遙感技術在內陸水體水質監測中的應用分析

薄福生++付曉飛++馬超

摘 要：現如今我國內陸各地區水體污染問題嚴重，已經嚴重影響到人們的生產生活，因此水體水質監測就成為水質評價與水污染防治的重要依據。鑒于此，該文提出了基于內陸水體水質監測的高科技遙感技術，它的監測范圍廣、速度快、成本低且非常適合長期動態監測。文中主要闡述了它針對內陸水體水質中懸浮物濃度的遙感定量監測技術過程。

關鍵詞：內陸水體水質監測 遙感技術 懸浮物濃度 定量監測 回歸模型

中圖分類號：X87 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0124-02

一般來說，內陸水體水質遙感監測都是基于數據統計分析、實踐經驗以及水質參數來實現實際測量的，這其中還包括對遙感波水質數據的數學分析過程和實測過程。就目前技術發展形勢來看，比較常用的內陸水體水質監測方法就包括了經驗法、半經驗法等分析方法，它們為水質參數構建了合理的遙感估測模型，反演水體水質中的實際參數濃度，可以確切反映水質在時間與空間方面的分布與變化狀況，同時發現內陸水體水質中污染源及污染物的遷徙特征。

1 基于遙感光譜技術的水質水體監測原理

根據物理原理，透射到地球大氣層的太陽輻射會直接到達水氣界面，這其中一部分輻射被反射，一部分輻射則要折射到水體內部，進入水體內部的這部分輻射還會根據多種分子選擇來進行吸收與散射。以內陸水體為例，影響其光譜反射率的物質就包含3種：藻類等浮游植物、浮游植物死亡之后所產生的有機碎屑以及無機懸浮顆粒，它們被統稱為懸浮物。這些懸浮物都能選擇性吸收一定波長范圍的光，形成具有各自特征的吸收波譜，另外，它們也會對光實現散射從而改變光的照射方向，最終讓光折回水面，再透過水氣界面回到大氣層中，這一部分光譜就是可以利用遙測技術所監測的部分。

就現有光譜遙感技術而言，它對水體水質的監測主要基于3種方法。這其中有基于輻射傳輸理論的物理監測方法，它能夠對水體中的光學活性物質特征進行辨別并通過水體組分濃度與特征吸收系數來實現多模型經驗關系構建，但是這種算法對水質參數計算精度不高；也有經驗方法，它可以伴隨多光譜遙感數據應用來實現水體水質實測數據相關性統計分析，該方法在特定水域監測中具有良效，但實際上它的水質水體參數與遙感監測數據之間事實相關性無法得到有效保證，所以其算法常常會受到時間與空間特殊性影響而精度不高；還有半經驗方法，它主要基于高光譜遙感技術來對水體水質進行監測，利用非成像光譜儀與機載成像光譜儀來測量水質參數以獲得其最佳波段組合，再利用相對應數學方法構建遙感數據體系與水質參數之間的定量經驗算式。這種遙感監測方法在近年來我國的內陸水體水質監測過程中十分常見，它能夠對湖泊、水庫中的水質參數進行精確測量，尤其是針對水體水質中懸浮物、葉綠素a、黃色物質等的可見度、渾濁度監測與評價非常到位，能夠為內陸水體水質監測提供較高的監測精度[1]。

2 基于遙感技術的內陸水體水質懸浮物監測應用分析

2.1 內陸水體水質中非藻類懸浮物的吸收特征與散射特征

2.1.1 吸收特征

內陸水體水質中通常含有大量的非藻類懸浮物，它其中就包括了浮游植物在死亡后而產生的有機碎屑、湖泊底部底泥通過再懸浮而產生的無機懸浮顆粒等。通過過往實踐來看，水體中有機碎屑吸收特征與水體溶解性有機物吸收特征非常相似，所以可以為它們構建統一的指數模型來進行計算，具體算法如下：

在上述指數模型中，為有機碎屑在波長位置的吸收系數；為參考波段值（一般選擇數值為440nm）；而則表示所參考波段的光吸收系數；為吸收系數曲線的指數斜率參數，在這里的數值與參考波段相對獨立，也同時要考慮它與地理位置、時間不同而造成的差異問題。從實際狀況來看，非藻類懸浮物與藻類懸浮物一樣，其色素對水體吸收特性影響顯著，因此在內陸水體水質進行遙感監測過程中需要加以注意。

2.1.2 散射特征

通常情況下，水體中懸浮物的散射系數應該由浮游藻類及非藻類懸浮物顆粒散射系數的和所組成。客觀地講，藻類細胞的散射原理相當復雜，這主要是因為它的細胞結構中含有大量不同物質，且其外觀呈現半透明狀態，所以一般它對光的散射比吸收更強，經研究表明，藻類散射系數相比其吸收系數高出5～25倍左右。相比藻類懸浮物，非藻類懸浮物則是內陸水體水質監測中所必須考慮的重要因子之一。如果用傳統實驗技術對內陸水質水體進行實驗監測，可能會很難發現非藻類懸浮物的光學性質，一般來說都要基于多光譜遙感數據分析和回歸模型來為其進行理論數值計算，確定最終散射系數及懸浮物濃度[2]。

2.2 多光譜遙感技術數據分析與回歸模型的構建

對內陸水體水質進行監測過程中，利用懸浮物濃度來對水體水質進行波譜曲線特征分析，同時配合衛星遙感數據與地面實測懸浮物濃度數據進行統計分析，就能為水體中懸浮物選擇最佳波段與波段組合，構建懸浮物濃度模型。

首先要提取遙感數據，主要基于采樣點經緯度信息來確定與地面實測數據相對應的真實遙感數據，在數據選取與模型構建過程中也要考慮大氣糾正下水質水體中懸浮物的水面反射率圖像數據，采用3×3尺寸的背景窗口來獲取采樣點并獲得對應遙感數據。換言之，要在采樣點數據對應過程中來計算水體反射率，確保其對應3×3中心窗口，順利得出其中9個像元的平均值。

其次是對內陸水體水質遙感監測數據的分析與最佳波段選取。（1）應該對區域水質參數數據進行數學分析，構建水質參數反演算法，通過懸浮物模型的反演精度來選擇最佳遙感測量波段。該研究過程主要基于水體水質懸浮物的光譜特征與實測水體波譜特征來展開分析。（2）要同時結合衛星遙感數據來實現與地面實測數據的統一統計歸納。（3）反演出內陸水體水質中懸浮物濃度的最佳波段組合。從遙感監測數據結果來看，根據可見光與近紅外波段范圍的不斷增大，可見懸浮物含量也在不斷增加，此時水體的反射率也會隨著懸浮物濃度的增加而增大，而反射峰位置則向長波方向逐漸移動。當懸浮物濃度保持在0～60 mg/L這一范圍內，其遙感監測波該反射率與懸浮物濃度應該呈現顯著相關關系。而在不同波段，由于懸浮物的飽和濃度不盡相同，其主要監測結果體現在段波段區域懸浮物飽和濃度較低，因此如果在內陸水體水質中懸浮物濃度較高時，應該選擇具有長波范圍波段的回歸模型。經過研究表明；在720 nm附近波段，水體水質中懸浮物的波段反射率值與懸浮物濃度存在良好相關性；而720～920 nm波段范圍內其水面反射率對懸浮物濃度的變化就相對敏感；而在920～1 000 nm位置由于受到水體的吸收作用，其水底亮度不會受到水體反射率的影響[3]。

總體來說，伴隨內陸水體水質中懸浮物濃度的不斷增加，懸浮物所引發的水體反射輻射也會達到一種飽和狀態。但考慮到在不同波段，懸浮物的飽和濃度也不盡相同，所以當水體中懸浮物濃度過高時，其回歸模型就應該基于長波范圍來重新確定波段，利用波段位置相對較寬的傳感器TM及MSS來同時監測懸浮物濃度，將懸浮物算法本身所具備的時間與水域特殊性都考慮進來，取得可接受范圍內的最終精度結果。

3 結語

考慮到內陸水體水質組分相當復雜，利用遙感監測技術對水體中懸浮物濃度的監測可能會受到其他水體組分、浮游生物、黃色物質等外來影響，所以在未來的研究過程中還應該設法進一步提升懸浮物反演模型、回歸模型的計算精度與通用性，做到對內陸水體水質監測實用性的有效優化。

參考文獻

[1] 周偉奇.內陸水體水質多光譜遙感監測方法和技術研究[D].中國科學院遙感應用研究所，2004.

[2] 周藝，周偉奇，王世新，等.遙感技術在內陸水體水質監測中的應用[J].水科學進展，2004，15（3）：312-317.

[3] 李素菊，王學軍.內陸水體水質參數光譜特征與定量遙感[J].地理學與國土研究，2002，18（2）：26-30.

[4] 胡巍巍，王根緒，呂玉香.近年來淮河干流區水質變化及原因分析[J].環境保護科學，2009（1）：109-111.