遙感技術(shù)在內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用分析

薄福生++付曉飛++馬超

摘 要：現(xiàn)如今我國內(nèi)陸各地區(qū)水體污染問題嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的生產(chǎn)生活，因此水體水質(zhì)監(jiān)測就成為水質(zhì)評價與水污染防治的重要依據(jù)。鑒于此，該文提出了基于內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測的高科技遙感技術(shù)，它的監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低且非常適合長期動態(tài)監(jiān)測。文中主要闡述了它針對內(nèi)陸水體水質(zhì)中懸浮物濃度的遙感定量監(jiān)測技術(shù)過程。

關(guān)鍵詞：內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測 遙感技術(shù) 懸浮物濃度 定量監(jiān)測 回歸模型

中圖分類號：X87 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0124-02

一般來說，內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測都是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及水質(zhì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)際測量的，這其中還包括對遙感波水質(zhì)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)分析過程和實(shí)測過程。就目前技術(shù)發(fā)展形勢來看，比較常用的內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測方法就包括了經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法等分析方法，它們?yōu)樗|(zhì)參數(shù)構(gòu)建了合理的遙感估測模型，反演水體水質(zhì)中的實(shí)際參數(shù)濃度，可以確切反映水質(zhì)在時間與空間方面的分布與變化狀況，同時發(fā)現(xiàn)內(nèi)陸水體水質(zhì)中污染源及污染物的遷徙特征。

1 基于遙感光譜技術(shù)的水質(zhì)水體監(jiān)測原理

根據(jù)物理原理，透射到地球大氣層的太陽輻射會直接到達(dá)水氣界面，這其中一部分輻射被反射，一部分輻射則要折射到水體內(nèi)部，進(jìn)入水體內(nèi)部的這部分輻射還會根據(jù)多種分子選擇來進(jìn)行吸收與散射。以內(nèi)陸水體為例，影響其光譜反射率的物質(zhì)就包含3種：藻類等浮游植物、浮游植物死亡之后所產(chǎn)生的有機(jī)碎屑以及無機(jī)懸浮顆粒，它們被統(tǒng)稱為懸浮物。這些懸浮物都能選擇性吸收一定波長范圍的光，形成具有各自特征的吸收波譜，另外，它們也會對光實(shí)現(xiàn)散射從而改變光的照射方向，最終讓光折回水面，再透過水氣界面回到大氣層中，這一部分光譜就是可以利用遙測技術(shù)所監(jiān)測的部分。

就現(xiàn)有光譜遙感技術(shù)而言，它對水體水質(zhì)的監(jiān)測主要基于3種方法。這其中有基于輻射傳輸理論的物理監(jiān)測方法，它能夠?qū)λw中的光學(xué)活性物質(zhì)特征進(jìn)行辨別并通過水體組分濃度與特征吸收系數(shù)來實(shí)現(xiàn)多模型經(jīng)驗(yàn)關(guān)系構(gòu)建，但是這種算法對水質(zhì)參數(shù)計(jì)算精度不高；也有經(jīng)驗(yàn)方法，它可以伴隨多光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)水體水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，該方法在特定水域監(jiān)測中具有良效，但實(shí)際上它的水質(zhì)水體參數(shù)與遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)之間事實(shí)相關(guān)性無法得到有效保證，所以其算法常常會受到時間與空間特殊性影響而精度不高；還有半經(jīng)驗(yàn)方法，它主要基于高光譜遙感技術(shù)來對水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，利用非成像光譜儀與機(jī)載成像光譜儀來測量水質(zhì)參數(shù)以獲得其最佳波段組合，再利用相對應(yīng)數(shù)學(xué)方法構(gòu)建遙感數(shù)據(jù)體系與水質(zhì)參數(shù)之間的定量經(jīng)驗(yàn)算式。這種遙感監(jiān)測方法在近年來我國的內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測過程中十分常見，它能夠?qū)础⑺畮熘械乃|(zhì)參數(shù)進(jìn)行精確測量，尤其是針對水體水質(zhì)中懸浮物、葉綠素a、黃色物質(zhì)等的可見度、渾濁度監(jiān)測與評價非常到位，能夠?yàn)閮?nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測提供較高的監(jiān)測精度[1]。

2 基于遙感技術(shù)的內(nèi)陸水體水質(zhì)懸浮物監(jiān)測應(yīng)用分析

2.1 內(nèi)陸水體水質(zhì)中非藻類懸浮物的吸收特征與散射特征

2.1.1 吸收特征

內(nèi)陸水體水質(zhì)中通常含有大量的非藻類懸浮物，它其中就包括了浮游植物在死亡后而產(chǎn)生的有機(jī)碎屑、湖泊底部底泥通過再懸浮而產(chǎn)生的無機(jī)懸浮顆粒等。通過過往實(shí)踐來看，水體中有機(jī)碎屑吸收特征與水體溶解性有機(jī)物吸收特征非常相似，所以可以為它們構(gòu)建統(tǒng)一的指數(shù)模型來進(jìn)行計(jì)算，具體算法如下：

在上述指數(shù)模型中，為有機(jī)碎屑在波長位置的吸收系數(shù)；為參考波段值（一般選擇數(shù)值為440nm）；而則表示所參考波段的光吸收系數(shù)；為吸收系數(shù)曲線的指數(shù)斜率參數(shù)，在這里的數(shù)值與參考波段相對獨(dú)立，也同時要考慮它與地理位置、時間不同而造成的差異問題。從實(shí)際狀況來看，非藻類懸浮物與藻類懸浮物一樣，其色素對水體吸收特性影響顯著，因此在內(nèi)陸水體水質(zhì)進(jìn)行遙感監(jiān)測過程中需要加以注意。

2.1.2 散射特征

通常情況下，水體中懸浮物的散射系數(shù)應(yīng)該由浮游藻類及非藻類懸浮物顆粒散射系數(shù)的和所組成。客觀地講，藻類細(xì)胞的散射原理相當(dāng)復(fù)雜，這主要是因?yàn)樗募?xì)胞結(jié)構(gòu)中含有大量不同物質(zhì)，且其外觀呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，所以一般它對光的散射比吸收更強(qiáng)，經(jīng)研究表明，藻類散射系數(shù)相比其吸收系數(shù)高出5～25倍左右。相比藻類懸浮物，非藻類懸浮物則是內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測中所必須考慮的重要因子之一。如果用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)對內(nèi)陸水質(zhì)水體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測，可能會很難發(fā)現(xiàn)非藻類懸浮物的光學(xué)性質(zhì)，一般來說都要基于多光譜遙感數(shù)據(jù)分析和回歸模型來為其進(jìn)行理論數(shù)值計(jì)算，確定最終散射系數(shù)及懸浮物濃度[2]。

2.2 多光譜遙感技術(shù)數(shù)據(jù)分析與回歸模型的構(gòu)建

對內(nèi)陸水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測過程中，利用懸浮物濃度來對水體水質(zhì)進(jìn)行波譜曲線特征分析，同時配合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測懸浮物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就能為水體中懸浮物選擇最佳波段與波段組合，構(gòu)建懸浮物濃度模型。

首先要提取遙感數(shù)據(jù)，主要基于采樣點(diǎn)經(jīng)緯度信息來確定與地面實(shí)測數(shù)據(jù)相對應(yīng)的真實(shí)遙感數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)選取與模型構(gòu)建過程中也要考慮大氣糾正下水質(zhì)水體中懸浮物的水面反射率圖像數(shù)據(jù)，采用3×3尺寸的背景窗口來獲取采樣點(diǎn)并獲得對應(yīng)遙感數(shù)據(jù)。換言之，要在采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)過程中來計(jì)算水體反射率，確保其對應(yīng)3×3中心窗口，順利得出其中9個像元的平均值。

其次是對內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與最佳波段選取。（1）應(yīng)該對區(qū)域水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演算法，通過懸浮物模型的反演精度來選擇最佳遙感測量波段。該研究過程主要基于水體水質(zhì)懸浮物的光譜特征與實(shí)測水體波譜特征來展開分析。（2）要同時結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)與地面實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一統(tǒng)計(jì)歸納。（3）反演出內(nèi)陸水體水質(zhì)中懸浮物濃度的最佳波段組合。從遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果來看，根據(jù)可見光與近紅外波段范圍的不斷增大，可見懸浮物含量也在不斷增加，此時水體的反射率也會隨著懸浮物濃度的增加而增大，而反射峰位置則向長波方向逐漸移動。當(dāng)懸浮物濃度保持在0～60 mg/L這一范圍內(nèi)，其遙感監(jiān)測波該反射率與懸浮物濃度應(yīng)該呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。而在不同波段，由于懸浮物的飽和濃度不盡相同，其主要監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn)在段波段區(qū)域懸浮物飽和濃度較低，因此如果在內(nèi)陸水體水質(zhì)中懸浮物濃度較高時，應(yīng)該選擇具有長波范圍波段的回歸模型。經(jīng)過研究表明；在720 nm附近波段，水體水質(zhì)中懸浮物的波段反射率值與懸浮物濃度存在良好相關(guān)性；而720～920 nm波段范圍內(nèi)其水面反射率對懸浮物濃度的變化就相對敏感；而在920～1 000 nm位置由于受到水體的吸收作用，其水底亮度不會受到水體反射率的影響[3]。

總體來說，伴隨內(nèi)陸水體水質(zhì)中懸浮物濃度的不斷增加，懸浮物所引發(fā)的水體反射輻射也會達(dá)到一種飽和狀態(tài)。但考慮到在不同波段，懸浮物的飽和濃度也不盡相同，所以當(dāng)水體中懸浮物濃度過高時，其回歸模型就應(yīng)該基于長波范圍來重新確定波段，利用波段位置相對較寬的傳感器TM及MSS來同時監(jiān)測懸浮物濃度，將懸浮物算法本身所具備的時間與水域特殊性都考慮進(jìn)來，取得可接受范圍內(nèi)的最終精度結(jié)果。

3 結(jié)語

考慮到內(nèi)陸水體水質(zhì)組分相當(dāng)復(fù)雜，利用遙感監(jiān)測技術(shù)對水體中懸浮物濃度的監(jiān)測可能會受到其他水體組分、浮游生物、黃色物質(zhì)等外來影響，所以在未來的研究過程中還應(yīng)該設(shè)法進(jìn)一步提升懸浮物反演模型、回歸模型的計(jì)算精度與通用性，做到對內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測實(shí)用性的有效優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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