高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究

楊淼　羅天志

摘要：高光譜遙感技術(shù)利用特殊的高光譜分辨率，實現(xiàn)對于水體樣本中的污染程度和泥沙含量的有效識別，從而高效、準(zhǔn)確地監(jiān)測水環(huán)境的狀態(tài)。經(jīng)過長期的實驗研究證明，高光譜的圖像數(shù)據(jù)能夠直接反映水體的狀態(tài)和特征，其中包括葉綠素的富集程度、懸浮物的含量和基本構(gòu)成以及水體的深度等等。根據(jù)水體內(nèi)不同物質(zhì)吸收和反射的波長不同，利用高光譜能夠清晰地判斷水體當(dāng)中的物質(zhì)及其含量，這在環(huán)境監(jiān)測工作中起到了決定性作用。本文從分析高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用入手，具體研究其在水環(huán)境監(jiān)測工作中發(fā)揮的作用，并通過部分實例分析高光譜遙感技術(shù)的實際應(yīng)用方法和實踐效果，從而促進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用研究；水環(huán)境監(jiān)測；高光譜遙感技術(shù)；綠色發(fā)展

伴隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，人們在物質(zhì)生活質(zhì)量持續(xù)提高的同時，也逐漸開始關(guān)心自然環(huán)境的污染問題。在過去長期的以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主的生產(chǎn)模式下，我國的自然環(huán)境遭到嚴(yán)重的、不可逆轉(zhuǎn)的破壞，其中水環(huán)境的破壞問題最為嚴(yán)重。如今全球氣候變暖日漸嚴(yán)重，干旱現(xiàn)象頻發(fā)，使得人們意識到環(huán)境保護(hù)和綠色發(fā)展的重要性。在水環(huán)境的治理和防護(hù)過程中，水環(huán)境的監(jiān)測是最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一，只有保證水環(huán)境監(jiān)測工作及時、準(zhǔn)確，才能夠有針對性地設(shè)計水污染治理方案。高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，使得水環(huán)境監(jiān)測工作的工作效率和工作質(zhì)量都得到了大幅度的提升，因此想要更深入地完善水環(huán)境監(jiān)測工作體系，就必須重視起高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用[1]。

1? ? 高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的應(yīng)用分析

遙感技術(shù)本身能夠?qū)崿F(xiàn)高效的環(huán)境變化檢測，高光譜數(shù)據(jù)則以其數(shù)據(jù)精度的優(yōu)越性，大大地提升了監(jiān)測精度。當(dāng)前高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用主要在水環(huán)境、大氣、生態(tài)和地質(zhì)四個部分。對于大氣污染的污染源分布、污染源周圍的擴(kuò)散條件、監(jiān)測熱污染源，以及污染擴(kuò)散能夠影響的范圍等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和調(diào)查，都能夠通過高光譜遙感技術(shù)直接實現(xiàn)，比如把遙感儀器設(shè)置到衛(wèi)星上，就能夠通過衛(wèi)星成像清楚地看到地球上處于紅外波段的焚燒點(diǎn)，從而對全國的焚燒點(diǎn)進(jìn)行實時監(jiān)測。與此同時，高光譜遙感技術(shù)憑借其能夠分辨納米級的光譜分辨率，被廣泛應(yīng)用到生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域，進(jìn)行植被指數(shù)的提取、植被識別、生物量估算以及葉面指數(shù)計算等研究。除此之外，在地質(zhì)行業(yè)，人們還可以利用高光譜遙感技術(shù)，獲取礦物以及巖石的反射和吸收等等數(shù)據(jù)，從而辨別巖石礦物的種類，并且對檢測地的實際地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘探。

2? ? 高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的實際應(yīng)用

2.1 水環(huán)境監(jiān)測中利用高光譜遙感技術(shù)的基本原理

在水環(huán)境的評估和監(jiān)測工作當(dāng)中，水體中的油類物質(zhì)、溶解性有機(jī)物和不同類型的藻類等，都是對水環(huán)境情況進(jìn)行評估的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)。根據(jù)不同種類物質(zhì)吸收的波長以及其光譜特征的不同，利用高光譜遙感技術(shù)，可以有效地測得不同的物質(zhì)類型及含量。比如，葉綠素a、藻青蛋白、藻類以及黃色物質(zhì)，分別會吸收675 nm、625 nm、550～600 nm，以及450～500 nm的波長，從而引起水體反射波譜的不同呈現(xiàn)效果。由于不同的水環(huán)境中所含有的物質(zhì)成分不同，因此在抽樣檢測時會產(chǎn)生不同的色段和色譜變化。根據(jù)這一基本特性，就可以利用高光譜遙感技術(shù)，收集水環(huán)境的相關(guān)光譜數(shù)據(jù)，從而分析出水環(huán)境的整體特征。由于被污染的水環(huán)境具有相對特殊的光譜數(shù)據(jù)，因此在分析時能夠根據(jù)這一特殊性判斷水環(huán)境是否被污染[2]。

對于水環(huán)境的監(jiān)測工作而言，高光譜遙感技術(shù)能夠有效測得水體的污染情況，因為水體中不同污染物質(zhì)及其含量，通常與某些特定波長的反射率有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此高光譜能夠較為直觀且全面地反映出水體當(dāng)中的污染物成分。但是水體中的物質(zhì)與單一波長的相關(guān)反射率卻較差，污染物與波長之間的關(guān)聯(lián)效果，也取決于水體的污染程度和污染物的主要性質(zhì)。因此在利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測時，需要盡可能用多組不同波長進(jìn)行檢測，根據(jù)高光譜呈現(xiàn)的效果不同，分析水體的主要污染物類型以及整體的污染程度。雖然目前部分應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)測量出的水環(huán)境數(shù)據(jù)的正確性還有待進(jìn)一步證實，但是高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用效果不容忽視。

2.2 高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)檢測儀器

高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，主要通過成像光譜儀和非成像光譜儀獲取高光譜的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行統(tǒng)一的研究分析。

成像光譜儀也被稱為高光譜成像儀，是將數(shù)據(jù)影像與光譜的測量相結(jié)合，實現(xiàn)光譜測量和圖像繪制同步進(jìn)行的智能設(shè)備。成像光譜儀有三種基本的使用方式：首先，是能夠搭載在衛(wèi)星當(dāng)中實現(xiàn)實時監(jiān)控；其次，是能夠利用小型飛機(jī)的搭載進(jìn)行靈活的監(jiān)測；最后，則是可以將成像光譜儀放到地面上進(jìn)行固定監(jiān)測。這三種不同的使用方式都被廣泛應(yīng)用到了水環(huán)境監(jiān)測的工作過程中，在實際的水環(huán)境監(jiān)測工作開展時，往往需要根據(jù)實際的經(jīng)費(fèi)預(yù)算、觀測需求以及水環(huán)境面積，對成像光譜儀進(jìn)行搭配組合應(yīng)用，從而達(dá)到監(jiān)測效果。

非成像光譜儀當(dāng)中，應(yīng)用范圍最廣的是野外光譜儀以及便攜式超光譜儀兩種設(shè)備。非成像光譜儀的主要特點(diǎn)是通過圖形的形式對高光譜的反射率進(jìn)行記錄，而不是利用影像進(jìn)行記錄。非成像光譜儀在應(yīng)用過程中主要負(fù)責(zé)在野外環(huán)境中，測量并記錄水體的光譜反射曲線。與此同時，非成像光譜儀還能夠輔助成像光譜儀的工作，當(dāng)需要利用機(jī)載成像光譜儀進(jìn)行作業(yè)時，非成像光譜儀可以擔(dān)任校準(zhǔn)工作，從而保證測量工作的精確度和有效性。

3? ? 高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在水環(huán)境監(jiān)測工作的開展過程中，通常利用高光譜遙感技術(shù)，對需要探測地區(qū)的水環(huán)境光譜特征進(jìn)行統(tǒng)一的檢測和繪制。之后對譜面數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析：根據(jù)水體整體的光譜特征，分析該地區(qū)水環(huán)境的主要污染類型；根據(jù)水體對于不同組別的光譜反射率變化趨勢，分析計算水環(huán)境當(dāng)中的泥沙含量最佳波段和可行性；分析水體的波譜數(shù)據(jù)，評估水體實際的污染程度；輔助判斷水體深度是否存在勘測的可行性。在根據(jù)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，回歸分析和預(yù)測分析是應(yīng)用范圍最廣，也是最為直接的分析方法[3]。

在當(dāng)前階段高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用過程當(dāng)中，掃描式的光譜圖像不僅可以展示水環(huán)境當(dāng)中各種物質(zhì)及含量，還能夠清晰、直接地反映水環(huán)境中的水體深度、葉綠素富集程度以及懸浮物含量等水體特征。正常海水和赤潮水體在光譜圖像方面的反射率特征和光譜趨勢等之間有著較大的差異。而且，不同優(yōu)勢藻類的赤潮水體，彼此之間的光譜特性往往也不同。因此利用高光譜遙感技術(shù)，不僅能夠?qū)σ话愕乃h(huán)境進(jìn)行分析，還能夠在赤潮研究方面進(jìn)行應(yīng)用。

高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)中的實際應(yīng)用，可以通過如下幾個實例進(jìn)行展現(xiàn)：

第一是在2002年，對蘆河流經(jīng)陜西省靖邊縣城區(qū)河段進(jìn)行高光譜測試和野外調(diào)查，測試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過對測量結(jié)果的分析，能夠得出不同區(qū)域的水體污染程度。同時經(jīng)過野外調(diào)查結(jié)果得出，污染程度越高的河段，其色彩更加趨向于淺灰綠色。

第二是對于我國的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，目前我國較為大型、技術(shù)比較成熟的水環(huán)境監(jiān)測站，已經(jīng)開始全面使用成像光譜儀，對赤潮水體以及河口污染等海水環(huán)境污染問題進(jìn)行全面的監(jiān)測，同時建立了對應(yīng)的應(yīng)用板塊。還有部分研究人員利用高光譜遙感技術(shù)，以太湖等地區(qū)的水環(huán)境為例，進(jìn)行動態(tài)跟蹤和水環(huán)境的實時監(jiān)測。研究人員使用成像光譜儀的航空成像獲得了大量的水環(huán)境實時數(shù)據(jù)，同時結(jié)合實驗地區(qū)的衛(wèi)星資料，獲得了關(guān)于滇池和太湖等地區(qū)的大量可靠的水環(huán)境研究資料，并且通過對水體的實際污染濃度與水面反射率之間關(guān)系研究，得到測量水環(huán)境中葉綠素a濃度，以及測量懸浮物類型的最佳光譜通道[4]。

4? ? 結(jié)語

總而言之，在開展水環(huán)境監(jiān)測工作時利用高光譜遙感技術(shù)，不僅加快了測定工作的效率，還有效保證了水環(huán)境監(jiān)測工作的精確性。目前我國已經(jīng)有越來越多的研究人員，參與到了高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測方面的實際應(yīng)用研究當(dāng)中，現(xiàn)階段高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)取得了較為良好的應(yīng)用效果，在水環(huán)境監(jiān)測方面應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成為必然的趨勢。在未來更加深入的發(fā)展過程中，高光譜遙感技術(shù)會更為廣泛地應(yīng)用到水環(huán)境的監(jiān)測和治理工作當(dāng)中，甚至還會在拓展水質(zhì)監(jiān)測的模型空間，以及挖掘新型的遙感數(shù)據(jù)等方面發(fā)揮更大的作用。在科學(xué)技術(shù)不斷深入發(fā)展的信息時代，高光譜遙感技術(shù)必然會向著更加智能、準(zhǔn)確的方向發(fā)展，我國的環(huán)境監(jiān)測工作也會變得更加高效。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮天時，龐治國，江威，等.高光譜遙感技術(shù)及其水利應(yīng)用進(jìn)展[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2021，23（9）：1646-1661.

[2] 王東豪.高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測內(nèi)陸水體氮磷中的應(yīng)用[J].山西建筑，2019，45（2）：167-169.

[3] 趙少華，張峰，王橋，等.高光譜遙感技術(shù)在國家環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，33（12）：3343-3348.

[4] 孟慶慶.水環(huán)境監(jiān)測中遙感技術(shù)的應(yīng)用探討[J].環(huán)境與發(fā)展，2020，32（7）：79，81.