淺析遙感反演技術在水質參數監測方面的應用

孫李一楠

（哈爾濱師范大學 教師教育學院，黑龍江哈爾濱150025）

一、引言

水資源匱乏已成為一個全球面臨的難題，也成為制約經濟社會發展的一個瓶頸，甚至在很多國家連居民的基本生活用水都難以保證。因此，各國專家都在致力于水資源的開發、探索中，尤其是地下水資源的勘探及海水的水質監測、凈化方面。正是基于這種實際的需要，水質領域的研究者也在運用新的技術手段探索水質參數監測的方法。

研究者對地下水質及海水水質參數的研究，是為了滿足不同用戶對水質的要求。通過對地下水演變及成因進行分析、研究，可以找到解決水資源短缺的辦法，實現水資源的持續利用。遙感技術在水資源的勘探及水質檢測方面為工作者提供了技術支持及保障。當前，遙感反演技術在水質參數監測上的應用已經較為成熟，并為解決人類水資源匱乏作出了巨大貢獻，尤其是在深層地下水資源的勘探，海水水質參數的監測上。

二、傳統的水質監測技術

隨著工業的發展及人類生活、生產形成的廢水越來越多，只靠古老的、自然的水循環已難以解決水資源的污染問題。同時，再采用傳統的水質監測、水質采樣分析的方法，將無法滿足用戶對水質的需求。因為傳統的采樣分析方法，是在不同的河段進行采樣，然后將采樣放置在容器內靜置，并通過物理的、化學的方法分離、監測水質，分析水中所含有的各種成分，得出水質參數及指標。

這種監測方法會受到采樣點空間分布密度的限制，不能客觀、全面地反映需要監測的水域的真實情況。在監測的過程中耗費時間較長、成本也比較高、效率低下，有時得出的結果也不盡人意。隨著人們對水質要求的不斷提高及要求的多樣化，傳統的水質監測技術已略顯無能為力。科學技術的發展，為水質的監測提供了新的手段、方法，尤其是遙感技術在水質參數監測上的運用，為水質參數監測提供了更加高效的方法。

三、遙感反演技術的概述

當今各國已不在滿足于地球上的競爭、資源的爭奪，已將其擴展到了外太空。衛星的發射就是很好的證明。各國之所以搶先發射衛星，戰領宇宙空間，是因為通過衛星可以為人類返回很多地球表面的數據信息，而不僅僅是為了網絡通訊。比如通過衛星返回的圖片，人類可以對我們所生活的地球有一個更全面的了解。礦產資源的分布情況、地形地貌情況、水資源的分布情況等，還可以通過遙感反演技術更清楚、更高效、更準確地了解地球上某一流域水質參數，隨時監測水質參數，及時了解水質情況，并根據用戶需要為其提供水資源。

隨著遙感科學技術的不斷發展，水質研究者試圖將偏振作為遙感的另一維信息源加以利用。光的偏振在大氣與海洋系統中形成了豐富的數據信息。研究者可以根據水面反射光的偏振效應、反射光在布儒斯特角時的規律、水體散射介質對入射光的偏振狀態的改變等信息得出水體物質的組成。因此，偏振信息的遙感反演方法可以作為一種新的水質參數監測方法，這種基于遙感反演技術的水質監測方法，對水質領域的研究將具有劃時代的意義。

針對用水戶不同的需要，研究者對水質的監測往往也會采用不同的方法。常用的水質參數評價方法主要有：綜合指數法、模糊數學法、模糊綜合評價法、灰色聚類法、灰色關聯度法、人工神經網絡、遺傳算法、多元回歸模型、邏輯斯諦曲線模型、主成分分析法、集對分析法、投影尋蹤模型法、物元分析與可拓集合法等，雖然研究者為我們呈現了很多水質評價監測的方法，但是由于水環境的不確定性，在水質管理的實踐中，能夠廣泛應用的方法還是比較少的。利用遙感衛星，可以對水質的時空分布及變化情況進行定性甚至定量的監測。這種監測方法監測范圍廣、速度快、監測周期長、成本低，因此在我國已經將這一技術應用到長江、黃浦江、閩江等內陸水域的監測中，然而很多技術的使用仍然在探索、完善中。

四、遙感反演技術在水質監測上的應用原理

遙感反演技術其實利用的是不同物質反射光的波長不同的原理。水質遙感監測就是根據被污染水體所呈現的光譜特征與清潔水體的不同，并可根據呈現的光譜特征判斷污染物質。因為太陽光入射到物體的表面，經過物質的選擇性吸收與散射，形成不同的吸收光譜。水體的光譜敏感通道主要集中在0.35～0.90um之間。當水體被污染后，就會出現富營養化，水體中的浮游植物增多，浮游植物的葉綠素對近紅外波段具有明顯的“陡坡效應”，當葉綠素濃度不同時，在0.43～0.70um光譜波段會出現較明顯的差異，因此近紅外波段與紅光波段的比值可以用來估算水體中葉綠素的濃度變化。

對于水中含有的其他懸浮顆粒，同樣可以運用不同物質對太陽光吸收反射的光譜波段的不同，分析水質中所含有的物質的成分及數量，以便更好地掌握水質的參數，對水質進行實時監控。如果水中懸浮的泥沙增加，將會增加太陽光的反射率，并使光譜曲線的反射峰往長波方向移動，尤其是可見光波段中的紅光波段。

目前在內陸水體水質遙感監測中應用較廣泛的多光譜數據之一是運行時間長、應用廣泛的Landsat衛星。Landsat衛星成功運用近紅外波段與紅光波段的比值（TM4/TM3），提取了濃度為10～200mg/L的葉綠素（R2>0.92），同時這一比值還可以用來估算水體中葉綠素濃度的變化，可以運用三波段模型、兩波段模型、反射峰位置法、一階微分法等方法估算水質葉綠素a的濃度。如果缺乏衛星同步實測數據，則可以利用水體本身的遙感光譜信息建立水質參數遙感模型。

五、結束語

水資源的短缺及用水戶對水質參數提出的不同需求，促使水質監測部門改變傳統的分段采樣的水質參數監測方法，探索運用衛星遙感反演技術對地下水資源勘探及地表水水質參數的監測。隨著遙感反演技術的成熟，我國的水質分析與研究領域也正在蓬勃發展，各種利用衛星遙感反演技術建立的水質監測模型不斷出現，盡管現在已經形成了多種水質監測評價方法，但由于水環境是一個特殊的循環系統，具有很大的不確定性，目前能夠廣泛應用的模型還不多，且須要根據水質的實際情況不斷地修改、調整模型。為了能更準確地反映水資源的保有量、水質參數情況及為用水戶提供符合其需要的水質，水質研究者要樹立科學的態度，為水質參數有效的分析提供科學的監測數據，建立推進水質參數監測、分析的研究模型，促進水資源循環利用，解決水資源短缺問題。

［1］宋瑜，宋曉東等.基于定量遙感反演的內陸水體藻類監測［J］.光譜學與光譜分析，2010，（4）.

［2］李云亮，張運林，李俊生，等.不同方法估算太湖葉綠素a 濃度對比研究［J］.環境科學，2009，（3）.