遙感技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境管理中的應(yīng)用分析

楊林華

（廣東景源環(huán)保有限公司，廣東 佛山 528200）

1 遙感技術(shù)基本概述

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和管理工作涉及面比較廣，是一個動態(tài)、長期、大規(guī)模的工作，其管理工作有很多種，比如地方生態(tài)環(huán)境保護(hù)部門自查，或是上級生態(tài)環(huán)境主管部門檢查以及社會監(jiān)督。環(huán)境管理部門如果繼續(xù)采用常規(guī)的實地考察方法，不僅工作量大且時間短，很難獲得相關(guān)資料，還要花費巨資進(jìn)行升級，尤其在邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于地域和裝備等原因，很難進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，其中遙感技術(shù)在環(huán)境生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用范圍在逐漸擴大。遙感技術(shù)的工作原理是借助改變目標(biāo)的反射和輻射波探測與識別待測物體，準(zhǔn)確獲取一些地球表面地理空間數(shù)據(jù)信息的一種技術(shù)。遙感技術(shù)是基于現(xiàn)代物理學(xué)、空間學(xué)、地理科學(xué)以及計算機等多種技術(shù)共同發(fā)展的一項技術(shù)，實用性與探測性能較高，在人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射后，為遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)[2]。在當(dāng)前現(xiàn)代化遙感技術(shù)中已經(jīng)涉及到對物體數(shù)據(jù)信息的獲取、傳輸保存及處理等多個環(huán)節(jié)，通過利用遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確對圖像進(jìn)行定量和定性分析，準(zhǔn)確掌握待測物體的實際情況，具有動態(tài)、宏觀等綜合性特點，可以幫助工作人員快速準(zhǔn)確了解地理環(huán)境信息，因此在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮出顯著的作用。

2 常用的遙感技術(shù)

2.1 紅外遙感技術(shù)

紅外遙感技術(shù)主要是指僅限于使用紅外波的遙感監(jiān)測技術(shù)，一般適用范圍為0.77～1 000 μm。水生態(tài)環(huán)境管理通過充分利用紅外遙感技術(shù)，可以對水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測，且監(jiān)測內(nèi)容呈多樣化，例如包括水色、水溫、水質(zhì)或者水華，所以其可以為管理人員提供多樣化水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。同時，因為遙感技術(shù)在應(yīng)用期間對于各種不同水質(zhì)表現(xiàn)出較高敏感性，所以借助紅外遙感技術(shù)，可以及時掌握水體污染和多光譜反射率的關(guān)系，以達(dá)到水污染遙感反演的目的[3]。另外，紅外遙感技術(shù)可以發(fā)揮出多光譜信息和高分辨率特點，所以充分應(yīng)用可見光與近紅外波段的特點，可以科學(xué)地反演水環(huán)境污染的分布變化情況，從而能夠加強對水污染分布的監(jiān)測，有助于管理人員更加準(zhǔn)確地掌握相關(guān)信息。由此可見，光遙感技術(shù)作為一種常用的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，主要是利用各區(qū)域物體光譜反射率的差異原理，對目標(biāo)物進(jìn)行合理地識別和查詢。可見光和反射紅外技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，并且在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測過程中，合理配合傳感器多個譜段信息源的復(fù)合，可以改善圖像處理技術(shù)以及信息提取方法，從而增強污染物的識別功能。

2.2 微波遙感技術(shù)

微波遙感技術(shù)主要是指波長范圍在1 mm～10 000 m的一種遙感技術(shù)，在應(yīng)用過程中，通過微波傳感器科學(xué)地判讀已識別的物質(zhì)，得到相應(yīng)的電磁輻射信息。因為水體和陸地表現(xiàn)出的電磁輻射特征存在顯著差異，利用該技術(shù)可正確識別水體，并快速了解海岸線或區(qū)域洪水分布變化的情況，實現(xiàn)科學(xué)管理。

2.3 無人機遙感技術(shù)

雖然目前地球上的觀測衛(wèi)星數(shù)量越來越多，但是在空間分辨率和可用性方面，衛(wèi)星傳感器的分辨率和可用性相對較低，導(dǎo)致在實際監(jiān)測環(huán)境變化的過程中無法準(zhǔn)確管理數(shù)據(jù)信息[4]。但是在使用衛(wèi)星傳感器時，如果能夠在極短時間內(nèi)返回周期，需要消耗較大的成本。與傳統(tǒng)衛(wèi)星傳感器相比，無人機能夠在低空飛行，因此可以避免天氣、云層等因素的影響，從而能更快、更準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)的圖像信息。簡單來說，無人機遙感技術(shù)可以應(yīng)用于各種水質(zhì)、空氣以及突發(fā)事件的管理過程。無人機遙感技術(shù)不僅能夠有效獲取遙感數(shù)據(jù)，而且對于一些難以采集的區(qū)域，如水體、土壤等，也能實現(xiàn)有效地采集和監(jiān)測。

2.4 地基遙感技術(shù)

地基遙感主要是指在地面、低塔或者高塔等位置安裝傳感器，對地面有效探測的一項技術(shù)，因為該技術(shù)具有明顯的便攜性，監(jiān)測效率與準(zhǔn)確度較高，所以在環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。

2.5 高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)主要是獲取較為狹窄光譜連續(xù)圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)，在水環(huán)境檢測應(yīng)用上可以發(fā)揮重要優(yōu)勢[5]。與傳統(tǒng)遙感技術(shù)對比，高光譜遙感技術(shù)具備連續(xù)光譜的特征，可以全面展示監(jiān)測目標(biāo)各個細(xì)節(jié)的變化，以獲取準(zhǔn)確信息。

3 遙感技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境管理中的應(yīng)用研究

因為藍(lán)藻水華和常規(guī)水體的光譜特征表現(xiàn)出顯著差別，當(dāng)水華達(dá)到700 nm后，光譜自身就會呈現(xiàn)出明顯的“陡坡效應(yīng)”，該效應(yīng)的具體表現(xiàn)是遙感監(jiān)測光譜的變化特征。通常水華富集程度表現(xiàn)越高，所對應(yīng)光譜的峰值也會逐漸增高，陡坡效應(yīng)表現(xiàn)得就越加明顯[6]。正常水體處在近紅外波段時，因為不包含藍(lán)藻水華，所以遙感光譜反射率相對較低，無法表現(xiàn)出陡坡效應(yīng)，但能夠把陡坡效應(yīng)的表現(xiàn)情況，作為判斷水環(huán)境污染的依據(jù)。遙感技術(shù)應(yīng)用在藍(lán)藻水華管理監(jiān)測時，主要是對水華分布位置和面積進(jìn)行監(jiān)測，水華分布一般會占據(jù)大部分水湖泊面積，所以其分布面積的具體程度，可以從一定程度上反映出水華污染程度，借助地面實測技術(shù)，可以監(jiān)測并掌握藍(lán)藻細(xì)胞的密度，從而分析和了解水華的具體污染程度。在上述基礎(chǔ)上，利用歸一化植被指數(shù)，可以分析并了解藍(lán)藻水華的生長狀態(tài)與實際覆蓋程度。因此，在實際應(yīng)用過程中，只要兼?zhèn)浼t波段數(shù)據(jù)和近紅外波段數(shù)據(jù)，就可以對藍(lán)藻水華進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)測。以太湖水域藍(lán)藻水華發(fā)生情況為例，從圖1的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻水華頻次分布情況與藍(lán)藻水華強度情況均能夠清晰顯示，所以能夠做到對重點污染區(qū)域的重點管理。

圖1 太湖藍(lán)藻水華污染示意圖

當(dāng)河流、湖泊等水質(zhì)遭到一定污染后，其所具有的物理特性、化學(xué)特性與生物特性均會發(fā)生一定變化。通常情況下，各類污染物在電磁波上均表現(xiàn)出不同的吸收或反射特性，個別化合物對于某類特定波長電磁波的影響，還能夠形成特征熒光。因此，通過對水體中特定電磁波的吸收和反射進(jìn)行檢測，再由計算機和光電儀器進(jìn)行有效處理，就能大致了解水的污染程度和范圍。遙感水污染監(jiān)測主要是利用水物質(zhì)在光波和電磁波中的反射特性，并結(jié)合物質(zhì)自身的熱輻射特性，對水體中的物質(zhì)和化合物進(jìn)行監(jiān)測[7]。對于化學(xué)污染物，可采用熒光特性探測方法對污水中的一些懸浮物進(jìn)行實時檢測。另外，利用紅外遙感技術(shù)可以合理地測量水溫、繪制水體等溫線圖，而且利用紫外攝影技術(shù)可以勘查地表油膜，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以有效追蹤油膜的移動方向。

4 多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用研究

城市黑臭水作為水生態(tài)環(huán)境管理的一項重要內(nèi)容，在對城市黑臭水監(jiān)測過程中，因為城市建筑物較多，使黑臭水分布呈現(xiàn)出復(fù)雜性與多樣化，如果使用傳統(tǒng)遙感技術(shù)進(jìn)行管理，難以取得理想效果。例如可見光遙感技術(shù)，在應(yīng)用時只可以通過“紅、綠、藍(lán)”三個波段，所以在監(jiān)測植被、水體、黑臭水污染程度時，難以收集準(zhǔn)確信息，無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且難以有效監(jiān)測城市河道的指標(biāo)[8]。而衛(wèi)星遙感技術(shù)實時性較差，精準(zhǔn)性較低，如果單獨使用該技術(shù)無法實現(xiàn)對個別細(xì)小河流的準(zhǔn)確監(jiān)測，特別是黑臭水漂浮物、具體分布情況等，均難以得到有效監(jiān)測與管理。為了能夠有效彌補傳統(tǒng)遙感技術(shù)應(yīng)用的不足，近幾年逐漸采用多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合無人機遙感技術(shù)監(jiān)測的管理方案，實現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的有效管理與監(jiān)測。具體應(yīng)用如下：首先，多光譜遙感技術(shù)主要是通過具有多個波譜通道的傳感器對監(jiān)測物成像的一種先進(jìn)技術(shù)，由于可以應(yīng)用多波段攝影機與掃描儀等設(shè)備完成成像，所以可以獲取更加豐富的信息，且可以促使遙感信息逐漸精細(xì)化，獲取良好的成像效果。在此基礎(chǔ)上，再配合無人機技術(shù)，可以使遙感監(jiān)測具備更高的靈活性，且聯(lián)合方案可以同時開拓5～6個通道，能夠解決傳統(tǒng)遙感監(jiān)測技術(shù)獲取可見光信息量少的問題，并且獲取數(shù)據(jù)的靈活性與準(zhǔn)確性更高，可以清晰地顯示監(jiān)測水環(huán)境各個流域的生態(tài)污染情況，有助于管理人員對生態(tài)環(huán)境的管理[9]。

以某座城市黑臭水河流為例，針對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，應(yīng)用無人機與多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合監(jiān)測管理，實際作業(yè)長度12 km，設(shè)備選擇經(jīng)緯M210四旋翼無人機，在無人機上裝置MS600Pro6通道多光譜相機。在實際監(jiān)測管理中，首先應(yīng)該獲取河道的各項數(shù)據(jù)，并操作無人機完成遙感攝影作業(yè)，做好影像輻射定標(biāo)工作，可通過攝影進(jìn)一步分析其中的DN值，以確定地物真實反應(yīng)率。此次飛行工作時間一共是130 m，因為在多光譜攝像作業(yè)期間，外界光線變化可能會對作業(yè)造成影響，所以選擇攝像時間應(yīng)從早上10點到下午三點[10]。當(dāng)所有數(shù)據(jù)獲取工作完成后，借助Yusense Map與專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將分析結(jié)果繪成圖并制作出報告，如此一來可以快速減輕數(shù)據(jù)處理工作量，實現(xiàn)了水生態(tài)環(huán)境的有效管理。

5 遙感技術(shù)在水環(huán)境檢測過程中的實際應(yīng)用案例分析

5.1 遙感技術(shù)在水體渾濁度檢測中的應(yīng)用分析

從表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)技術(shù)檢測水體混濁度時，波段為800±100 nm時檢測效果最佳。當(dāng)混濁度為0度時，測量結(jié)果的價值不大。在實際檢測中需要調(diào)整固定的波段，保證能獲取水體的具體圖像信息，最終準(zhǔn)確掌握圖像中出現(xiàn)波峰區(qū)域的水體渾濁度。20世紀(jì)中期就已經(jīng)出現(xiàn)了水體渾濁度的檢測，是使用非常傳統(tǒng)的樣本分析法進(jìn)行測量，測量范圍非常復(fù)雜，檢測結(jié)果所需的時間也較長。而遙感技術(shù)應(yīng)用于水體渾濁度檢測是根據(jù)物體自身的光譜反射特征獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)，一般是根據(jù)光譜影像的差異進(jìn)行判斷和分析。有學(xué)者認(rèn)為，水體中懸浮物質(zhì)的多少直接影響光譜的衰減系數(shù)，極易穿透的波段從0.50 μm向紅色區(qū)域逐漸移動。總之，水體渾濁度較高會導(dǎo)致入射光散射中的深度變淺，最終提高了相應(yīng)的反射率，更容易獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)信息。

表1 水體渾濁度及散射率之間的關(guān)系

5.2 遙感技術(shù)在水體熱污染檢測中的應(yīng)用分析

企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中，經(jīng)常會向水體排放廢熱或在日常生活中排放廢熱導(dǎo)致環(huán)境污染，影響整個水體的環(huán)境質(zhì)量。對水體中熱污染的監(jiān)測主要是監(jiān)測水體中各種污染物質(zhì)的種類、數(shù)目，再對水體進(jìn)行全面分析，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息繪制成特定的曲線，從而能夠更加形象地表達(dá)出各種污染物質(zhì)及其具體數(shù)量。在此過程中，也有專家提出溫度分析法，但是該種方法與遙感技術(shù)方法存在較大差別，在檢測水體熱污染物時，不能準(zhǔn)確辨別污染元素。污染物種類不同會對水體熱污染造成影響，使水體自身的熱污染產(chǎn)生一些差別，一般會增加水體中的污染物數(shù)量，因而利用遙感技術(shù)所生成曲線的變化就更復(fù)雜。如果污染物的種類單一但是數(shù)目較多，曲線會呈現(xiàn)出特異性，水體熱污染的等級與整個遙感技術(shù)曲線的關(guān)系見圖2，熱污染級別與曲線的變化關(guān)系見表2。總之，在當(dāng)前檢測水體熱污染過程中，通過應(yīng)用遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確反映污染物等級，并根據(jù)數(shù)據(jù)所形成的遙感曲線，進(jìn)一步準(zhǔn)確地確定具體污染元素的種類、數(shù)量及水體的實際情況，遙感曲線特異性的誤差僅控制在2%以內(nèi)，而當(dāng)前誤差可以控制在≤1%的范圍，進(jìn)一步保證了遙感技術(shù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表2 熱污染等級與曲線變化的關(guān)系

5.3 高光譜技術(shù)用于探測水體深度的具體分析

根據(jù)相關(guān)實驗得出，當(dāng)波長處于350～1 150 nm時水體的深度會逐漸增加，同時光譜反射率會下降。如果波長超過上述范圍時，反射率會迅速下降，但是波長如果在368～1 831 nm范圍內(nèi)，水體的深度與反射率之間存在指數(shù)關(guān)系，水體深度測量結(jié)果的誤差一般小于1 cm。如果水體深度超過10 cm之后，水體的反射率會逐漸下降，導(dǎo)致測量結(jié)果可靠性降低。為了進(jìn)一步保證使用高光譜技術(shù)探測水體深度結(jié)果的準(zhǔn)確性，對波長在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)圖進(jìn)行了分析（如圖2），可以看出指數(shù)的具體數(shù)值與實際測量結(jié)果之間的誤差僅為0.29 cm，因此，可以通過波長在433 dnm及周邊光譜進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確獲取相應(yīng)的水體深度數(shù)據(jù)。此外，相關(guān)工作人員可以根據(jù)水深度等數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確了解水體深度達(dá)到一定程度時所含有的污染物，為后期制定水體污染防治措施提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 波長在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)語

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，尤其是水生態(tài)環(huán)境問題，所以水生態(tài)環(huán)境管理已經(jīng)成為國家高度重視的一項工作。在水生態(tài)管理過程中，遙感技術(shù)能夠發(fā)揮出重要作用，所以管理部門應(yīng)正確了解并掌握遙感技術(shù)，并合理應(yīng)用，通過配合實際案例，確保遙感技術(shù)在水環(huán)境管理中發(fā)揮其最大優(yōu)勢，進(jìn)一步提高水生態(tài)環(huán)境管理效果，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。