楊 燕

（山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 臨沂 276000）

內(nèi)陸水體水質(zhì)的遙感監(jiān)測是通過對大量數(shù)據(jù)進行分析來判斷測量的。例如對遙感波水質(zhì)數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析和實地實測。以當前的科技發(fā)展情況來看，遙感水質(zhì)監(jiān)測的常用方法主要包括模型監(jiān)測法、經(jīng)驗監(jiān)測法和半經(jīng)驗監(jiān)測法。這些方法可以為構建出科學有效的估測模型[1]。

1 遙感水質(zhì)監(jiān)測機理

透射到地球大氣層的太陽輻射會直接到達水氣界面，其中一部分光譜會通過水面被重新反射到空氣中，另一部分光譜則會發(fā)生折射進入水體內(nèi)部，而進入水體內(nèi)部的這部分光譜有一部分會被吸收，剩下一部分發(fā)生散射現(xiàn)象（如圖1 所示）。因此，監(jiān)測人員可以根據(jù)光譜進入水體后發(fā)生的折射或者散射量，對水體的質(zhì)量以及組成成分進行分析。這些植物、有機物和無機物都能吸收特定范圍波長的光譜，另外它們還能讓攝入水體的光發(fā)生散射現(xiàn)象，從而影響光的照射方向，使一部分光折回水面重新射入大氣層中，這部分光譜就能夠成功利用遙感監(jiān)測技術進行監(jiān)測分析。

圖1 遙感水質(zhì)監(jiān)測機理示意圖

模型監(jiān)測方法主要以輻射傳輸理論為基礎，能夠?qū)λw中的光學活性物質(zhì)特征進行辨別，最后根據(jù)水體組分的濃度與特征吸收系數(shù)對水體水質(zhì)進行監(jiān)測分析。但是這種監(jiān)測方法的主要缺點就是監(jiān)測精確度不高，監(jiān)測成本相對較大。而經(jīng)驗監(jiān)測方法可以隨著多光譜遙感數(shù)據(jù)的應用來對水體水質(zhì)實測數(shù)據(jù)相關性進行統(tǒng)計分析，這種監(jiān)測方法對于某一特定區(qū)域的水體來說具有較好的監(jiān)測效果，這種監(jiān)測方法的不足是水體水質(zhì)的各項參數(shù)與遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的事實相關性無法得到保證，因此這種檢測方法也存在精確度不高的問題。半經(jīng)驗法主要是基于高光譜遙感技術來對水體水質(zhì)進行監(jiān)測，利用特定的儀器來測量水質(zhì)參數(shù)以獲得其最佳波段組合，并利用一定的數(shù)學計算方法總結出遙感數(shù)據(jù)體系與水質(zhì)參數(shù)之間的定量經(jīng)驗算式[2]。

2 水質(zhì)監(jiān)測中遙感指標及遙感數(shù)據(jù)分析

2.1 水質(zhì)監(jiān)測中的遙感指標分析

水質(zhì)監(jiān)測工作中監(jiān)測指標項目種類繁多，按照指標用途的不同主要可以分為物理指標、化學指標和生物指標。其中物理指標主要指的是水體的溫度、顏色、氣味、透明度、導電率以及水中的固體雜質(zhì)含量等。化學指標主要指的是水體的一般性化學指標（例如水體的pH 值、水體的酸堿度、水體中陰陽離子含量和水體中的有機物含量）、有毒性化學指標（例如水中重金屬含量、水中氰化物含量、水中農(nóng)藥等化學物質(zhì)的含量等）、營養(yǎng)元素指標（例如水中氨氮含量、可溶性磷含量以及硅的含量等）。生物指標則指的是水體中含有的活性生物及細菌總數(shù)，包括各種病原細菌、大腸桿菌以及各種微生物病毒等。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測中的遙感數(shù)據(jù)分析

2.2.1 常規(guī)遙感數(shù)據(jù)分析

對于常規(guī)遙感波段來說，其長度通常在100 nm 以上，且波譜呈現(xiàn)非連續(xù)狀態(tài)，無法全部覆蓋整個可見光至紅外光光譜范圍（400 nm ～2 400 nm），這種常規(guī)性的遙感器大多數(shù)都以衛(wèi)星平臺為搭建載體。在實際應用中，常見的常規(guī)遙感數(shù)據(jù)包括美國Landsat 衛(wèi)星的MSS/TM/ETM 數(shù)據(jù)，印度的IRS-1 數(shù)據(jù)和法國SPOT 衛(wèi)星的HRV 數(shù)據(jù)等，其中美國衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)無論是從時間分布、空間分布還是從數(shù)據(jù)獲取程度上來說，都是最適合我國進行內(nèi)陸水質(zhì)遙感監(jiān)測的數(shù)據(jù)。同時這種遙感數(shù)據(jù)也存在一定的局限性，它的監(jiān)測分辨率較低，無法精確地為監(jiān)測工作提供信息，因此，常規(guī)遙感數(shù)據(jù)通常只適用于在特定時間對特定水域進行檢測。

2.2.2 高光譜遙感數(shù)據(jù)

高光譜遙感數(shù)據(jù)的主要特征是波段多、分辨率高，這樣在進行監(jiān)測時能夠?qū)鹘y(tǒng)監(jiān)測方式中的圖像與高光譜信息融合起來，一方面能夠獲得某一地區(qū)地表空間圖像，另一方面還能獲得該地區(qū)地物的連續(xù)光譜信息。這樣能夠在一定程度上解決遙感定量分析中光譜分辨率不足的問題，為水質(zhì)監(jiān)測提供更準確有效的數(shù)據(jù)來源。

3 遙感水質(zhì)監(jiān)測的常用方法

遙感水質(zhì)監(jiān)測的常用方法（如圖2 所示）。主要可以分為以下4 個步驟。1）尋找并確定待監(jiān)測水域，對水體進行水樣采集并進行遙感影像獲取準備工作。2）根據(jù)監(jiān)測需要，對取樣水體進行參數(shù)化驗。3）對遙感影響數(shù)據(jù)進行預處理，選擇適當?shù)姆囱莶ǘ螖?shù)據(jù)組合。4） 根據(jù)實際情況選擇適合的水質(zhì)監(jiān)測方法，并生成反演圖。最后根據(jù)結果對水體質(zhì)量進行分析和總結并撰寫水體監(jiān)測報告。

圖2 遙感水質(zhì)監(jiān)測常用方法示意圖

3.1 模型分析法

光輻射在射入水體表面后，水中含有的懸浮物、化學物質(zhì)以及微生物會對光譜的折射和散射造成一定的影響，研究人員可以利用遙感影響技術對水中光束吸收量、折射量以及散射量進行收集和分析，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)建立關系模型，從而獲得水質(zhì)參數(shù)信息。水質(zhì)遙感模型分析法于1975 年被首次提出，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展已經(jīng)成功建立出一套水體反射率的分析模型，為遙感水質(zhì)監(jiān)測奠定了基礎。

3.2 經(jīng)驗分析法

將遙感數(shù)據(jù)與地面的水質(zhì)實測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立相應的統(tǒng)計回歸模型，反演出整個監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)。在實際測量中，監(jiān)測人員曾以某湖泊為監(jiān)測研究區(qū)域，分別于春季和夏季對水體進行采樣，檢測懸浮物的濃度，結合二期FY-3A/MERSI 衛(wèi)星遙感影像構建出了湖中總懸浮物的遙感反演模型。同時借助地面實測數(shù)據(jù)與高分1 號遙感影響數(shù)據(jù)，構建出了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡模型，進而分析水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)?？傮w來說，經(jīng)驗分析法的優(yōu)點是能夠快速的建立起遙感影像與實測數(shù)據(jù)之間的模型關系，快速取得反演結果。但是其存在的缺點也不可忽視，例如對不同地區(qū)和不同季節(jié)的水質(zhì)進行監(jiān)測時，實測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系缺乏一定的理論基礎，無法建立統(tǒng)一的標準。

3.3 半經(jīng)驗分析法

在考慮水體中雜質(zhì)的光學特性時，結合實測水質(zhì)參數(shù)值之間的統(tǒng)計關系對監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)情況進行分析和估測。在實際監(jiān)測工作中，監(jiān)測人員對實測光譜數(shù)據(jù)進行一階微分處理，將一階微分值與Landsat 遙感影像中的紅綠波段相結合，建立了水域中水體中氧含量的反演模型，實現(xiàn)了對水體氧含量的監(jiān)測。另外，結合GOCI 遙感影影像與實測數(shù)據(jù)，建立了水中葉綠素的濃度估算模型。半經(jīng)驗分析法不但考慮了數(shù)據(jù)模型統(tǒng)計特征還兼顧了水體中物質(zhì)的光學特征，能夠根據(jù)不同區(qū)域和不同季節(jié)對建立的數(shù)據(jù)模型進行適當?shù)男拚?，因此，半?jīng)驗分析法是當前監(jiān)測機構最常用的水質(zhì)監(jiān)測方法。

4 遙感水質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展趨勢

由于遙感監(jiān)測精度主要受到遙感波段的影響，因此，可以利用星載高光譜數(shù)據(jù)進行水質(zhì)參數(shù)反演，進而提升水質(zhì)監(jiān)測的精度。改進數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術，充分挖掘水體信息，提高遙感定量監(jiān)測精度，綜合利用3S 技術，建立水質(zhì)遙感監(jiān)測評價系統(tǒng)，進而更好地推動我國水體安全體系的發(fā)展。