水環境遙感監測系統的應用分析

肖江玥

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

隨著經濟社會的高速發展，人們對水資源的需求也日漸增多。工農業和生活廢水日漸增加的排放量，帶來了嚴重的水資源短缺與水污染問題。面對嚴峻的水環境惡化情況，建立準確、客觀、動態、快速的水環境監測系統是有效開展水環境污染治理和環境保護工作的前提。只有全面地對水污染狀況進行監測，正確評估水污染治理效果，才能有效改善水環境惡化問題。

目前國內的水環境監測已經從以人工采樣布點監測為主的工作模式逐步轉變成完善地面自動監測站點的組網建設，但因地面常規監測手段存在維護成本高、時空連續性差等缺點，仍然很難開展實時動態的大面積水域監測工作。水環境遙感監測技術擁有監測范圍廣、數據獲取頻率高、處理速度快、數據成本低等優點，可以很好的滿足準確快速地進行周期性動態監測水體并開展大范圍水體污染評估的需求，進而為控制和治理水環境提供一個具有多重優勢的數據保障途徑。本文概述了遙感技術在水環境監測方面的技術背景、應用方向和重點發展趨勢，為全面開展系統性的水環境遙感監測研究提供參考。

1 遙感技術應用于水環境監測的技術背景

1.1 水環境遙感監測的基本原理

遙感技術是以非接觸的方式，利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過探測儀器接收目標物的電磁波信息，從而分析并判別出目標物性質結構的技術。

應用遙感技術進行水環境監測的基本原理是基于水體中的懸浮物、藻類含量等反應污染程度的水體要素所對應的不同輻射特性，使用遙感器捕獲并在遙感圖像上呈現，通過對遙感圖像上光譜特征的分析識別，獲得水體的水質參數信息。同時，收集干凈水體的光譜特征信息并與研究水體進行分析對比，得到研究水域中各類水質參數的含量與空間分布信息，再與對應的時間信息相結合，從而判斷出水體污染物的時空分布特征，達到水環境動態監測的目的。常規處理步驟是遙感數據獲取、定標輻射值、影像預處理、研究水域掩膜劃分、建立水環境數據庫、進行水質參數反演[1]。

1.2 水環境遙感監測常用平臺與數據類型

目前水環境監測常用的數據獲取平臺以及數據分析方法已經逐步由傳統的地面布點采樣加實驗室分析測定方式提升為融入遙感技術的多平臺傳感器協同作業加系統自動化數據處理模式。

常用的遙感平臺按照工作平臺與地球表面的距離可以分為地面、航空和航天遙感平臺。航空遙感常見載體為固定翼飛機和無人機，具有較高的空間分辨率，可以根據實際需求靈活選擇飛行時間和航線，適合水環境污染的應急遙感監測，無人機機載遙感器系統還具有低成本、操作簡便、高時效性等優勢。

航天遙感常用到的星載數據源有Landsat系列衛星、Spot系列衛星、搭載Modis遙感器的EOS AM-1衛星以及國產的高分系列衛星等，更適合于進行長期動態監測，但由于衛星本身存在重返周期，往往難以滿足及時監測需求，一般不適用于水污染的應急監測。

地面遙感器最常用的設備即地物光譜儀，通過測量水體及水面下不同深度處的反射率光譜來分析水體組成成分，為散點式觀測，存在宏觀性差、數據獲取頻率低、人為因素干擾大等缺點。近年還發明出岸基高光譜監測儀，通過實現對近岸水面實時連續的反射率與水質參數濃度的同步測定來提升反演結果精度，可彌補傳統地面遙感器在觀測頻次和精度上的不足[2]。

遙感技術根據不同工作波段可劃分為紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感等。在水環境監測中，通常根據不同的監測對象采用合適的光譜波段來進行探測。目前常用到的遙感數據種類可根據數據的光譜分辨率分為多光譜遙感數據和高光譜遙感數據。

多光譜遙感是將地物輻射電磁波分割成若干個較窄的光譜波段，在同一時間獲得目標物不同波段信息的技術。傳統的多光譜遙感接收到的波段較少，無法全面地捕捉目標物的光譜特征。

高光譜遙感的發展則是遙感技術發展的又一項重大突破，憑借光譜分辨率高和圖譜合一等技術優勢，在水環境監測領域有著巨大的應用潛力。相對于多光譜遙感數據而言，高光譜遙感數據不僅提升了水體指標的反演精度，還能夠完成水體要素的分類識別。因此，高光譜遙感技術的發展已成為遙感技術在水環境監測領域的一個重要研究方向。

1.3 水環境遙感監測水質參數反演方法

水質參數反演是遙感技術應用于水環境監測十分重要的環節，利用通過遙感技術獲取到的水質參數光譜特征與實際的水體要素數值之間的相關性分析來反演得到具有明顯光譜特性的水體要素在研究水域中的時空動態分布，最終形成該區域的水環境監測評價結果。目前常見的用于研究影響水體光學特性的典型水質參數有葉綠素a、懸浮物、可溶性有機物、透明度、總氮、總磷等。

水環境遙感監測數據常見的反演方法分為經驗方法、半經驗方法、分析方法、半分析方法和人工智能方法。經驗方法是基于遙感數據和實驗數據的相關性統計分析，通過統計學方法分析建立經驗模型并反演水質參數。這種反演方法的理論算法簡單易實現，但模型精度通常不高，且難以進行重復利用。半經驗方法則是在經驗方法的基礎上，將遙感數據與同步測量的實際水質參數相結合，能夠實現較高的反演精度，是目前最常采用的反演方法，但仍具有時間和空間上的局限性[3]。

分析方法是通過水中輻射傳輸模型來確定水體各組分與水體反射率光譜之間的關系，然后由水體反射率光譜反向計算得到水體各組分的含量[4]。半分析方法則是基于分析方法，在模型的推導過程中引入一些經驗公式，其反演結果往往具有更高的精度和穩定性。人工智能方法是通過基于神經網絡、遺傳算法、支持向量機等人工智能算法來構建水質參數反演模型，具有快速自動化處理數據的獨特優勢，但其反演結果精度很大程度上是由提供訓練樣本的質量決定[5]。以上3種水質參數反演方法是未來主要研究方向。

1.4 水環境遙感監測的應用方向

遙感技術因其顯著的技術優勢，十分適用于開展水環境長期跟蹤監測。通過對水體指標的定量分析，可以確定水體中主要污染物種類，并進行污染源定位、污染物分布及擴散情況分析，從而得出相應的水體污染程度評價結果。多應用于城市污水監測、水體富營養化監測、懸浮固定物質監測、熱污染監測、追蹤水體污染排放源等方面，為及時開展水污染防治工作提供有效的信息支撐。

2 空天地一體化水環境監測系統的概念

2.1 建立空天地一體化水環境監測系統的必要性

通過遙感技術實現水環境監測有很多手段，通過不同遙感平臺獲取到的不同種類的遙感數據都因自身技術原因存在著針對不同應用場景的適用性與優劣勢?？傮w而言，地面遙感平臺的監測數據較為分散；機載遙感影像的飛行受天氣影響較大；星載遙感數據則在時間分辨率和空間分辨率上存在一定的應用局限性。因此，為全方位提升水環境遙感監測能力，有必要將高空、低空遙感與地面監測手段相結合，利用技術優勢互補構建出可大范圍應用推廣的空天地一體化協同的水環境監測系統，實現多種類遙感數據源之間的相互檢校驗證，提高水環境監測的整體精度與系統穩定性，從而提升水環境的實時動態監測能力，更好地支撐水環境管理和決策。

空天地一體化水環境監測系統的基本研究路線是將單項遙感技術研究與實驗驗證相結合，形成穩定的反演算法模型，并通過集成多平臺數據源建立綜合測試體系，從而得到有指導意義的多源遙感數據監測系統。其中，單項技術研究包括星載、機載和地面監測平臺的遙感數據獲取、影像預處理以及協同水質參數反演等，且需要根據不同應用情況選取適用性更高的平臺遙感器種類，例如針對大面積水域的遙感監測可以采用衛片、固定翼航空器影像和船載光譜儀觀測的空天地協同作業形式，而城市區域中的小型河網水域則更適合使用衛片、無人機高光譜影像和岸基高光譜監測儀相結合的形式開展水環境遙感監測工作。在實際研究過程中，不僅需要進行針對遙感技術的研究，還涉及到軟硬件系統集成等領域的研究，通過多學科協同合作，形成成熟的空天地一體化水環境遙感監測系統。

2.2 空天地一體化水環境監測系統的應用實例

近年來，空天地一體化的水環境遙感監測系統概念得到了一定程度的示范性應用，應用體系比較成熟的有太湖流域的水環境天地一體化監測體系的構建與應用。該監測體系以太湖流域為研究區域，在區域內已有環境監測能力的基礎之上，充分結合地面常規監測與衛星遙感監測的技術優勢，探索建成了由網絡保障、星地監測、數據標準、分析評價、趨勢預警等系統組成的水環境天地一體化監測體系。其中的星地同步監測系統將遙感衛片解析、水質自動監測站網、人工采樣巡測等監測手段相結合，從點到面類推出全流域水環境現狀，可基本實現水質監測、湖泛監測、藍藻監測等一體化監測功能的業務化運行，全面提升了太湖流域水環境監測預警能力[6]。

由于太湖流域現有水文數據及水質監測站網布設較為充足，一種陸基水環境遙感方法也在太湖區域進行了實踐。該研究以衛星、無人機、高光譜成像儀結合人工巡測和自動觀測形成空天地一體化的遙感監測體系，使用高精度的高光譜成像儀數據來構建陸基遙感算法模型，有效補充和完善了傳統斷面水質監測的技術缺陷，反演精度可達到80%及以上[2]。

此外，還有以HJ-1衛星影像為主要遙感數據源，結合地面實測數據以及環境背景數據建立的湖北省水環境遙感監測示范系統。該示范系統是以東湖、梁子湖等10個湖泊為主要研究水域，由遙感數據預處理與水環境監測、水環境遙感數據庫管理、水環境遙感可視化三個子系統構建而成的區域性水環境遙感監測系統，可實現衛星影像預處理(輻射定標、幾何校正)、水域提取、水質參數反演、水環境監測評價、專題圖制作以及動態展示等功能[7]。

以上案例都為運用空天地一體化遙感技術進行水環境監測系統的研究提供了大量經驗與參考依據?？仗斓匾惑w化的遙感技術在水環境監測中有著非常大的應用潛力，有助于實現全面監測水環境狀況、周期性動態評估水生態變化，為切實做好水環境保護工作奠定堅實基礎。

3 水環境遙感監測技術發展的難點與存在的不足

由于污染水體的光學特性比較復雜，遙感技術在水環境監測的應用發展仍存在一些技術難點有待突破，如研發適用于水環境監測的專用遙感器，提高采集數據的時空精度與處理效率；繼續深入研究和廣泛實驗，構建針對更多種類水質參數的遙感反演算法，充分考慮可能影響反演結果的因素，不斷優化反演模型，提升定量遙感精度。

空天地一體化水環境監測系統的發展目前也存在一些不足有待改進，如根據實際應用情況設計系統規范化集成方案，統一不同平臺數據源獲取信息的標準，真正實現多源數據協同作業；提升一體化系統在時間和空間上同步的精度與多源數據相關性強度；加強軟硬件技術研發能力，實現系統自動運行業務化等。

面對遙感技術當前的主要問題與在水環境監測應用上的迫切需求，需要在不斷改善現存技術缺陷的同時積極開展多學科交叉的創新性研發，將空天地一體化的理念進行有效實踐，為解決水環境問題提供更加有力的技術支撐。

4 結 語

在工業發展、城市化推動的社會背景下，水環境問題逐漸凸顯。近年來，遙感技術在水環境監測中的應用越來越廣泛，在提高水環境監測效率的同時展示出了水環境遙感監測技術巨大的應用前景與研究價值。但由于水體光譜特性的復雜多變，目前遙感技術在水環境中的研究還存在很多問題，水環境遙感監測系統的應用也有待更深入的研究?？傮w而言，遙感技術在水環境監測方面的應用將朝著高空間高光譜分辨率數據與多平臺系統集成的大方向發展，通過不斷提升遙感影像質量、融合多源數據信息、完善數據分析方法、強化系統抗干擾能力，實現水環境信息的精準動態實時監測，全面推動水環境遙感監測系統的體系構建與應用發展。