殷碧濤 萬林波 張哲語

(武漢理工大學,湖北武漢 430070)

中國今年來的飛速發(fā)展帶來的不僅有社會財富的大量積累,還有生態(tài)環(huán)境的不斷破壞,水環(huán)境的嚴重破壞不僅制約社會發(fā)展更對人們的身心健康有極大的影響。使用衛(wèi)星遙感技術做到水質污染早發(fā)現、早治理、全程監(jiān)測對社會健康發(fā)展有重要意義。

1 中國傳統(tǒng)水質監(jiān)測方法與衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測原理

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在的問題

監(jiān)測水質的傳統(tǒng)方式主要為在各地設立環(huán)境監(jiān)測中心站,在各個湖泊、河段設立監(jiān)測斷面,在斷點取樣再進行化學分析,受天氣等多方面因素影響,耗時耗力,同時因整個被監(jiān)測流域通常跨越多個行政區(qū)域,導致各區(qū)段信息交流、整合難度大難以實現全流域整體污染情況的實時監(jiān)測。另一方面,因地區(qū)差異,某些地區(qū)政府的工作人員出于自身利益及在位政績等原因包庇地方污染企業(yè),阻撓環(huán)保工作人員正常取樣檢測、對當地環(huán)保局施加壓力、將環(huán)境污染情況不如實上報等人為因素都會導致整體監(jiān)測結果失真。所以傳統(tǒng)監(jiān)測手段仍有不少弊病需要改進。

1.2 遙感技術監(jiān)測原理

物質的波普特性可以反映出其自身的屬性及狀態(tài),而水體的光譜特征主要由其所含的各種光學活性物質對電磁波的吸收、反射及散射所決定的。水體中的泥沙會導致水體渾濁,可見光的反射峰值主要出現在波長577-770nm的波段;富營養(yǎng)化水體(氮磷超標)中所包含大量藻類,藻類中的葉綠素等光合色素對藍綠光的吸收能力弱;而富含有機物的水體因分解有機物需消耗大量氧氣會導致水體發(fā)黑;水體熱污染則會產生異常的紅外輻射。通過遙感系統(tǒng)量測一定波長范圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特征是遙感監(jiān)測水體水質的基礎。遙感獲取水質參數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實現[1]。

1.3 監(jiān)測方法

在水質遙感監(jiān)測的過程中常使用的方法有物理方法、經驗方法、半經驗方法三種。

1.3.1 物理方法

物理方法的理論依據來自于大氣輻射傳輸理論和模型,需要使用遙感設備測得的反射率等數據和相關的光學性質系數,計算水中實際吸收系數和后向散射系數的比值,進而與水中各組分所有的特征吸收系數、后向散射系數進行聯系,反演水體中組分含量,國內的鄧孺孺按照物理方法的流程,對懸浮物進行了遙感反演,其中包含一次、二次的散射的水質反演模型[2]。但是目前這種方法使用的模型假設內容多,精度不高。

1.3.2 經驗方法

經驗方法是多光譜遙感數據在水質監(jiān)測方面投入應用后發(fā)展起來的一種方法,和物理方法相似都是建立輻射傳輸模型。這類算法的經驗關系式目前已被確定了下來,一般形式為

其中Y為遙感測量值;X為水質參數;A、B為待定系數。雖然經驗法較物理法有所完善但是受水質參數和遙感數據之間的相關性影響,其精度仍然不高。

1.3.3 半經驗法

在90年代以后,高光譜遙感技術開始在水質監(jiān)測方面應用,半經驗法隨之發(fā)展起來。其主要根據機載或星載設備測量水質參數光譜特征來選擇估算水質參數的最合理的波段或波段組合,近年來國內外學者使用此方法對對湖泊等水域的渾濁度、可見度的監(jiān)測都取得了較高的監(jiān)測精度。

2 中國衛(wèi)星遙感應用的發(fā)展現狀

自70年代以來,我國高度重視遙感技術發(fā)展與應用,對遙感技術的發(fā)展給予重點支持,跟蹤國際技術前沿并努力創(chuàng)新,在遙感技術系統(tǒng)、遙感應用系統(tǒng)、G I S等方面均取得突出進步。

首先,建立了國家級資源環(huán)境宏觀信息服務體系。該服務體系包括以中國l：25萬土地利用數據為核心的國家資源環(huán)境空間數據庫,兩個部級服務系統(tǒng),三個省級示范系統(tǒng)及五個縣級服務系統(tǒng),珠江三角洲地區(qū)“4 D”(數字高程模型DEM、數字正射影像庫DOQ,數字專題地圖庫DR G和數字專題信息DT I)技術系統(tǒng)以及全國資源環(huán)境信息技術系統(tǒng)。

其次,建立了災害遙感監(jiān)測評估業(yè)務運行系統(tǒng)該。洪澇、干旱、林火和雪災的宏觀動態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng),已具備針對中國范圍內發(fā)生的多種自然災害的宏觀動態(tài)監(jiān)測和成災區(qū)的區(qū)域覆蓋評估的能力;系統(tǒng)通過網絡通信同其它子系統(tǒng)實現產品傳送和數據共享,并以VSAT和INTERNET網絡通信方式向應用部門提供防災減災信息服務。機載S A R數據實時傳輸系統(tǒng),實現了3米SAR圖像的實時網絡遠程傳輸、地面接收和處理;它可以針對3米SAR圖像進行7種功能的實時處理。

在國家空間數據基礎設施建設方面,中國有關部門已建成10個基礎地理信息數字化生產基地,開展了信息共享與標準化研究,實現了地理信息產品的規(guī)?；a。目前已建成中國l：400萬、l：100萬、1：25萬摹礎地理數據集。七大江河流域重點防范區(qū)l：l萬和1：5萬基礎地理數據集[4]。在科技部的支持下,以推動空間信息技術及其產業(yè)發(fā)展為目標的國家級空間信息共享和服務平臺“中國空間信息網”于1999年開始建設,現已初具雛形。

從1970年4月24日至今我國已成功發(fā)射和即將發(fā)射共10余類,近百顆自行研制的衛(wèi)星。目前,我國已初步形成了氣象、海洋、資源等多個系列的遙感衛(wèi)星體系,遙感衛(wèi)星發(fā)展正由試驗階段進入應用階段,取得了長足進步。盡管如此,我國在遙感器性能、數據品種等方面與世界先進水平仍存在一定差距。

3 中國衛(wèi)星遙感技術發(fā)展過程中存在的不足與問題

3.1 環(huán)境遙感監(jiān)測應用關鍵技術研究薄弱

自進入21世紀以來,我國環(huán)境遙感技術得到了快速的發(fā)展,但環(huán)境遙感監(jiān)測應用關鍵技術研究較為薄弱。我國環(huán)境遙感應用技術從數據處理、應用模型開發(fā)、參數反演、專題數據生產到業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)仍然有許多關鍵技術未能解決。此外,現有環(huán)境遙感監(jiān)測應用技術研究多表現為經驗性和局部性,系統(tǒng)性和實用性較差,與國際先進的環(huán)境遙感應用研究水平和環(huán)境遙感監(jiān)測實際需要存在很大差距,難以滿足環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務化運行的大范圍、多目標、多專題、定量化的需要。

3.2 環(huán)境遙感監(jiān)測專用衛(wèi)星載荷嚴重匱乏

目前我國沒有專門用于環(huán)境保護的衛(wèi)星有效載荷。風云氣象衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、主要是針對大尺度天氣情況、海洋水色遙感監(jiān)測和預報,國土、礦產等資源調查而設計,這些衛(wèi)星有效載荷雖然部分可用于環(huán)境監(jiān)測,但是功能非常有限。環(huán)境一號A、B衛(wèi)星有效載荷空間分辨率(30～300m)、時間分辨率(2～4d)、光譜分辨率不夠高,光譜段設置不夠合理,沒有攜帶專門針對環(huán)境監(jiān)測的衛(wèi)星有效載荷。環(huán)境遙感監(jiān)測專用衛(wèi)星載荷的缺乏已經對環(huán)境管理的效能造成了嚴重制約。

3.3 應用系統(tǒng)建設滯后、業(yè)務化程度不高

我國有些衛(wèi)星雖然在軌運行,但地面應用系統(tǒng)未建成或尚不健全,嚴重影響了衛(wèi)星社會經濟效益的發(fā)揮,造成了很大的資源浪費。經過多年的努力,環(huán)保部門初步形成了一套環(huán)境遙感監(jiān)測與評估業(yè)務流程,但距離環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務化運行尚有較大差距。由于遙感技術普及程度不夠高,技術人員對遙感技術比較陌生,使得遙感技術難以發(fā)揮應有的作用。

4 結語

雖然二十多年來中國衛(wèi)星遙感技術有了長足的發(fā)展,但是與國際尖端水平相比仍然存在差距,在信息網絡構建和衛(wèi)星資源利用方面有待健全。隨著新環(huán)保法應用及國家對污染治理工作的重視程度不斷提升,中國相關方面的技術發(fā)展與應用將在短時間內取得大量突破性進展。

[1] 周藝,周偉奇,王世新,等.遙感技術在內陸水體水質監(jiān)測中的應用[J].水科學進展,2004,15(3)：312-317.

[2] 李海元.面向水質監(jiān)測的遙感影像反演關鍵技術研究[D].電子科技大學,2016-06.

[3] 劉燦德,何報寅.水質遙感監(jiān)測研究進展[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,(10)：41.

[4] 陳文召,李光明,徐竟成,等.水環(huán)境遙感監(jiān)測技術的應用研究進展[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2008,(3)：6-11.