基于遙感技術(shù)的地表水水質(zhì)檢測方法分析

李燕萍

(青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 810000)

在遙感系統(tǒng)影像中，地表水水體經(jīng)常處于一種“低灰階區(qū)域”，導(dǎo)致整體像元亮度始終處于偏低的狀態(tài)，這無疑降低了亮度變化范圍，導(dǎo)致亮度變化主要集中于黑色、灰色兩種顏色。另外，水體內(nèi)部所包含的信息種類較少，不利于地表水水質(zhì)調(diào)重工作的有效開展。但是，在某些特定的情況下，地表水水體顏色通常會出現(xiàn)比較明顯的變化，如結(jié)冰、污染。所以，通過綜合運用遙感檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)對地表水水質(zhì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化檢測和管理，從而進一步提高地表水水體質(zhì)量。因此，在遙感技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地檢測地表水水質(zhì)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 地表水水質(zhì)遙感檢測相關(guān)技術(shù)

1.1 水質(zhì)遙感檢測相關(guān)儀器與設(shè)備

本次檢測中，所用到的水質(zhì)遙感檢測儀器：UPW-T700N多參數(shù)水質(zhì)測定儀，深圳市昌鴻科技有限公司；TE-5100G連續(xù)流動水質(zhì)分析儀，北京吉天儀器有限公司；LB-8000K水質(zhì)采樣器，青島路博建業(yè)環(huán)保有限公司。

1.2 水質(zhì)遙感檢測原理

地物不同，所具有的光譜特性也存在一定的差異。這是由于地表水水體在實際檢測期間，經(jīng)常表現(xiàn)出一定的光吸收特性和光散熱特性，造成當(dāng)?shù)乇硭w含有的組分不同時，通常會表現(xiàn) 出一定的光譜特征；同時，還利用遙感技術(shù)，并借助衛(wèi)星傳感器，對地表水、水質(zhì)進行科學(xué)化檢測。將波段設(shè)置為400～900 nm，利用所接收 的輻亮度值，對地表水水體各組分濃度進行反演處理，從而獲得如圖1所示的衛(wèi)星傳感器接收信號示意圖。

圖1 衛(wèi)星傳感器接收信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of receiving signal by satellite sensor

從圖1可以看出，通過利用衛(wèi)星傳感器，所獲得的輔亮度主要由3個部分組成：(1)當(dāng)大氣散射結(jié)束后，需要借助傳感器，對太陽輻射進行全面化接收；(2)當(dāng)水表面反射結(jié)束 后，需要利用傳感器，對太陽輻射情況進行全面地分析和接收；(3)當(dāng)?shù)乇硭?水體 經(jīng)過散射處理后，需要借助傳感器，對太陽輻射進行科學(xué)化輻射處理，并將最終的處理結(jié)果設(shè)置為對應(yīng)的離水輻亮度。離水輻亮度內(nèi)包含大量的光譜信息，因此，離水輻亮度的出現(xiàn)和應(yīng)用可以直接反饋處理水質(zhì)參數(shù)濃度，從而保證最終遙感檢測結(jié)果的精確性和真實性。最后，還要根據(jù)衛(wèi)星傳感器的實際接收情況，利用水質(zhì)參數(shù)濃度和離水輻亮度兩種參數(shù)，構(gòu)建出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，便于后期技術(shù)人員 更好地利用遙感技術(shù) ，檢測水質(zhì)參數(shù)濃度。

1.3 水質(zhì)遙感檢測指標(biāo)

地表水水質(zhì)通常表現(xiàn)出較強的綜合特性，可以將水和水中其他物質(zhì)特點進行有效地反映。地表水水質(zhì)在實際檢測期間，主要利用所設(shè)置好的水質(zhì)指標(biāo)進行檢測。隨著水體各組分光譜應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，地表水水質(zhì)遙感檢測逐漸從定性化檢測轉(zhuǎn)變?yōu)槎炕瘷z測；同時，還要利用遙感技術(shù)，對葉綠素a濃度、水溫和總懸浮物濃度等參數(shù)進行全面化檢測和整理，為后期水質(zhì)遙感檢測指標(biāo)重點統(tǒng)計和分析打下堅實的基礎(chǔ)。

1.4 水質(zhì)遙感檢測數(shù)據(jù)

多光譜遙感數(shù)據(jù)波段有限，光譜分辨率低，基于多光譜數(shù)據(jù)源水質(zhì)遙感監(jiān)測多采用經(jīng)驗方法，時空移植性較差。隨著對水質(zhì)參數(shù)光譜特征的研究的深入，如何利用多光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建具有時空移植性的水質(zhì)參數(shù)反演模型越來越受到重視。

2 地表水水質(zhì)檢測方法運用

在全面結(jié)合地表水水質(zhì)遙感檢測相關(guān)方法、模型、體系的基礎(chǔ)上，調(diào)查和了解以下3種信息：(1)水質(zhì)參數(shù)。水質(zhì)參數(shù)主要是指通過采用反演預(yù)處理的方式，全面地獲取和整理遙感圖像內(nèi)部相關(guān)各種水質(zhì)參數(shù)；(2)污染狀況。污染狀況主要是指通過對污染信息進行全面化提取，從而提取出相應(yīng)的水體污染物的分布情況；(3)水體狀況。水體狀況主要是指通過采用報告生產(chǎn)的方式，將水質(zhì)參數(shù)信息以及水體污染相關(guān)信息形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，從而構(gòu)建出相應(yīng)的專題報告，便于后期水質(zhì)檢測業(yè)務(wù)的有效開展。在遙感技術(shù)的應(yīng)用背景下，為了確保本文所提出的地表水水質(zhì)檢測方法能夠更好地運用于地表水水質(zhì)檢測領(lǐng)域中，技術(shù)人員要嚴格按照如圖2所示的地表水水質(zhì)檢測流程，保證其檢測結(jié)果的精確性，為后期水質(zhì)治理工作的開展提供重要的依據(jù)和參考。

圖2 地表水水質(zhì)檢測流程Fig. 2 Surface water quality testing process

2.1 水體分布提取

水體分布提取作為地表水水質(zhì)遙感監(jiān)測工作的首要環(huán)節(jié)，一旦落實不到位，將會直接影響水體污染區(qū)域界限劃分結(jié)果。因此，為了實現(xiàn)對水體污染區(qū)域界限的科學(xué)劃分，需要在充分結(jié)合水體特征的基礎(chǔ)上， 根據(jù)如圖3所示的歸一化反射率曲線，精確地計算出以下2個參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。這2個參數(shù)分別是遙感反射率和葉綠素a濃度，并確定出最佳波段；然后，對該區(qū)域所對應(yīng)的波段進行科學(xué)化、規(guī)范化分析，從而獲得水體特征指數(shù)模型。

圖3 歸一化反射率曲線Fig. 3 Normalized reflectance curve

利用該指數(shù)模型，對以下3種指數(shù)進行獲取，分別是 歸一化水體指數(shù)、自動化水體指數(shù)、詭異化植被指數(shù)。同時，還要采用閾值分割的方式 ，對地表水 水體信息進行全面獲取和分析。此外，還要在綜合考慮外部大氣、氣候、觀測角度、下墊面性質(zhì)等相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，精確地統(tǒng)計和整理最佳閾值變化范圍以及圖像閾值。此外，通過綜合利用計算機自動技術(shù)，對水體分布情況進行全面地分析和提取；但是，由于這些水體分布信息具有一定的復(fù)雜度，導(dǎo)致提取效果難以得到保證，不利于該提取方式的后期推廣和普及。為了解決這一問題，技術(shù)人員要對以上水體提取方式進行科學(xué)地簡化和改進，使得計算方式的復(fù)雜度不斷下降，從而提高計算操作的高效性和精確性。此外，還要在綜合考慮地表水水體光譜指數(shù)設(shè)置情況的前提下，對水體分布信息參數(shù)進行全面地獲取和整理，或者，采用采用代替處理的方式，不斷地拓展和擴大粗提取區(qū)域，從而確保區(qū)域選擇的有效性。另外，還要采用限定研究的方式，不斷提高閾值的穩(wěn)定性。由于經(jīng)驗閾值主要集中于比較合理的范圍內(nèi)，因此，技術(shù)人員可以采用有效搜索的方式，對水體光譜指數(shù)信息進行全面地搜索和整理，從而獲得比較精確的閾值，為后期更好地提取和管控水體相關(guān)參數(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。最后，還要加強對地表水水體分布信息的有效化獲取和整理，避免因此這些信息收集不完整，對空間分辨率產(chǎn)生不良的影響。

2.2 水體基礎(chǔ)參數(shù)的遙感檢測

地表水水體主要包含以下2個基礎(chǔ)參數(shù)，分別是水位、面積。在傳統(tǒng)管理模式下，通過采用現(xiàn)場觀測的方式，可以實現(xiàn)對水體水位、面積等參數(shù)的有效獲取和整理；但是，由于受內(nèi)外因素的影響，仍然存在部分區(qū)域無法有效、順利地開展實地觀測工作，導(dǎo)致水體相關(guān)參數(shù)無法得以精確化、全面化獲取。目前，國內(nèi)高分衛(wèi)星得以成功研制和發(fā)射，在遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和普及下，技術(shù)人員要借助遙感檢測體系，加強對地表水水體相關(guān)參數(shù)的全面化獲取和分析，并將最終的獲取和分析結(jié)果安全、可靠地存儲于衛(wèi)星檢測數(shù)據(jù)庫內(nèi)。另外，對于地表水水體而言，通過全面地分析和整理地表水水量變化情況，可以實現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的全面化掌握和分析。最后，還要利用遙感檢測系統(tǒng)，全面檢測多種水體所對應(yīng)的序列面積，便于工作人員更好地了解和掌握水體變化趨勢。

2.3 水體水質(zhì)參數(shù)的遙感檢測

通過對地表水水體內(nèi)葉綠素a濃度變化情況進行全面地檢測和分析，可以直觀、形象地了解和掌控水體藻類生物總量以及浮游植物總量。此外，通過科學(xué)地分析和評價葉綠素a含量，可以更好地確定色素類型，為后期科學(xué)地評價地表水水體 營養(yǎng)狀態(tài)打下堅實的基礎(chǔ) 。地表水水體特性主要包含區(qū)域、季節(jié)、環(huán)境等因素，因此，該特性通常會表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，導(dǎo)致技術(shù)人員無法根據(jù)地表水水體變化情況，完成對水體組分濃度相關(guān)模型構(gòu)建。為了解決以上不良問題，技術(shù)人員要重視對多種分類反演模型的科學(xué)構(gòu)建和應(yīng)用；同時，還要在全面結(jié)合不同類型水體特點的基礎(chǔ)上，采用反演推算的方式 ，盡可能地避免對地表水水體分布特征產(chǎn)生不良的影響。另外，由于反演法具有精確度高、安全可靠性強、邊界平滑等特點，通過利用反演法，可以針對地表水水體的類型，實現(xiàn)對相關(guān)反演算法的科學(xué)化優(yōu)化和完善；同時，還要采用最優(yōu)算法，對邊界兩側(cè)算法進行加權(quán)融合處理，從而進一步解決數(shù)值跳躍問題。

在測量水體懸浮物濃度期間，需要采用遙感檢測方式，全面地分析和評價地表水水體內(nèi)含有的固體物質(zhì)。該固體物質(zhì)具有較高的不溶解特性，懸浮物濃度的高低變化，在某種程度上可以直觀、形象地反映出地表水水體透明度以及顏色等特性，直接決定了地表水水體所對應(yīng)的初級生產(chǎn)力。另外，通過采用半解析的方式，可以實現(xiàn)對地面水體光學(xué)特性相關(guān)數(shù)據(jù)的全面化獲取和檢測，并利用生物光學(xué)相關(guān)模型，完成對所需要重要信息數(shù)據(jù)的科學(xué)化、規(guī)范化推導(dǎo)。

2.4 水體營養(yǎng)狀態(tài)的遙感檢測

對于地表水而言，其水體內(nèi)往往含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)。隨著時間的推移，這些營養(yǎng)物質(zhì)呈現(xiàn)出不斷增長地趨勢，為各種藻類水生生物的健康成長提供良好的生長條件。地表水水體通常表現(xiàn)出一定生態(tài)性、功能性，為促進水體向富營養(yǎng)化方向不斷發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ) 。在對地表水水體營養(yǎng)狀態(tài)進行檢測期間，技術(shù)人員要做好對水體水質(zhì)參數(shù)的全面化獲取，便于后期水體富營養(yǎng)評價工作的順利開展；但是，這種檢測方式存在一定的弊端，即無法大規(guī)模地檢測地表水水體質(zhì)量。為了解決這一問題，技術(shù)人員要加強對水體顏色信息的全面利用，從而實現(xiàn)對地表水水體狀態(tài)的科學(xué)化分析和評價，這是由于水體顏色主要是陽光與水2種物質(zhì)經(jīng)過相互作用后所形成的；同時，與各個水色組分要素之間存在著比較密切的聯(lián)系，便于作業(yè)人員更加全面地了解和把握地表水水體水質(zhì)特征。最后，通過利用水色指數(shù)遙感，對影響水體質(zhì)量因素進行全面地獲取和整理，并利用傳感器，完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)化轉(zhuǎn)換處理。只有這樣，才能確保地表水水體檢測工作能夠正常、有序、順利地開展。

2.5 水體透明度的遙感檢測

水體渾濁程度在某種程度上可以通過借助水體透明度進行形象、直觀地表現(xiàn)，通常情況下，現(xiàn)場檢測人員在對地表水水體進行檢測期間，要重視對塞氏盤法的運用。具體操作：在水體表面處，通過采用塞氏盤法，全面檢測水體的垂直深度，其垂直深度大小可以直觀、形象地反映出地表水水體的透明度，該透明度又被稱為“塞氏盤深度”。此外，通過利用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停梢跃_地分析和了解該模型存在的不確定性問題。模型類型不同，所對應(yīng)的精確度也存在一定的差異，為了解決這一問題，技術(shù)人員要根據(jù)地表水水體檢測需求，構(gòu)建出水體透明度估算模型；然后，全面地分析和評估水體透明度空間分布情況，便于后期工作人員更好地追蹤和把控水體透明度總體變化趨勢。

3 結(jié)語

綜上所述，為了確保將感技術(shù)更好地應(yīng)用于地表水水質(zhì)檢測領(lǐng)域中，技術(shù)人員需要加強對相關(guān)檢測儀器的全面化檢測和分析，從而全方位地了解和掌握地表水水質(zhì)相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，還要利用遙感技術(shù)，對現(xiàn)有的各種遙感數(shù)據(jù)進行不斷地拓展和完善，確保地表水水質(zhì)遙感檢測工作能夠正常、有序、順利地開展；同時，還要構(gòu)建和應(yīng)用系統(tǒng)化、完整化的地表水水質(zhì)遙感檢測體系，為最大限度地提高地表水水質(zhì)管理水平提供有力的保障。