多光譜遙感技術在城市黑臭水體分析中的應用

城市黑臭水體污染問題已成為城市環境治理的重要挑戰，而多光譜遙感技術作為一種高效的監測手段，為城市黑臭水體的分析提供了新的視角和方法。本文綜合多項研究成果，探討了多光譜遙感技術在城市黑臭水體分析中的應用。多光譜遙感技術能夠獲取水體的高分辨率遙感影像數據，通過對不同波段的反射率進行分析，揭示水體中不同成分的空間分布和變化規律。利用多光譜遙感技術，可以有效識別城市黑臭水體的來源和分布，探測水體中的藻類和有機污染物等有害成分，從而為城市黑臭水體的監測和治理提供科學依據。

一、引言

傳統的城市黑臭水體監測手段主要依靠人工取樣和實地調查，存在監測范圍有限、成本高昂、周期長等問題。因此，急需一種高效、經濟、可持續的監測手段來解決城市黑臭水體治理中的難題。

多光譜遙感技術作為一種非接觸式、遠程獲取信息的技術，在城市環境監測和水質評價中顯示出了巨大的潛力。多光譜遙感技術能夠獲取水體的高分辨率影像數據，并通過分析不同波段的反射率來識別水體中的不同成分，如葉綠素、溶解有機物等，從而實現對城市黑臭水體的快速、準確監測。

二、水質遙感監測技術的原理和方法

（一）水質遙感監測技術

遙感是一種無需直接接觸就能對物體或自然現象進行遠程感知的一種檢測方法，它主要是利用不同類型的傳感器，利用不同的傳感器，在不同的空間、空間、空間等不同的平臺上，采集反映地面特性的各種數據，經過傳輸、轉換和處理，提取出有效的信息，以達到對物體空間形態、位置、屬性、變化以及與周圍環境之間的聯系等方面的研究。

（二）水質遙感監測原理

1.水體的光譜特征

當太陽光照在表面上時，很小的一部分（3.5%）會被表面反射回到空氣中，而更多的光線會進入水中。在水體中，大多數光線會被水體所吸收，一部分會被水體中的懸浮物（如泥沙、有機物等）所反射，另一小部分則會透過底部，被底層所吸收、反射。被懸浮物和底部反射的射線，一部分返回水面，折回空氣。因此，在對水體進行遙感監測時，其所受到的輻射主要包括水面反射光、懸浮物反射光、水底反射光和天空散射光。

2.遙感影像水體提取一般方法

（1）傳統方法

譜間關系法利用光譜數據對不同波段水體及其它地物的光譜特性進行分析，利用不同波段的光譜信息，構建具有區分水體和其它地物特性的邏輯判別公式，例如，將8波段多光譜影像中2～3波段的光譜數據、4～5波段的光譜數據以及4～5波段的光譜數據進行觀測分析，提取水體參數。該方法融合了多個波段的光譜信息，優于單一波段閾值方法，但也存在著普適性不強、易誤判建筑物等、對影像有特殊要求等問題。

（2）分類器分類后提取法

分類器分類后提取法的基本思想是對影像中的各類地物進行分類，然后以所劃分的水域為對象進行分類。其中，有監督的分類算法得到了廣泛的應用，如決策樹、SVM、BP神經網絡等用于目標的分類。

三、實驗數據

本文以永和河（24個）、車陂涌（20個）和黃龍帶（12個）進行水體采樣，通過對56個采樣點進行同步觀測，獲得56個采樣點的同步光譜數據，并利用 GPS技術對樣點的位置進行觀測。觀測站位的平均水深在0.5-20米之間，這一地區的水域基本可以看作是一種光學深水，因此可以不考慮海底的影響。水樣采集后置于褐色玻璃瓶中，密閉冷藏，10小時后送廣州檢驗中心進行測定。采樣和測量工作在廣東省珠江環保監測中心進行，范圍涵蓋取樣、保存和測定。

四、結果分析

（一）黑臭水體關鍵水質指標分析

根據統計分析結果，實驗區黑臭水體的溶解氧（DO）平均值為4.21 mg/L，標準差為2.91，顯著低于正常水體的最小值。此外，黑臭水體中的有機污染指標（如NH-N、TP、TN、COD、BOD）表現出明顯偏高的特征，與以往研究相比存在顯著差異。特別地，NH-N、TP、TN、COD等指標的含量明顯高于正常水體，與藻類繁殖導致的黑臭水體相比也有顯著增加。

（二）黑臭水體光譜特征分析

在400-550 nm波段，隨著波長的增大，遙感反射率逐漸增大，而在正常和重度污染水域，其反射率有明顯增大的趨勢。在550-580 nm的區域，黑臭水體的遙感反射率出現峰值，其峰值寬度比普通水域要大，但相對較小，且形態較為平緩。與此形成對照的是，在570 nm處僅出現一條明顯的反射峰值，而混濁水在580-710 nm與810 nm處出現了兩個顯著的黃波段和紅色波段。

（三）黑臭水體關鍵指標與光譜相關性分析

根據Pearson公式計算5種水質指標與反射光譜的相關系數，以尋找水質指標的最佳敏感波段。結果顯示，TN、TP、NH-N、COD、BOD5與水體遙感反射率呈負相關，且這些指標與水體光譜的相關性變化趨勢一致。然而，第六種指標與遙感反射率的相關性較低，表明單一波段的遙感反射率不適宜用于模型構建。

五、總結

多光譜遙感技術在城市黑臭水體分析中的應用是一項重要的環境監測手段。本研究通過水質遙感監測技術，結合實驗數據，對城市黑臭水體進行了全面分析，主要包括水質遙感監測技術原理和方法、水體的光譜特征、實驗數據以及結果分析。水質遙感監測技術利用遙感影像數據獲取水體的光譜信息，通過分析水體的光學特性來獲取水質參數。

作者單位：偉志股份公司