高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

何婷

【摘要】：本文從高光譜技術(shù)和遙感技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)談起，重點(diǎn)探討了高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)所在，介紹了目前在水環(huán)境監(jiān)測(cè)作業(yè)中收集高光譜數(shù)據(jù)的常用手段以及高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】：高光譜；遙感技術(shù)；水環(huán)境；應(yīng)用

1 高光譜遙感技術(shù)

高光譜即高光譜分辨率，指的是由許多段窄電磁波波段連接而成的連續(xù)的光譜曲線，每一小段電磁波波段通常小于十納米。遙感是指，在對(duì)探測(cè)目標(biāo)的特性進(jìn)行探測(cè)時(shí)，探測(cè)儀器不直接與探測(cè)目標(biāo)相接觸，而是通過接收、記錄、分析探測(cè)目標(biāo)的電磁波特性信息來判斷探測(cè)目標(biāo)的特征性質(zhì)及其變化。

高光譜遙感技術(shù)興起于二十世紀(jì)八十年代，是一種較為新型的觀測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)具備許多優(yōu)越性。

第一，高光譜由更多的波段組成，數(shù)據(jù)量隨著波段數(shù)的增加呈指數(shù)性增長。第二，相鄰波段間相關(guān)性高，光譜曲線完整、連續(xù)。能夠探測(cè)到寬光譜遙感探測(cè)不到的物質(zhì)。第三，高光譜波段具備高分辨率特性，可以反映物質(zhì)的細(xì)微特征，探測(cè)數(shù)據(jù)更為精細(xì)。第四，可以提供空間域和光譜域雙重信息，另外，地面實(shí)測(cè)的光譜曲線可以和成像光譜儀得到的光譜曲線相類比。

2 高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用

遙感技術(shù)可以及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，而高光譜數(shù)據(jù)以其優(yōu)越性提高了變化監(jiān)測(cè)的精度。目前主要將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)、大氣、地質(zhì)、水環(huán)境等領(lǐng)域。

對(duì)大氣污染源分布、熱污染的監(jiān)測(cè)、污染源周遭擴(kuò)散條件、污染源擴(kuò)散影響范圍等等的調(diào)查都可以用高光譜遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如：將遙感儀器放置于衛(wèi)星上，我們就能從衛(wèi)星的影像上清晰地看到具有熱紅外波段的焚燒點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全國焚燒點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

高光譜遙感憑借其納米級(jí)的光譜分辨率被應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域，主要研究方向是植被識(shí)別、葉面指數(shù)計(jì)算、植被指數(shù)提取、生物量估算分析方面。

在地質(zhì)領(lǐng)域，人們可以利用高光譜遙感獲取巖石和礦物的吸收反射等數(shù)據(jù)來辨別礦物巖石的種類并對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行填圖勘察。

3 在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)原理

藻類，溶解性有機(jī)物，化學(xué)物質(zhì)，水中懸浮物，油類物質(zhì)，熱釋放物，病原體等等，都是作為水環(huán)境評(píng)估依據(jù)的參數(shù)。不同物質(zhì)的光譜特征不同，例如，由黃色物質(zhì)、藻類、藻青蛋白、葉綠素a等將會(huì)依次吸收波長分別為400～ 500 nm、560～ 590 nm、624 nm及675 nm的波長引起內(nèi)水體反射波譜。不同的水質(zhì)由于含有以上水中物質(zhì)的成分不同，會(huì)在遙感圖像中反映出不同的色段和變化。根據(jù)這一特性，就可以利用遙感技術(shù)收集水環(huán)境的光譜數(shù)據(jù)并分析出水環(huán)境特征。被污染的水質(zhì)具有獨(dú)特的光譜特征并區(qū)別于清潔水質(zhì)。

3.2 檢測(cè)儀器

高光譜數(shù)據(jù)的獲取可以通過兩種設(shè)備儀器實(shí)現(xiàn)：非成像光譜儀和成像光譜儀。

非成像光譜儀常見的有便攜式超光譜儀和野外光譜儀等，地物的光譜反射率是以圖形等形式記錄而非影像形式。非成像光譜儀主要用于表面校準(zhǔn)機(jī)載成像光譜儀測(cè)量水質(zhì)參數(shù)，以及在野外對(duì)水體光譜反射曲線的測(cè)量。成像光譜儀將圖像與地物光譜測(cè)量結(jié)合，“圖譜合一”，成像光譜儀也叫高光譜成像儀。成像光譜儀的使用一般有三種方式：一是搭載在航天飛行器中，二是以小型飛機(jī)作為搭載平臺(tái)，三是把成像光譜儀放置于地面。這三種方式都可以作為水環(huán)境檢測(cè)的手段，在實(shí)際工作中根據(jù)具體情況考慮研究經(jīng)費(fèi)、水環(huán)境面積和觀測(cè)是否需要移動(dòng)等因素對(duì)這些手段作出選擇或者搭配。

3.3 實(shí)際應(yīng)用

在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，利用高光譜遙感技術(shù)收集探測(cè)目標(biāo)的光譜特性后，主要進(jìn)行以下幾方面的分析：根據(jù)水體光譜反射率來計(jì)算水環(huán)境中的泥沙含量可行性和最佳波段；探測(cè)水體深度可行性；對(duì)波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，評(píng)估內(nèi)陸水體污染程度；通過水體的光譜特征分析判斷水環(huán)境的污染類型。回歸分析和預(yù)測(cè)是環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中最常用的分析方法。

PHI成像光譜圖像可以對(duì)赤潮生物優(yōu)勢(shì)物種進(jìn)行識(shí)別；高光譜圖像能夠反映懸浮物含量、葉綠素富集度、水體深度等水體的特征。赤潮水體與正常海水之間，不同優(yōu)勢(shì)藻類之間的赤潮光譜特征均存在顯著差異，成像光譜技術(shù)在檢測(cè)赤潮方面可以大展身手。

以下是將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中水體環(huán)境檢測(cè)的真實(shí)事例，通過這些例子，我們能夠更加直觀的感受高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

例如：美國“ 9.11”爆炸后，USGS用AVIRIS成像光譜儀對(duì)世貿(mào)中心廢墟及其附近地區(qū)遙感成像，制作而成水體沉積物分布圖。[1]有國外研究者用交叉相關(guān)算法探測(cè)海水的若丹明（一種紅色熒光染料）的濃度。[2]我國的大型監(jiān)測(cè)站正在使用成像光譜儀對(duì)海洋災(zāi)害（赤潮、海面溢油、河口污染等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且建立了應(yīng)用模塊。有研究者在太湖、滇池進(jìn)行了水環(huán)境監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)跟蹤研究，他們通過水面超光譜測(cè)試、成像光譜儀航空成像以及衛(wèi)星資料，獲得大量可靠資料，對(duì)水面反射率與污染物濃度進(jìn)行相關(guān)分析，得到獲取葉綠素a濃度和總懸浮物濃度信息的最佳光譜通道。在863西部金睛行動(dòng)中，我國研究者進(jìn)行了水體光譜反射率計(jì)算泥沙含量的可行性和最佳波段選擇研究以及高光譜遙感識(shí)別水污染程度和水體深度的方法研究。[3]

總結(jié)

將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)為更好地完成監(jiān)測(cè)工作提供了強(qiáng)大保障。目前我國的許多研究者，已經(jīng)身體力行地將這一技術(shù)應(yīng)用于了水體檢測(cè)中，取得了較好的應(yīng)用效果，高光譜圖像技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。在未來，高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景十分廣闊，挖掘新型遙感數(shù)據(jù)、水質(zhì)檢測(cè)模型空間拓展等領(lǐng)域還有十分巨大的研究潛力。

【參考文獻(xiàn)】：

[1] http：//geology.cr.usgs.gov/pub/open- file- reports/ofr- 01-0429/imspec.html[EB/OL].

[2] Danaher S， O'Mongain E， Walsh J.A new cross- correlation al-gorithm and the detection of rhodamine- B dye in sea water[ J].INT.J. Remote Sensing，1992，13（9）：1743- 1755.

[3] 萬余慶，張鳳麗，閆永忠.高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用研究[J].國土資源遙感， 2003，（3）：10- 14.

[4] 李東升，殷悅.高光譜遙感成像技術(shù)及在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.《工程技術(shù)：文摘版》.2016