關(guān)于遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究

楊 燕

（山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 臨沂 276000）

內(nèi)陸水體水質(zhì)的遙感監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)判斷測(cè)量的。例如對(duì)遙感波水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和實(shí)地實(shí)測(cè)。以當(dāng)前的科技發(fā)展情況來(lái)看，遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的常用方法主要包括模型監(jiān)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)法和半經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)法。這些方法可以為構(gòu)建出科學(xué)有效的估測(cè)模型[1]。

1 遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)理

透射到地球大氣層的太陽(yáng)輻射會(huì)直接到達(dá)水氣界面，其中一部分光譜會(huì)通過(guò)水面被重新反射到空氣中，另一部分光譜則會(huì)發(fā)生折射進(jìn)入水體內(nèi)部，而進(jìn)入水體內(nèi)部的這部分光譜有一部分會(huì)被吸收，剩下一部分發(fā)生散射現(xiàn)象（如圖1 所示）。因此，監(jiān)測(cè)人員可以根據(jù)光譜進(jìn)入水體后發(fā)生的折射或者散射量，對(duì)水體的質(zhì)量以及組成成分進(jìn)行分析。這些植物、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物都能吸收特定范圍波長(zhǎng)的光譜，另外它們還能讓攝入水體的光發(fā)生散射現(xiàn)象，從而影響光的照射方向，使一部分光折回水面重新射入大氣層中，這部分光譜就能夠成功利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

圖1 遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)理示意圖

模型監(jiān)測(cè)方法主要以輻射傳輸理論為基礎(chǔ)，能夠?qū)λw中的光學(xué)活性物質(zhì)特征進(jìn)行辨別，最后根據(jù)水體組分的濃度與特征吸收系數(shù)對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。但是這種監(jiān)測(cè)方法的主要缺點(diǎn)就是監(jiān)測(cè)精確度不高，監(jiān)測(cè)成本相對(duì)較大。而經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法可以隨著多光譜遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用來(lái)對(duì)水體水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這種監(jiān)測(cè)方法對(duì)于某一特定區(qū)域的水體來(lái)說(shuō)具有較好的監(jiān)測(cè)效果，這種監(jiān)測(cè)方法的不足是水體水質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)與遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的事實(shí)相關(guān)性無(wú)法得到保證，因此這種檢測(cè)方法也存在精確度不高的問(wèn)題。半經(jīng)驗(yàn)法主要是基于高光譜遙感技術(shù)來(lái)對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用特定的儀器來(lái)測(cè)量水質(zhì)參數(shù)以獲得其最佳波段組合，并利用一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方法總結(jié)出遙感數(shù)據(jù)體系與水質(zhì)參數(shù)之間的定量經(jīng)驗(yàn)算式[2]。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)中遙感指標(biāo)及遙感數(shù)據(jù)分析

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的遙感指標(biāo)分析

水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作中監(jiān)測(cè)指標(biāo)項(xiàng)目種類(lèi)繁多，按照指標(biāo)用途的不同主要可以分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)。其中物理指標(biāo)主要指的是水體的溫度、顏色、氣味、透明度、導(dǎo)電率以及水中的固體雜質(zhì)含量等。化學(xué)指標(biāo)主要指的是水體的一般性化學(xué)指標(biāo)（例如水體的pH 值、水體的酸堿度、水體中陰陽(yáng)離子含量和水體中的有機(jī)物含量）、有毒性化學(xué)指標(biāo)（例如水中重金屬含量、水中氰化物含量、水中農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的含量等）、營(yíng)養(yǎng)元素指標(biāo)（例如水中氨氮含量、可溶性磷含量以及硅的含量等）。生物指標(biāo)則指的是水體中含有的活性生物及細(xì)菌總數(shù)，包括各種病原細(xì)菌、大腸桿菌以及各種微生物病毒等。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的遙感數(shù)據(jù)分析

2.2.1 常規(guī)遙感數(shù)據(jù)分析

對(duì)于常規(guī)遙感波段來(lái)說(shuō)，其長(zhǎng)度通常在100 nm 以上，且波譜呈現(xiàn)非連續(xù)狀態(tài)，無(wú)法全部覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光至紅外光光譜范圍（400 nm ～2 400 nm），這種常規(guī)性的遙感器大多數(shù)都以衛(wèi)星平臺(tái)為搭建載體。在實(shí)際應(yīng)用中，常見(jiàn)的常規(guī)遙感數(shù)據(jù)包括美國(guó)Landsat 衛(wèi)星的MSS/TM/ETM 數(shù)據(jù)，印度的IRS-1 數(shù)據(jù)和法國(guó)SPOT 衛(wèi)星的HRV 數(shù)據(jù)等，其中美國(guó)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)無(wú)論是從時(shí)間分布、空間分布還是從數(shù)據(jù)獲取程度上來(lái)說(shuō)，都是最適合我國(guó)進(jìn)行內(nèi)陸水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。同時(shí)這種遙感數(shù)據(jù)也存在一定的局限性，它的監(jiān)測(cè)分辨率較低，無(wú)法精確地為監(jiān)測(cè)工作提供信息，因此，常規(guī)遙感數(shù)據(jù)通常只適用于在特定時(shí)間對(duì)特定水域進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2 高光譜遙感數(shù)據(jù)

高光譜遙感數(shù)據(jù)的主要特征是波段多、分辨率高，這樣在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)能夠?qū)鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)方式中的圖像與高光譜信息融合起來(lái)，一方面能夠獲得某一地區(qū)地表空間圖像，另一方面還能獲得該地區(qū)地物的連續(xù)光譜信息。這樣能夠在一定程度上解決遙感定量分析中光譜分辨率不足的問(wèn)題，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供更準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)來(lái)源。

3 遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的常用方法

遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的常用方法（如圖2 所示）。主要可以分為以下4 個(gè)步驟。1）尋找并確定待監(jiān)測(cè)水域，對(duì)水體進(jìn)行水樣采集并進(jìn)行遙感影像獲取準(zhǔn)備工作。2）根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，對(duì)取樣水體進(jìn)行參數(shù)化驗(yàn)。3）對(duì)遙感影響數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，選擇適當(dāng)?shù)姆囱莶ǘ螖?shù)據(jù)組合。4） 根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，并生成反演圖。最后根據(jù)結(jié)果對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行分析和總結(jié)并撰寫(xiě)水體監(jiān)測(cè)報(bào)告。

圖2 遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)常用方法示意圖

3.1 模型分析法

光輻射在射入水體表面后，水中含有的懸浮物、化學(xué)物質(zhì)以及微生物會(huì)對(duì)光譜的折射和散射造成一定的影響，研究人員可以利用遙感影響技術(shù)對(duì)水中光束吸收量、折射量以及散射量進(jìn)行收集和分析，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型，從而獲得水質(zhì)參數(shù)信息。水質(zhì)遙感模型分析法于1975 年被首次提出，經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展已經(jīng)成功建立出一套水體反射率的分析模型，為遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 經(jīng)驗(yàn)分析法

將遙感數(shù)據(jù)與地面的水質(zhì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)回歸模型，反演出整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，監(jiān)測(cè)人員曾以某湖泊為監(jiān)測(cè)研究區(qū)域，分別于春季和夏季對(duì)水體進(jìn)行采樣，檢測(cè)懸浮物的濃度，結(jié)合二期FY-3A/MERSI 衛(wèi)星遙感影像構(gòu)建出了湖中總懸浮物的遙感反演模型。同時(shí)借助地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與高分1 號(hào)遙感影響數(shù)據(jù)，構(gòu)建出了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而分析水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)分析法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速的建立起遙感影像與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的模型關(guān)系，快速取得反演結(jié)果。但是其存在的缺點(diǎn)也不可忽視，例如對(duì)不同地區(qū)和不同季節(jié)的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系缺乏一定的理論基礎(chǔ)，無(wú)法建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 半經(jīng)驗(yàn)分析法

在考慮水體中雜質(zhì)的光學(xué)特性時(shí)，結(jié)合實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)情況進(jìn)行分析和估測(cè)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，監(jiān)測(cè)人員對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理，將一階微分值與Landsat 遙感影像中的紅綠波段相結(jié)合，建立了水域中水體中氧含量的反演模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體氧含量的監(jiān)測(cè)。另外，結(jié)合GOCI 遙感影影像與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了水中葉綠素的濃度估算模型。半經(jīng)驗(yàn)分析法不但考慮了數(shù)據(jù)模型統(tǒng)計(jì)特征還兼顧了水體中物質(zhì)的光學(xué)特征，能夠根據(jù)不同區(qū)域和不同季節(jié)對(duì)建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚虼耍虢?jīng)驗(yàn)分析法是當(dāng)前監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)最常用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法。

4 遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

由于遙感監(jiān)測(cè)精度主要受到遙感波段的影響，因此，可以利用星載高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演，進(jìn)而提升水質(zhì)監(jiān)測(cè)的精度。改進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，充分挖掘水體信息，提高遙感定量監(jiān)測(cè)精度，綜合利用3S 技術(shù)，建立水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)而更好地推動(dòng)我國(guó)水體安全體系的發(fā)展。