基于遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的赤峰老哈河水系水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

其力格爾

（赤峰水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

水環(huán)境屬于水文循環(huán)的重要組成部分，是評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵依據(jù)，能夠?yàn)樗Y源的高效管理提供有力支持[1]。在人類活動與氣候條件等多重因素影響下，水系水環(huán)境受到較為明顯的擾動，不同水系的水環(huán)境特征及變化規(guī)律都存在一定差異[2]。要采取科學(xué)的監(jiān)測方法，對水系水環(huán)境的物質(zhì)組分、污染物濃度以及時(shí)空差異等做出合理監(jiān)測，了解該區(qū)域水環(huán)境的狀況和評價(jià)水系水質(zhì)情況，進(jìn)而獲取水環(huán)境所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律[3]。根據(jù)水環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)的動態(tài)變化確定水體污染情況，制定與水環(huán)境實(shí)際情況契合度較高的治理方案，優(yōu)化水資源，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的水系水環(huán)境監(jiān)測方法仍然不夠成熟完善，主要問題在于整體監(jiān)測周期較長，流程復(fù)雜，需要消耗大量的人力與物力資源，整體成本較高，且監(jiān)測范圍有限，不能較好地實(shí)現(xiàn)水環(huán)境全覆蓋、連續(xù)監(jiān)測的目標(biāo)。遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)能夠解決上述問題，包含的內(nèi)容較多，例如高空間、高光譜以及高時(shí)間分辨率等各項(xiàng)遙感數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析處理的能力較強(qiáng)，能夠?yàn)樗h(huán)境監(jiān)測提供相對精確的數(shù)據(jù)支持。基于此，本文在傳統(tǒng)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，以赤峰老哈河為例，引入遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)理念，提出了一種全新的水環(huán)境監(jiān)測方法，并對其應(yīng)用效果做出了全面分析。

1 水環(huán)境監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)

在水環(huán)境監(jiān)測中，合理的監(jiān)測指標(biāo)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對整體監(jiān)測結(jié)果具有直接影響，因此，本文首先按照水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與不同水體的特征，對水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)之前，需要明確設(shè)計(jì)原則，包括科學(xué)性、代表性、全面性與可操作性4 個設(shè)計(jì)原則[5]。

1）科學(xué)性原則。在設(shè)計(jì)監(jiān)測指標(biāo)中，賦予指標(biāo)科學(xué)內(nèi)涵，使其能夠以客觀的角度，準(zhǔn)確反映真實(shí)的水環(huán)境狀況。

2）代表性原則。設(shè)計(jì)的監(jiān)測指標(biāo)必須具備代表性，通過少量指標(biāo)，全方位、多維度反映水環(huán)境狀況，減少監(jiān)測中消耗的時(shí)間與成本，簡化監(jiān)測流程。

3）全面性原則。設(shè)計(jì)的指標(biāo)能夠全面地反映水環(huán)境的狀況，擴(kuò)大指標(biāo)監(jiān)測覆蓋范圍[6]。

4）可操作性原則。按照水系所在地區(qū)現(xiàn)有的條件配置，設(shè)計(jì)客觀的監(jiān)測指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與水系匹配度較高的、且具有全面覆蓋性的監(jiān)測指標(biāo)，如表1所示。

表1 水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)

如表1 所示，為本文設(shè)計(jì)的水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，包括5 種不同的類型指標(biāo)，各種類型指標(biāo)之間存在較大差異，能夠綜合描述反映水環(huán)境現(xiàn)狀及動態(tài)變化，為后續(xù)高精度監(jiān)測提供基礎(chǔ)保障[7]。

1.2 建立水環(huán)境懸浮泥沙遙感監(jiān)測模型

基于上述水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)設(shè)計(jì)完畢后，全面反映了水環(huán)境的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，建立水環(huán)境懸浮泥沙遙感監(jiān)測模型，直接反映水環(huán)境當(dāng)前質(zhì)量及質(zhì)量的動態(tài)變化[8]。懸浮泥沙含量屬于水環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)，本文建立的遙感監(jiān)測模型中，需要綜合考慮水系的水文環(huán)境條件，結(jié)合表1 中多種不同類型監(jiān)測指標(biāo)，避免對監(jiān)測模型的運(yùn)行產(chǎn)生干擾影響。對遙感器接收到的水環(huán)境總輻射亮度進(jìn)行計(jì)算，得出懸浮泥沙物質(zhì)在反射與散射作用下的變化情況，計(jì)算公式為：

式中 L（l）——水環(huán)境總輻射亮度；

l——水環(huán)境輻射波長；

d——水環(huán)境大氣透過率；

Lα——水體表面散射光；

Lr——大氣散射光；

Lc——水中光。

通過計(jì)算，得出懸浮泥沙物質(zhì)在反射與散射作用下的變化，在此基礎(chǔ)上，建立懸浮泥沙遙感監(jiān)測模型，監(jiān)測模型表達(dá)式為：

式中 R——懸浮泥沙遙感監(jiān)測模型；

n——監(jiān)測模型中的線性待定系數(shù)；

p——懸浮泥沙干重；

G——水環(huán)境中懸浮泥沙濃度。

通過模型表達(dá)式，獲取水環(huán)境中懸浮泥沙濃度與遙感反射率之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，進(jìn)而得出懸浮泥沙濃度對水體特性產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測水環(huán)境懸浮泥沙的目標(biāo)。

1.3 基于遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的水體遙感識別監(jiān)測

在上述水環(huán)境懸浮泥沙遙感監(jiān)測模型建立完畢后，根據(jù)懸浮泥沙的濃度變化，得出水環(huán)境的質(zhì)量狀況。接下來，利用遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)，對水體進(jìn)行遙感識別監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境全面高精度監(jiān)測的目標(biāo)。

基于遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的水體遙感識別監(jiān)測流程見圖1。

圖1 基于遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的水體遙感識別監(jiān)測流程

如圖1 所示，提取水環(huán)境異常區(qū)域特征，利用遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)，對異常區(qū)域光譜等效進(jìn)行分析處理，遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)處理表達(dá)式為：

式中 Rq——遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)衛(wèi)星波段測定的水環(huán)境異常區(qū)域光譜等效反射率；

R（l）——實(shí)測水環(huán)境高光譜遙感反射率；

fw（l）——高分遙感數(shù)據(jù)衛(wèi)星對應(yīng)的光譜響應(yīng)函數(shù)；

F0（l）——大氣層外太陽輻射度。

其中，fw（l）、F0（l）需要通過衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站下載。通過該表達(dá)式，完成水環(huán)境異常區(qū)域光譜等效處理。在此基礎(chǔ)上，基于DEM 數(shù)字高程模型，獲取水系周邊植被覆蓋度、坡度信息以及水體樣本輸入，建立水環(huán)境解譯標(biāo)志，確定水體污染類型與水質(zhì)污染等級[9]。結(jié)合水環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果、異常區(qū)域光譜等效結(jié)果，通過監(jiān)督分類與人機(jī)交互修正方法，獲取水體識別結(jié)果并對識別結(jié)果作出分析，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測的目標(biāo)。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 研究區(qū)概況

赤峰市老哈河發(fā)源于河北省平泉市，是赤峰市與通遼市的界河，其河長約452 km，其中內(nèi)蒙古境內(nèi)388.3 km，河北省境內(nèi)63.7 km。老哈河干流上建有紅山水庫，其總庫容為25.6 億m3，屬大型水庫。老哈河流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫（3.5～7）℃，流域地貌自上游而下依次為高山、中低山、丘陵和平原，河流兩岸地貌多為海拔（800～1 500）m 的山地，土壤呈輕度侵蝕狀態(tài)，其他相關(guān)概況說明見表2。

表2 赤峰老哈河水系概況說明

如表2 所示，為赤峰老哈河水系相關(guān)概況說明。基于赤峰市水環(huán)境功能區(qū)劃分依據(jù)，將赤峰老哈河水環(huán)境功能區(qū)劃分為5 個部分。老哈河源頭至太平地河段長35 km，水質(zhì)現(xiàn)屬于四級；太平地至蓮花山河段長20.4 km，水質(zhì)現(xiàn)屬于三級；紅山水庫河段長20.5 km，水質(zhì)屬于二級；水庫出口至巴新鐵路橋河段長17.7 km，水質(zhì)屬于四級；巴新鐵路橋河段長38 km，水質(zhì)屬于四級。在掌握研究區(qū)概況后，按照本文上述提出的水系水環(huán)境監(jiān)測流程，對赤峰老哈河水系水環(huán)境進(jìn)行全方位的監(jiān)測，進(jìn)而檢測該方法的可行性與監(jiān)測效果。

2.2 應(yīng)用效果分析

綜合考慮各項(xiàng)水系水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)后，本文選取赤峰老哈河水系總硬度監(jiān)測準(zhǔn)確率作為此次監(jiān)測成果評價(jià)指標(biāo)，水系總硬度計(jì)算公式為：

式中 Q——赤峰老哈河水系總硬度監(jiān)測結(jié)果；

V1——滴定時(shí)消耗的乙二胺四乙酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)；

N——鈣離子原子量濃度；

V——赤峰老哈河水系水環(huán)境水樣的體積毫升數(shù)。

通過計(jì)算，得出水系總硬度，進(jìn)而推導(dǎo)出水系總硬度監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率。為了使監(jiān)測效果更加直觀，將本文上述提出的監(jiān)測方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]提出的監(jiān)測方法設(shè)置為對照組A 與對照組B，進(jìn)行對比分析。利用MATLAB 模擬分析軟件[矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱]，分別測定不同渾濁模式下，赤峰老哈河水系總硬度，并計(jì)算監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率，繪制如圖2所示的評價(jià)指標(biāo)對比圖。

圖2 水系總硬度監(jiān)測準(zhǔn)確率對比結(jié)果

圖2 中，01 表示水環(huán)境極渾濁模式；02 表示水環(huán)境高渾濁模式；03 表示水環(huán)境中渾濁模式；04 表示水環(huán)境低渾濁模式；05 表示水環(huán)境清澈模式；06 表示水環(huán)境海冰模式。通過圖2 的對比結(jié)果不難看出，三種方法獲取到的水系硬度監(jiān)測準(zhǔn)確率存在較大差異。其中，運(yùn)用本文提出的基于遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的監(jiān)測方法后，在渾濁程度不同的模式下，其水系總硬度監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確率明顯高于另外兩種方法，均在97%以上，能夠更加精準(zhǔn)地監(jiān)測到赤峰老哈河水系水環(huán)境的指標(biāo)變化，為后續(xù)開展水環(huán)境治理工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié) 語

綜上所述，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)水系水環(huán)境監(jiān)測方法流程復(fù)雜、監(jiān)測結(jié)果精度較低、監(jiān)測范圍有限的缺陷，本文引入遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)，以赤峰老哈河為例，提出了一種全新的水系水環(huán)境監(jiān)測方法。該監(jiān)測方法有效地提高了水系水環(huán)境監(jiān)測的精度，充分發(fā)揮了遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)的效用，獲取到老哈河水環(huán)境特征的動態(tài)變化規(guī)律與水體特征。此監(jiān)測方法打破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的局限性，擴(kuò)大了監(jiān)測范圍，覆蓋性較強(qiáng)，具有較為重要的研究價(jià)值。