遙感技術監測水體懸浮物含量的研究進展

楊玉敏，胡 潔，姚 蘭,高 峰，董素文

(1.邢臺學院，河北 邢臺 054001;2. 邢臺旭陽化工有限公司，河北 邢臺 054001)

水體懸浮物是造成水體污染的物質之一，隨著水體的流動，懸浮物污染物質在不斷地擴散、蔓延，造成的水體環境污染損失不斷加劇，最后污染整個水體，對周邊生產生活帶來嚴重影響。

遙感技術是1960年發展起來的一種應用探測儀器，不與監測物體接觸，遠距離識別目標電磁波特性，通過分析計算，揭示出監測物體特性和變化的一門綜合性監測技術[1]。在水體監測領域中彌補了傳統水體監測的缺點，對水體污染物含量變化問題能夠及時作出反應，以便采取措施減小危害，而且通過長期、動態的遙感監測還能掌握水體未來的污染情況，對未來水體污染趨勢采取及時反應，從而減小水體污染物對周邊環境造成的危害[1]。

遙感技術的發展，不僅在水質監測領域中有所應用，還為其它領域的監測開辟了新的發展道路。比如在地質監測領域，應用遙感技術測繪地形、地質找礦等；在軍事領域，遙感可以全天候和全天時進行地質偵查；在線路工程領域，遙感技術可以進行工程穩定性分析和線路規劃等等。遙感技術的應用，能讓人們清楚、及時的了解環境污染現狀，并對污染現狀做出判斷，為環境資源保護提出科學、合理的防治措施。

1 水體懸浮物的光學性質及遙感原理

1.1 水體懸浮物組成及對水體的影響

水體懸浮物指不能通過孔徑為0.45μm濾膜的懸浮在水中的固體顆粒物質，包括不溶于水的無機物、懸浮泥沙、黏土等可沉降的、人眼可見的固體顆粒物質[3]。這些顆粒主要是由泥沙、黏土、藻類、細菌、有機物、無機物等高分子物質組成，常常懸浮在水體中。

水體中的懸浮物阻礙光進入水體，使水體變得渾濁，影響了水體的清澈程度；水體中的藻類使水體色度增加，枯萎的藻類逐漸堆積，產生黏泥，造成污泥的淤塞；而水體中的某些固形物將會沉積下來，在地表形成層結，降低水底土壤的透氣性、透水性等等。

1.2 水體懸浮物遙感原理

1.2.1 水體懸浮物的光學性質

水體的光學特性分為表觀光學特性和固有光學特性。表觀光學特性是隨太陽光照射條件的變化而變化的，體現為光譜反射率的變化，不考慮水體本身的物理性質，主要參數包括輻射度比、向上輻照度、離水輻亮度、漫衰減系數等[4]。固有光學特性僅由水體本身的物理特性決定，不隨外界光輻照強度的變化而變化，由吸收系數、散射系數、折射率、光衰減系數等參數組成[5]，其中吸收系數和散射系數最為常用，而吸收特性是構建水體高精度遙感模型的基礎。

由懸浮泥沙與反射率光譜曲線圖可知，懸浮泥沙濃度的不同，光譜的反射率也不同。當懸浮物濃度為3.40mg/L時，隨波長增大，反射率沒有較大變化；當懸浮物濃度增加至847.4mg/L時，反射率隨波長的變化有兩個明顯的反射峰。第一個反射峰在560～720nm 波段內，當懸浮物濃度在18.7～90.5mg/L時，反射峰出現在570～590nm之間；當懸浮物濃度在162～847.4mg/L時，反射峰出現在660～700nm之間；第二個反射峰在波長790～800nm處，濃度為18.7～847.4mg/L之間懸浮泥沙在此波長范圍內均有明顯反射峰。

1.2.2 懸浮物遙感技術路線

當太陽輻射到達大氣與水體的界面時，一部分輻射被反射，其余的部分則折射進入水體內部，被水面下被多種分子散射和吸收[8]。由于水體的組分以及組分濃度的不同，使水體的密度、透明度、顏色和溫度等有所不同，從而導致了水體反射能量的變化和不同，傳感器接收到的反射光和散射光的輻射也不同，從而可以反映不同水體的組分特征[9]。

通常情況下，在近紅外與可見光波段區域，光譜反射率是水體懸浮物光學特性最直觀的體現。懸浮物的含量和類型、懸浮顆粒大小以及遙感器的觀測角等因素都會影響懸浮物的光譜反射率。懸浮物含量較低時，吸收特性較強，隨著懸浮物含量增加，吸收特性減弱，水體的反射率增加。另一方面，水體懸浮物的散射特性是光受水體本身狀況影響而偏離傳播方向的性質。在懸浮顆粒多的水體中，光的衰減主要受散射影響。散射的強度是隨水體懸浮物顆粒濃度變化而變化的，懸浮物顆粒粒徑越小，散射系數越大，相應的反射率越大。

1.3 研究意義

水體監測是水污染防治內容之一。當前，傳統的水資源監測主要依靠人工、設置監測站等方法來獲取、計算、分析水體資源信息，但傳統的水資源監測也存在一些問題，包括：(1)無法直接獲取區域面上的信息；(2)由于監測站點的歸屬不同，一些地面監測地區不能實現數據共享；(3)監測站點不足，沒有完全覆蓋所有水源地，存在盲區。對于區域的整體水體來說，監測數據只能代表局部的監測，并不能取得大范圍水體水質監測情況，不能實時、高效、快捷的對水質進行監測和評價。

遙感技術的興起，在水體監測領域中彌補了傳統水體監測的缺點，使人們獲取的水體信息內容更加豐富，獲得的數據更加清晰，從而有助于人們及時的了解水域污染情況，清楚的反映環境污染現狀和分布情況，并對污染情況做出判斷，為國民經濟持續穩定發展提供動態的基礎數據和科學依據。

2 水體懸浮物含量遙感反演及研究現狀

2.1 經驗模型反演

經驗模型是一種將衛星遙感影像經ENVI、ArcGIS等專用軟件處理后得到的數據與實地水質監測數據建立相關性聯系的統計回歸模型。反演的具體過程是從衛星數據資源網站獲取特定水域實時監測圖像，由上述軟件對其進行輻射定標和大氣校正等預處理，將影像的無量綱DN值轉化為地物的反射率值，通過波段或波段組合的像元反射率與實測懸浮物數據的相關性分析，選取相關系數最大的波段或波段組合，將其反射率信息作為自變量，建立與因變量(懸浮物含量實測數據)之間的擬合方程模型，驗證模型精度并選擇精度最高的模型進行水體懸浮物含量反演。

經驗模型依賴水體的表觀光學性質，通過分析處理遙感影像數據來反推水體參數。該方法簡便易行，適用于絕大多數可獲取實際測量數據的水域。但其缺點在于需要同步的實際監測數據來構建模型，且模型的可移植性太差，在某一水體上建立的模型通常不能直接應用到其它水體，即使是同一水體，根據不同時令、季節的監測數據建立出來的模型也有所差異。另外對于懸浮泥沙濃度變化范圍很大的水體，直接利用經驗反演模型進行水質監測有時效果不太理想。為此一些研究者提出了不同的分段反演模型，按懸浮物含量的不同分別采用不同的分段演算法。

2.2 理論模型反演

理論模型的反演，是利用遙感反射率、輻射亮度等計算水體吸收系數與后向散射系數之間的比值,并與水中各組分特征吸收系數、后向散射系數相聯系，進而反演水質參數的一種遙感反演方法。在實際水質監測中，由于光在水體中的輻射傳輸過程復雜，理論模型對數據源的要求較高，獲取水體內部的光學參數很難。除了在某些特定條件下，一般反演精度并不能達到實際監測的要求，所以人們很少使用這種方法反演。

李云梅等在監測太湖懸浮物濃度一文中，將TM影像數據的無量綱DN值,轉化為反射率數據,將Gordon模型與水體組分相聯系，建立了太湖理論模型，并用實際測量的數據作驗證，發現模型精度在70%～80%之間，進而通過該模型的反演，繪制出太湖懸浮物濃度分布圖，開創了用TM 影像數據反演太湖水懸浮物濃度的理論模型。

2.3 半經驗半理論模型反演

半經驗半理論反演模型是綜合考慮光輻射傳輸的物理機制及水體各要素的吸收系數和散射系數等因素,考慮光在水體中輻射衰減特性，將理論反演模型與經驗反演模型相結合，按具體情況把水體固有光學特性進行簡化求解的一種反演模型。由于考慮了水體自身物理特性對反射率的影響，這一模型精度較高，應用范圍越來越廣泛。

3 總結與展望

本文通過對水體懸浮物組成、光學特性的介紹，指出遙感反演模型與光學性質之間的關系，闡述了水體懸浮物遙感反演原理及發展現狀，分類闡述各種模型對水體懸浮物反演過程。

基于實際情況的特殊性，不同的水質使用的遙感監測反演方法也不同，通過多角度分析，才能實現精確的水質監測。在今后研究中要增強高光譜技術在水質監測中的應用；深入研究不同水質參數的光學特性，擴大水質參數的遙感監測范圍，建立不同水質參數的數據庫；改進統計分析技術，多元遙感數據融合，提高水質監測的精度，多運用高分辨率遙感數據進行定量和定性分析。根據不同的反演模型，通過各種方法，逐漸完善水域水質監測數據庫，提高新型的水質監測傳感器精度以及復雜的數據分析處理技術等。

[1] 李葆權.黃河高揚程提水灌區滴灌系統水質凈化處理研究[J].節水灌溉,2014(9):27-29.

[2] 盧世軍.II類水體懸浮物遙感研究進展[J].現代計算機,2016(32):34-39.

[3] 周曉宇,孫德勇,李云梅,等.結合水體光學分類反演太湖總懸浮物濃度[J].環境科學,2013(07):2618-2627.

[4] 吳傳慶.環境一號衛星數據的水環境遙感應用[M].北京:中國環境出版社,2014:48-94.

[5] 朱 鶴.遙感技術在地表水源地水體監測中的應用研究[J].中國水利水電科學研學院,2013(16):72-73.

[6] 王 昉,王 巍,史 明,等.基于遙感的北京城區水體懸浮物濃度監測[J].水資源保護,2013(4):82-94.

[7] 王代堃,國巧真.地表水懸浮物濃度遙感反演研究[J].測繪科學,2016(5):1-10.

[8] 朱玉霞,張 杰,劉 銳,等.基于HJ-1衛星的丹江口庫區水質遙感監測研究[J].環境科技,2014(5):52-58.

[9] 喬曉景,何報寅,張 文,等.基于MODIS的長江中游河段懸浮泥沙濃度反演[J].長江流域資源與環境,2013(08):1090-1095.