高分數據應用于流域水環境遙感監測的探索與實踐

●文| 北京空間機電研究所 江澄

一、引言

水是生命之源，是自然環境中最重要的生態要素之一，水質狀況直接關系到人類與社會的生存和發展。尤其對于水資源匱乏、又亟待發展經濟的人口大國中國而言，更具有緊迫的現實意義。

常規水環境監測需要在水域布置大量的人工監測點，然后通過實驗室分析才能得到準確水質或其他水環境參數的時空分布信息，這種人工取樣-實驗室分析的方法受人力、物力、財力、天氣和水文條件的限制，難以長時間跟蹤監測，且只能知悉監測斷面上的水質或水環境狀況，對于整個流域而言，這些數據只具有局部和典型樣本點的代表意義，不能滿足實時、大尺度的監測評價要求[1]。

遙感技術具有快速、大范圍和周期性的特點，可以彌補常規定時、定點監測的不足，節省大量人力、物力和財力，具有常規水體監測不可比擬的優越性，已經成為水環境動態監測以及藍藻、水華預測和預警不可缺少的手段之一[2]。

二、探索基石

近年來，高分系列衛星作為我國高分辨率對地觀測系統重大專項成果，逐步改變了我國廣泛采購國外商用衛星遙感數據的現狀，也使得民用遙感數據進入了亞米級時代，有力地支撐了我國遙感衛星應用技術的發展。

作為空間光學遙感器研制的國家主力軍，北京空間機電研究所承擔了74%的高分辨率對地觀測遙感器的研制任務。研制過程中，過程數據的積累在一定程度上決定了遙感數據處理技術的能力，從而直接決定應用能力，尤其針對信號弱、物理機制復雜的水環境，數據-應用鏈路中的各個環節都會影響最終產品的應用效果[3-4]。正是由于過程數據對于水環境應用產品的重要性，基于高分辨率對地觀測數據這一基石，并結合航空遙感數據和地面測量數據，北京空間機電研究所展開了針對流域水環境遙感監測的探索。

表1 流域水環境遙感監測所用數據

三、遙感技術動態監測水環境成果

面向流域水環境動態監測與應急、預警的服務需求，以高分辨率衛星系統為主要信息源，輔助航空監測系統、地面測量系統，形成遙感監測及應急預警服務系統。如圖1所示。

圖1 流域水環境遙感監測系統組成

通過多個應用示范項目的落地，北京空間機電研究所已具備高分衛星、無人機多個分辨率等級標準分幅的水環境遙感專題產品生產能力，且高分產品具備應急情況下小于等于7天的更新能力。

研制的無人機載多光譜成像系統專為流域水環境遙感監測而量身打造，其質量小于3kg，集成了穩定平臺、控制器及存儲器于一體。通過航空遙感系統的配備，具備突發事件的應急服務能力。航空遙感系統采用無人旋翼機作為低空動態監測平臺，由安全傘降無人旋翼機、多光譜相機、無線數傳子系統、地面保障子系統等組成，具有部署靈活、起降占地小、地形條件要求低、空中可以懸停、攝影測量精度高等特點。

遙感技術應用于水源水質監測預警具有監測范圍廣、速度快、成本低和便于長期動態監測的優勢，同時還能發現一些常規方法難以揭示的污染源和污染遷移特征。

水質預警的原理是根據警兆變動來預報警情，在水質監測的基礎上，對水質進行評價與預測，判斷是否有警情，然后根據預報的警度以及對警源的分析，生成相應的影響措施，通過各種管理措施來排除警患[5]。

因此，在構建水環境預警體系時，首先要對區域水環境狀況進行調查，分析評價區域水環境現狀；然后，根據一定的原則和方法建立水環境預警指標體系；根據指標體系，選擇合理的評價方法和數學預測模型對區域水環境發展趨勢進行評價和預測；最后根據評價預測結果確定警戒級別和不同警戒級別下的各項環境質量指標，并在此基礎上判斷是否有警情。

通過對遙感數據的精細化“打磨”，有效解決了應用單位生態資源監測成本高、周期長、數據誤差大等關鍵性問題，已經在廊坊市、海河水環境監測中心、巨鹿縣等多個單位進行了推廣應用，切實為應用單位提供了準確、高效、低成本的遙感數據信息，為資源調查、環境污染與應急監測工作提供了科學的決策依據，提升了精細化管理水平。

圖2 高分二號衛星監測太湖下游水質參數分布情況（顏色表征濃度，越接近紅色表示濃度越高）

圖3 針對水環境監測的無人機載多光譜相機

圖4 無人機載多光譜成像試驗

為驗證系統功能與性能指標，在海河流域于橋水庫周邊開展了天空地聯合遙感試驗。利用高分一號16m數據，結合航空多光譜數據和地面實測數據，實現了對庫區及上游桑干河流域水質參數反演，并基于反演的葉綠素濃度、總氮含量和懸浮泥沙含量，生成了于橋水庫藻類爆發風險圖、水質分類圖和于橋水庫渾濁度分布圖。圖5為于橋水庫藻類爆發風險圖,藍色表示低風險藍藻爆發區域，綠色表示高風險藍藻爆發區域。圖6為于橋水庫水質分類圖，綠色表示I類水質，橙色表示II-III類水質，紅色表示IV-V類水質。圖7為桑干河渾濁度分布圖，顏色表征渾濁度，越接近藍色表示渾濁度越高。

圖7 桑干河渾濁度分布圖

北京空間機電研究所與海河流域水資源保護局以海河流域作為合作中心，建立了“流域環境遙感信息應用聯合實驗室”，聯合開展合作研究成果的推廣，實現研究成果的業務化、商業化。

四、總結

當前水環境遙感監測依然面臨眾多問題，在清醒認識遙感技術服務局限性的前提下，持續發展區域性大氣校正算法，提高校正精度，扎實研究遙感定量化模型，提高反演精度，并不斷深化尺度轉換對水質/水色遙感的影響研究。在技術能力的強有力保障下，用戶才能用好數據，遙感應用市場才能活躍。

[1]潘德爐，何賢強.海洋水色水溫遙感應用科學與技術[M].北京：海洋出版社，2014.

[2]馬榮華，段洪濤，唐軍武，等.湖泊水環境遙感[M].北京：科學出版社，2010.

[3]IOCCG Report5: Remote sensing of inherent optical properties:Fundamental, tests of algorithms,and application. 2006.

[4]禹定峰，邢前國，施平.內陸及近岸二類水體透明度的遙感研究進展[J].海洋科學. 2015(39):136-144.

[5]王佳怡，李紅華，魚京善，等.流域水環境質量監測與預警系統建設研究[J].中國環境科學學會學術年會論文集.2016:1248-1253.