，其水質情況如表1所示。其中可以看到磷與氮的系數高，為0.889。相對較低的物質是氮以及磷，其指標為0.675和0.414，從這個數值分析來看，其余葉綠素a與磷和氮的關聯不大，但是本文所研究的對象，其水質屬于多拍入口河流，導致水中氮磷超標的原因與人為因素有很大關聯，從而使其高于葉綠素a的影響，其他四個水質參數與化學需氧量的關聯性幾乎為0。

4.3.2 實測水體光譜數據與水體水化數據獲取和處理過程

本次案例湖水質檢測的實際數據由2015年9月10日測得，從其地表水質量標準數據進行分析后發現，其中葉綠素a濃度、化學需氧量以及懸浮物濃度過高，水體質量達不到3級水平。具體來說，通常工業用水以及一般的魚類生活區用水，在處理之后，可以達到上一級水質的要求，還是可以具有一定用途的。而從本次所研究的案例湖水質情況來看，磷氮總數過高，富氧化嚴重，處理之后想要達到上一級標準比較困難。本次所采用的光譜檢測技術，利用FieldSpec HandHeld地物光譜儀，最大限度的提升了檢測的準確性，該設備抗干擾性強，因此測得數值可以反映出案例湖水質的實際情況，在對這些數據進行分析處理，將其中異常數據排除，然后對這些數據進行分析，在分析中發現，在進行實際水體測量時，水體表觀反射率與當時的天氣、水面狀況有直接聯系。比如，在天空中運量較多的時候，藍光波段的翻身就會受到影響，表現出異常現象，反勝率增加。如果水平存在波紋，也會導致水體反射率增加。這樣一來就會增加數據處理的難度，降低測量的準確性，所以使用多光遙感檢測技術的過程中，必須要關注這幾個方面的因素，保障數據分析的準確性。

結束語：

水質監測已經成為了世界水資源可持續發展過程中一項不可缺少的環節，科學、及時、合理的進行水質監測，能夠發現水體中存在的問題，并找到問題的源頭，根據對水質中有機物、無機物成分的分析，制定治理的措施和途徑，最終達到提升水質的目的。水是生命之源，是人類賴以生存的基本條件，如果失去了清潔的水源，那么人類根本談不上發展，連生存都成了問題。本文基于遙感技術的應用，對多光譜遙感技術的應用進行了分析，希望能夠對我國內陸水檢測的開展盡一份綿薄之力。

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作者簡介：戚衛偉，女，1983年4月，遼寧大連人，本科， 工程師，研究方向：水質監測。