高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用前景分析

馮文

（湖南省第二測繪院湖南長沙410000）

高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用前景分析

馮文

（湖南省第二測繪院湖南長沙410000）

高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中具有重要應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)遙感監(jiān)測水質(zhì)機(jī)理對清水、藻類水體、懸浮泥沙類水體、石油類污水的光譜特征進(jìn)行了總結(jié)；分析了遙感監(jiān)測水質(zhì)常用的方法；對懸浮物、葉綠素-a、黃色物質(zhì)濃度高光譜監(jiān)測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)；指出建立不同水體的光譜特征庫、建立水體性質(zhì)指標(biāo)的多波段非線性模型是高光譜技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用中的重點(diǎn)研究方向。

高光譜遙感；遙感；水質(zhì)監(jiān)測；光譜特征

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化程度的加劇，水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，因此必須加強(qiáng)水質(zhì)的監(jiān)測和治理。傳統(tǒng)監(jiān)測方法（先采集水樣，然后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析）比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對水樣的選取、水質(zhì)的保存等要求較高，此外水樣采集和分析的數(shù)量有限，對于整個(gè)水體而言，這些測點(diǎn)數(shù)據(jù)只具有局部和典型的代表意義，難以獲取大范圍水域水質(zhì)參數(shù)的空間分布和變化規(guī)律，不能滿足對水質(zhì)實(shí)時(shí)、大尺度的監(jiān)測評價(jià)要求。多數(shù)據(jù)源、多水質(zhì)參數(shù)的定量遙感是當(dāng)前水質(zhì)遙感監(jiān)測發(fā)展的前沿。利用遙感技術(shù)監(jiān)測河流、湖泊等較大的水體可以提供大面積的水質(zhì)信息，具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，在相當(dāng)大的程度上彌補(bǔ)了常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測方法的不足，為環(huán)境監(jiān)測提供了一種卓有成效的新方法。而高光譜遙感以其光譜分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)、可以獲得多光譜傳感器無法獲得的精細(xì)的光譜信息，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)空間上光譜測量的特點(diǎn)[2]，在水質(zhì)監(jiān)測中逐漸顯示出巨大的優(yōu)勢。

2 幾種水體的光譜特征

通過遙感系統(tǒng)量測一定波長范圍的水體的輻射值得到水體的光譜特征是遙感監(jiān)測水體水質(zhì)的基礎(chǔ)。遙感獲取水質(zhì)參數(shù)的方法是通過分析水體吸收和散射太陽輻射能形成的光譜特征與水質(zhì)指標(biāo)濃度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。利用遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的主要機(jī)理是被污染水體具有獨(dú)特的有別于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現(xiàn)在其對特定波長的光的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠?yàn)檫b感器所捕獲并在遙感圖像中體現(xiàn)出來。

對水體來說，其光譜特征主要是由水本身的物質(zhì)組成決定，同時(shí)又受到各種水狀態(tài)的影響。

2.1 清水的光譜特征

清水的反射率在可見光波段范圍內(nèi)一般為4～5%，在600nm下降為2～3%，到750nm之后的紅外波段，水體成了全吸收體。

2.2 藻類水體光譜特征

浮游植物體內(nèi)的葉綠素對可見光和近紅外光波段具有特殊的“陡坡效應(yīng)”。在420～500nm范圍內(nèi)，葉綠素-a在藍(lán)紫光波段有一個(gè)比較平坦的吸收峰，水體的反射率較低，可能是葉綠素、類胡蘿卜素以及溶解性有機(jī)物的吸收造成的；510～620nm附近的反射峰是由于葉綠素和胡蘿卜素弱吸收和懸浮物的散射作用形成的，該范圍內(nèi)反射峰值與色素組成有關(guān)，可以作為葉綠素定量標(biāo)志；670nm附近是葉綠素-a的又一吸收峰，當(dāng)藻類密度較高時(shí)，水體光譜反射率曲線在該處出現(xiàn)谷值；710nm附近反射峰的出現(xiàn)是含藻類水體最顯著的光譜特征，其峰值是葉綠素-a濃度的指示，其存在與否可以作為判斷水體是否含有葉綠素的依據(jù)，出現(xiàn)的表面原因是由于水和葉綠素-a的吸收系數(shù)之和在該處達(dá)到最小，根本原因應(yīng)歸因于葉綠素的熒光效應(yīng)，但熒光峰位置變化不能用于葉綠素-a的定量反演。

2.3 含石油類污水的光譜特征

目前海上油輪事故、含油污水排放、石油生產(chǎn)活動(dòng)給水環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。含石油類水體光譜特征的研究愈顯重要。黃妙芬等的研究表明含石油類污水的黃色物質(zhì)和色素的吸收系數(shù)大于非石油類水體，其光譜曲線與非色素顆粒物、黃色物質(zhì)都遵循e指數(shù)衰減但指數(shù)斜率明顯不同；陸應(yīng)誠等認(rèn)為1150～2500nm波段可用來探測較薄油膜的存在與否，400～1150nm可以用來定量探測較薄油膜厚度，550nm、645nm為較薄油膜探測與評估的高光譜遙感最佳選擇波段。

3 幾種主要水質(zhì)參數(shù)濃度的高光譜定量監(jiān)測

針對水體遙感監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)，研究較多和相對比較成熟的是懸浮物、葉綠素-a和黃色物質(zhì)。其它指標(biāo)如溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、透明度（SD）等也開展了研究。

3.1 懸浮物濃度的高光譜定量監(jiān)測

內(nèi)陸水體中懸浮物濃度是最先被遙感估測的水質(zhì)參數(shù)，懸浮物主要是指水中呈固體狀的不溶解物質(zhì)，如水中的各類礦物微粒，含鋁、鐵、硅水合氧化物等無機(jī)物質(zhì)，及腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機(jī)大分子物質(zhì)。

3.2 葉綠素-a濃度的高光譜定量監(jiān)測

監(jiān)測葉綠素濃度是利用波段和波段組合的反射率與實(shí)地監(jiān)測水質(zhì)建立統(tǒng)計(jì)模型。計(jì)算葉綠素-a濃度的最佳波段的選取依賴于其濃度。葉綠素-a濃度的遙感監(jiān)測研究已經(jīng)比較成熟。

3.3 黃色物質(zhì)濃度的高光譜定量監(jiān)測

國外對黃色物質(zhì)（CDOM）的遙感監(jiān)測始于20世紀(jì)90年代在海洋水體中進(jìn)行的。探測CDOM的屬性能演繹海水中碳的含量，其濃度變化可以作為海水污染程度的指示劑。CDOM對紫外光有很強(qiáng)的吸收能力，而在紅外光譜波段幾乎為零。

3.4 其它指標(biāo)的高光譜定量監(jiān)測

水體透明度是一項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)，它反映了水顏色和渾濁度的綜合影響；水中溶解氧的含量直接反映水體受污染的程度，其含量與水生生物的生存也有重要意義。國內(nèi)學(xué)者對這兩者的監(jiān)測也較多。童小華等人建立了黃浦江上游水域透明度的線性模型和溶解氧的對數(shù)模型；段宏濤等人建立了適合于查干湖水域的單波段透明度反演模型。這些指標(biāo)主要建立了單波段的線性模型。

4 高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用研究展望

基于遙感技術(shù)的水體水質(zhì)監(jiān)測顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，高分辨率、多光譜遙感數(shù)據(jù)將成為主要的遙感信息流，為高光譜遙感水質(zhì)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保證。基于高光譜遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)集中研究以下方面：

（1）利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演，對其上百的寬度為10nm左右的連續(xù)波段與主要水質(zhì)參數(shù)的光譜響應(yīng)特性進(jìn)行研究，建立不同水體的光譜特征庫。

（2）利用高光譜數(shù)據(jù)和中、低分辨率多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)遙感定量監(jiān)測機(jī)理研究，研究同時(shí)含有多種水質(zhì)參數(shù)的水體的光譜特征，尋找各影響因素的相關(guān)關(guān)系，消除水質(zhì)組分間的相互干擾，選擇合適的算法建立不受時(shí)間和地域限制的水質(zhì)參數(shù)反演模型。

（3）確定水質(zhì)參數(shù)診斷性波譜及波段組合，構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)遙感模型和反演的核心技術(shù)，提高水質(zhì)監(jiān)測精度。

（4）利用高光譜數(shù)據(jù)加強(qiáng)水中其它指標(biāo)的定量監(jiān)測，建立其它指標(biāo)的多波段及波段組合的非線性反演模型。

[1]童小華，謝歡，等.黃浦江上游水域的多光譜遙感水質(zhì)監(jiān)測與反演模型[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，31（10）：851～854.

[2]侯鵬，楊鋒杰，等.遙感技術(shù)在南四湖水質(zhì)監(jiān)測方面的應(yīng)用研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，22（3）：252～255.

[3]杜嘉，張柏，等.松花湖水體葉綠素a含量與反射光譜特征關(guān)系初探[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010，25（1）：50～56.

[4]段洪濤，馬榮華，等.高葉綠素水體熒光峰位置變化響應(yīng)關(guān)系研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（1）：161～164.

[5]張蕓，張鷹，王晶晶.懸浮泥沙反射光譜反射率與質(zhì)量濃度、粒徑的相關(guān)關(guān)系[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2008，26（3）：340～345.

X832

A

1004-7344（2016）28-0202-02

2016-8-5

馮文（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事工程測繪、大地測量、數(shù)據(jù)建庫工作。