地表水環境遙感監測關鍵技術與系統

摘要：本文主要是圍繞地表水環境遙感檢測展開討論，全面介紹了水環境檢測的關鍵技術和系統，建立改進雙峰法的水體分布遙感提取方法，并以具體地區為例進行分析，采用不同方法建立解析方法，從根本上提升反演方法的區域和積極適用性，希望能夠對相關人員起到參考性價值。

關鍵詞：地表水環境;遙感監測;關鍵技術;系統

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）02-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.089

Abstract：The research is mainly focused on the remote sensing detection of surface water environment，a comprehensive introduction to the key technologies and systems of water environmental detection，the establishment of an improved bimodal method for remote sensing extraction of water distribution，and the analysis of specific regions as examples.The analytical method fundamentally improves the area and positive applicability of the inversion method， hoping to be of reference value to relevant personnel.

Key words：Surface water environment;Remote sensing monitoring;Key technology;System

在我國社會經濟發展過程中，水體污染問題日益嚴重。國家高度重視中國水環境保護與治理工作，并且出臺了一系列政策法規。國務院所發布的水污染防治計劃，給出了詳細的治理時間。在治理水環境污染問題時，首先應當檢測污染問題，所采用的水質檢測方法主要包括水樣采集、送檢以及測量水質參數。傳統材料檢測方法對各類水質參數類別進行測量，精度比較高，然而此種方法只可以測量有限數據，并且間隔時間比較長，需要投入大量的人力物力，無法應用于大范圍檢測當中。隨著在線水質檢測技術的發展，通過檢測站，對水質參數數據進行測量，然而這種方法的不足在于成本投入比較大，或許需要進行檢修和維護，無法應用于大范圍檢測當中。相比于傳統檢測方法來說，衛星遙感能夠降低檢測成本，還能夠對大范圍內的流水體水質進行檢測，明確污染物的遷移規律和時空分布特點。以電磁波的波長，可以將衛星遙感分為微波遙感、紅外遙感以及光學遙感。由于地表水環境遙感檢測的技術難度比較大，所以需要針對各領域進行技術研發，實現水體水文的自動化檢測，建立水環境遙感檢測系統。

1 水體水文要素遙感檢測

1.1 自動化提取水體分布情況

水環境遙感檢測工作中，劃分水體分布地區屬于重要工作，能夠為后續水體污染治理提供便捷性。按照水體在短波紅外波段反射率比較低的特點，可以采用該波段建立水體特征光譜指數，通過閾值分割提取水體。閾值分割方法需要檢測人員明確最佳數值，由于不同觀測角度、大氣條件以及觀測條件存在差異性，導致閾值波動比較大，無法為不同水體明確合適的閾值。正是由于存在以上問題，所以需要提出改進方法，即分布自動化提取方法。此種方法能夠自動化提取水體分布情況，還能夠簡化算法復雜性，避免使用輔助性數據，能夠應用于序列大批量數據自動化提取當中。通過此種方法，對某水庫水體分布情況進行自動化提取，獲得水體分布頻率。通過分析得到的內容，能夠看出該水庫南側和北側的水體分布變化大，主要是由于該區域屬于濕地，在漲水之后會淹沒大范圍區域。此種方法的基礎在于水體指數，遙感數據可以對水體指數的波段進行計算，通過此種方法提取水體分布情況，不會受到空間分辨率的影響。

1.2 水體面積與水位測量

在湖泊水文分析中，面積和水位屬于基礎數據，主要采用時間觀測獲取數據，然而由于受到地理和經濟因素影響，導致多數觀測站無法獲得實際水位數據。隨著衛星技術的發展，提升了河流水位獲取的便捷性，并且產生衛星測高數據集。在水量平衡分析中，湖泊水量變化屬于重要參數。NASA所提供的陸地水儲量變化數據的空間分辨率比較低。此次研究主要是應用Landsat和MODIS數據，檢測青藏高原湖泊面積變化情況。結果能夠看出，該湖泊面積為擴張趨勢，綜合數據和遙感水文模型，可以對納木錯水量平衡過程進行模擬。按照模擬結果能夠看出，納木錯的水位上升5.82m。

2 典型湖庫水質參數遙感監測

2.1 葉綠素濃度監測

葉綠素濃度可以反映出水體中的藻類生物與浮游生物情況，也能夠對水體營養狀態進行評價。由于水體光學特點復雜，且會隨著季節和區域變化，同一個水體在不同季節的光學特性不同。當水體光學特性比較復雜時，無法建立模型反演水體組分濃度，特別是葉綠素的濃度。為了處理該問題，需要采用分類反演模型，針對不同類別的水體應用不同的反演算法，有助于提升反演模型的區域適用性，相應提升反演精度。然而由于水體應用不同的反演模型，從而造成邊界發生反演結果跳躍問題，不滿足水體空間分布漸變性特點。其次，水體種類不能對所有類型的水體進行覆蓋，且存在光學特性的差異性，對分類反演方法的應用造成一定限制影響。

為了處理以上問題，需要應用軟分類反演方法。此種方法是在先前分類基礎上開展，基于光學特性對水體進行分類，并且對水體的質心光譜進行計算，標注出最佳反演算法，以此獲取質心光譜的距離權重，權重會隨著距離的拉大而上升。通過對不同類型水體的反演算法進行優化，可以明顯提升反演的精度，還能夠避免邊界數值跳躍。

2.2 懸浮物濃度參數遙感檢測

懸浮物主要是固體狀態，且不溶于水的物質。在對地表水體質量進行評價時，懸浮物濃度屬于重要評價參數，能夠直接影響水體顏色和透明度等參數，還會對水體的初級生產力造成影響。對于水體懸浮物濃度的反演方法主要包括半解析法和經驗法。此次研究以某地區遭受嚴重污染的湖泊為例進行分析，獲取水體不同季節的光學特性參數，以此得出近紅外波段黃色物質、葉綠素和懸浮物的吸收系數約等于0的結論，通過變形推導生物光學模型，能夠獲得懸浮物濃度反演方法，此種方法是半解析法。在應用此種方法時，只需要將近紅外波段作為輸入參數，就能夠得到懸浮物的分布圖。

3 地表水環境遙感監測系統

通過遙感監測的方法和模型，設計研發水環境遙感監測系統，該系統包含四大子系統，包含水質參數反演、水體圖像處理、污染信息提取以及專題報告生成。其中，水質參數反演主要是通過預處理遙感圖像，對水質參數進行反演，包括營養狀態、懸浮物、黃色物質、濁度以及透明度等水質參數;圖像處理主要是處理覆蓋水體的遙感圖像，能夠實現云識別技術、輻射校正功能、面積測算功能以及大氣校正功能等;污染信息提取主要是對水體污染物分布類型進行提取，可提取的污染物包括油污、赤潮和綠潮等;專題報告主要是按照定義模板，對水體污染物以及水質參數進行圖表化統計，以此形成面向環境監測業務的報告。

水環境遙感監測系統能夠基于典型遙感數據源，提供業務員操作模式。此種模式是利用原始遙感數據，能夠自動形成水環境遙感監測報告，明顯提升水環境的遙感監測效率，實現衛星遙感技術的業務化應用。

4 結論與展望

本文基于水環境遙感監測的技術難點，注重分析和研究關鍵技術和應用，建立了水體自動化遙感提取方法，這樣能夠確保水體提取的高效化和精度化，可以應用到多數湖泊水庫水體提取中。通過應用長時序水量估算方法，建立典型湖泊的水位序列、面積序列以及水量序列，能夠深入分析時間與空間變化的內在規律。通過葉綠素濃度反演法，明顯提升了反演模型的季節適用性和區域適用性。通過對某湖泊葉綠素濃度時間序列進行反演，能夠建立高度水體懸浮物濃度反演方法，對湖泊懸浮物濃度進行反演，建立大范圍遙感監測方法，主要關于水體透明度和營養狀態的監測。通過水環境遙感監測的方法與模型，設計地表水環境遙感監測系統，明顯提升了水環境監測效率，還能夠實現衛星遙感技術的業務化應用。

在未來發展中，還應當不斷優化和完善地表水環境遙感監測工作。對于數據源來說，不僅需要應用衛星遙感，還應當應用船載、塔基以及無人機遙感數據，通過智能移動終端監測和分析水環境。對于水環境監測方法來說，可以深入分析學習技術應用到水環境遙感監測的可行性。對于水環境遙感監測系統的具體應用來說，還應當建立共享型遙感監測產品，實現衛星遙感技術的業務化應用。

參考文獻

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收稿日期：2019-12-14

作者簡介：劉君（1981-），女，漢族，本科學歷，中級工程師，研究方向為環境保護。