●文| 北京空間機(jī)電研究所 江澄

一、引言

水是生命之源，是自然環(huán)境中最重要的生態(tài)要素之一，水質(zhì)狀況直接關(guān)系到人類與社會的生存和發(fā)展。尤其對于水資源匱乏、又亟待發(fā)展經(jīng)濟(jì)的人口大國中國而言，更具有緊迫的現(xiàn)實意義。

常規(guī)水環(huán)境監(jiān)測需要在水域布置大量的人工監(jiān)測點，然后通過實驗室分析才能得到準(zhǔn)確水質(zhì)或其他水環(huán)境參數(shù)的時空分布信息，這種人工取樣-實驗室分析的方法受人力、物力、財力、天氣和水文條件的限制，難以長時間跟蹤監(jiān)測，且只能知悉監(jiān)測斷面上的水質(zhì)或水環(huán)境狀況，對于整個流域而言，這些數(shù)據(jù)只具有局部和典型樣本點的代表意義，不能滿足實時、大尺度的監(jiān)測評價要求[1]。

遙感技術(shù)具有快速、大范圍和周期性的特點，可以彌補常規(guī)定時、定點監(jiān)測的不足，節(jié)省大量人力、物力和財力，具有常規(guī)水體監(jiān)測不可比擬的優(yōu)越性，已經(jīng)成為水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測以及藍(lán)藻、水華預(yù)測和預(yù)警不可缺少的手段之一[2]。

二、探索基石

近年來，高分系列衛(wèi)星作為我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項成果，逐步改變了我國廣泛采購國外商用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，也使得民用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)入了亞米級時代，有力地支撐了我國遙感衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

作為空間光學(xué)遙感器研制的國家主力軍，北京空間機(jī)電研究所承擔(dān)了74%的高分辨率對地觀測遙感器的研制任務(wù)。研制過程中，過程數(shù)據(jù)的積累在一定程度上決定了遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的能力，從而直接決定應(yīng)用能力，尤其針對信號弱、物理機(jī)制復(fù)雜的水環(huán)境，數(shù)據(jù)-應(yīng)用鏈路中的各個環(huán)節(jié)都會影響最終產(chǎn)品的應(yīng)用效果[3-4]。正是由于過程數(shù)據(jù)對于水環(huán)境應(yīng)用產(chǎn)品的重要性，基于高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)這一基石，并結(jié)合航空遙感數(shù)據(jù)和地面測量數(shù)據(jù)，北京空間機(jī)電研究所展開了針對流域水環(huán)境遙感監(jiān)測的探索。

表1 流域水環(huán)境遙感監(jiān)測所用數(shù)據(jù)

三、遙感技術(shù)動態(tài)監(jiān)測水環(huán)境成果

面向流域水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與應(yīng)急、預(yù)警的服務(wù)需求，以高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)為主要信息源，輔助航空監(jiān)測系統(tǒng)、地面測量系統(tǒng)，形成遙感監(jiān)測及應(yīng)急預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 流域水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)組成

通過多個應(yīng)用示范項目的落地，北京空間機(jī)電研究所已具備高分衛(wèi)星、無人機(jī)多個分辨率等級標(biāo)準(zhǔn)分幅的水環(huán)境遙感專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力，且高分產(chǎn)品具備應(yīng)急情況下小于等于7天的更新能力。

研制的無人機(jī)載多光譜成像系統(tǒng)專為流域水環(huán)境遙感監(jiān)測而量身打造，其質(zhì)量小于3kg，集成了穩(wěn)定平臺、控制器及存儲器于一體。通過航空遙感系統(tǒng)的配備，具備突發(fā)事件的應(yīng)急服務(wù)能力。航空遙感系統(tǒng)采用無人旋翼機(jī)作為低空動態(tài)監(jiān)測平臺，由安全傘降無人旋翼機(jī)、多光譜相機(jī)、無線數(shù)傳子系統(tǒng)、地面保障子系統(tǒng)等組成，具有部署靈活、起降占地小、地形條件要求低、空中可以懸停、攝影測量精度高等特點。

遙感技術(shù)應(yīng)用于水源水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于長期動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，同時還能發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染遷移特征。

水質(zhì)預(yù)警的原理是根據(jù)警兆變動來預(yù)報警情，在水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對水質(zhì)進(jìn)行評價與預(yù)測，判斷是否有警情，然后根據(jù)預(yù)報的警度以及對警源的分析，生成相應(yīng)的影響措施，通過各種管理措施來排除警患[5]。

因此，在構(gòu)建水環(huán)境預(yù)警體系時，首先要對區(qū)域水環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)查，分析評價區(qū)域水環(huán)境現(xiàn)狀；然后，根據(jù)一定的原則和方法建立水環(huán)境預(yù)警指標(biāo)體系；根據(jù)指標(biāo)體系，選擇合理的評價方法和數(shù)學(xué)預(yù)測模型對區(qū)域水環(huán)境發(fā)展趨勢進(jìn)行評價和預(yù)測；最后根據(jù)評價預(yù)測結(jié)果確定警戒級別和不同警戒級別下的各項環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上判斷是否有警情。

通過對遙感數(shù)據(jù)的精細(xì)化“打磨”，有效解決了應(yīng)用單位生態(tài)資源監(jiān)測成本高、周期長、數(shù)據(jù)誤差大等關(guān)鍵性問題，已經(jīng)在廊坊市、海河水環(huán)境監(jiān)測中心、巨鹿縣等多個單位進(jìn)行了推廣應(yīng)用，切實為應(yīng)用單位提供了準(zhǔn)確、高效、低成本的遙感數(shù)據(jù)信息，為資源調(diào)查、環(huán)境污染與應(yīng)急監(jiān)測工作提供了科學(xué)的決策依據(jù)，提升了精細(xì)化管理水平。

圖2 高分二號衛(wèi)星監(jiān)測太湖下游水質(zhì)參數(shù)分布情況（顏色表征濃度，越接近紅色表示濃度越高）

圖3 針對水環(huán)境監(jiān)測的無人機(jī)載多光譜相機(jī)

圖4 無人機(jī)載多光譜成像試驗

為驗證系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)，在海河流域于橋水庫周邊開展了天空地聯(lián)合遙感試驗。利用高分一號16m數(shù)據(jù)，結(jié)合航空多光譜數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對庫區(qū)及上游桑干河流域水質(zhì)參數(shù)反演，并基于反演的葉綠素濃度、總氮含量和懸浮泥沙含量，生成了于橋水庫藻類爆發(fā)風(fēng)險圖、水質(zhì)分類圖和于橋水庫渾濁度分布圖。圖5為于橋水庫藻類爆發(fā)風(fēng)險圖,藍(lán)色表示低風(fēng)險藍(lán)藻爆發(fā)區(qū)域，綠色表示高風(fēng)險藍(lán)藻爆發(fā)區(qū)域。圖6為于橋水庫水質(zhì)分類圖，綠色表示I類水質(zhì)，橙色表示II-III類水質(zhì)，紅色表示IV-V類水質(zhì)。圖7為桑干河渾濁度分布圖，顏色表征渾濁度，越接近藍(lán)色表示渾濁度越高。

圖7 桑干河渾濁度分布圖

北京空間機(jī)電研究所與海河流域水資源保護(hù)局以海河流域作為合作中心，建立了“流域環(huán)境遙感信息應(yīng)用聯(lián)合實驗室”，聯(lián)合開展合作研究成果的推廣，實現(xiàn)研究成果的業(yè)務(wù)化、商業(yè)化。

四、總結(jié)

當(dāng)前水環(huán)境遙感監(jiān)測依然面臨眾多問題，在清醒認(rèn)識遙感技術(shù)服務(wù)局限性的前提下，持續(xù)發(fā)展區(qū)域性大氣校正算法，提高校正精度，扎實研究遙感定量化模型，提高反演精度，并不斷深化尺度轉(zhuǎn)換對水質(zhì)/水色遙感的影響研究。在技術(shù)能力的強有力保障下，用戶才能用好數(shù)據(jù)，遙感應(yīng)用市場才能活躍。

[1]潘德爐，何賢強.海洋水色水溫遙感應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)[M].北京：海洋出版社，2014.

[2]馬榮華，段洪濤，唐軍武，等.湖泊水環(huán)境遙感[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]IOCCG Report5: Remote sensing of inherent optical properties:Fundamental, tests of algorithms,and application. 2006.

[4]禹定峰，邢前國，施平.內(nèi)陸及近岸二類水體透明度的遙感研究進(jìn)展[J].海洋科學(xué). 2015(39):136-144.

[5]王佳怡，李紅華，魚京善，等.流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究[J].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集.2016:1248-1253.