陳 佳
(揭陽市環(huán)境監(jiān)測站,廣東 揭陽 522000)
水生態(tài)環(huán)境管理在保護(hù)水資源、解決水污染問題、評估水污染程度等方面發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。在進(jìn)行水生態(tài)環(huán)境管理時(shí),遙感技術(shù)是一種必不可少輔助技術(shù)手段,對該技術(shù)手段應(yīng)用進(jìn)行探討分析,對于推動水生態(tài)環(huán)境管理發(fā)展具有重要意義。
與其他勘測技術(shù)相比,遙感技術(shù)有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。由于很多傳統(tǒng)勘測技術(shù)需要到現(xiàn)場進(jìn)行勘測,但很多地區(qū)實(shí)地條件不適合現(xiàn)場勘測,所以可以采用遙感技術(shù),實(shí)現(xiàn)對這些區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)測,這是因?yàn)檫b感技術(shù)能夠遠(yuǎn)程感知不同監(jiān)測物體產(chǎn)生的電磁波長,通過分析不同波長差異性,來進(jìn)行遠(yuǎn)程勘測分析處理,從而能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)勘測技術(shù)在遠(yuǎn)程勘測方面的缺陷。同時(shí),遙感技術(shù)勘測還具有實(shí)時(shí)性與持續(xù)性特點(diǎn),因此能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)追蹤,反映環(huán)境污染最真實(shí)的情況,便于技術(shù)人員根據(jù)遙感獲得的信息,科學(xué)合理預(yù)測其發(fā)展趨勢,并做好相對應(yīng)的策略制定,對提升環(huán)境治理效率及水平有著重要意義。
紅外遙感技術(shù)是一種限于紅外波段范圍內(nèi)的遙感監(jiān)測技術(shù),具體范圍通常在0.77~1 000 μm。在水生態(tài)環(huán)境管理中,我們可以應(yīng)用這一技術(shù),能夠進(jìn)行水環(huán)境的監(jiān)測,且監(jiān)測內(nèi)容也比較多樣,比如水華、水溫、水色、水質(zhì)等,從而幫助水生態(tài)管理人員了解水環(huán)境的詳細(xì)信息[1]。不僅如此,由于可見光與近紅外波段對不同水質(zhì)比較敏感,因此在實(shí)際進(jìn)行水體污染遙感監(jiān)測時(shí),我們可以在紅外遙感技術(shù)的幫助下,從整體上利用水污染程度與多光譜反射率之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)水污染遙感反演。比如紅外遙感技術(shù)本身具有多光譜信息與高分辨率的優(yōu)勢,因此我們可以借助這一優(yōu)勢,利用可見光和近紅外波段對水環(huán)境污染分布變化進(jìn)行反演,最終實(shí)現(xiàn)對水污染分布的變化監(jiān)測,從而為水生態(tài)環(huán)境管理提供準(zhǔn)確的信息支持。
微波遙感(1 mm~1 000 m波長)在實(shí)際監(jiān)測時(shí),主要利用微波傳感器對已識別的地物進(jìn)行判讀,從中獲取不同地物的電磁輻射。由于水體與陸地之間電磁輻射反射特征不同,因此借助微波遙感,可輕松實(shí)現(xiàn)水體的識別,從而能夠?qū)0毒€以及相應(yīng)陸地區(qū)域的洪水分布變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與了解。
高光譜遙感技術(shù)能夠獲取一些比較狹窄的光譜連續(xù)圖像數(shù)據(jù),因此在水環(huán)境監(jiān)測方面,更具有優(yōu)勢。比如與一般的遙感監(jiān)測技術(shù)相比,高光譜遙感能夠獲取連續(xù)光譜特征,從而能夠真實(shí)全面地展現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)的細(xì)節(jié)變化。
遙感技術(shù)是一種應(yīng)用比較廣泛的水生態(tài)環(huán)境管理技術(shù)。由于藍(lán)藻水華與一般的水體存在明顯的光譜特征差異。一般水華在700 nm以后,光譜本身具有比較明顯的“陡坡效應(yīng)”,這種效應(yīng)具體是遙感監(jiān)測指光譜變化的特征。一般水華的富集程度越高,光譜峰值也會越來越大,陡坡效應(yīng)自然越來越明顯[2]。而對正常水體來說,在近紅外波段,由于不存在藍(lán)藻水華,因此遙感光譜反射率下降,因此并沒有這種陡坡效應(yīng),因此可將陡坡效應(yīng)作為監(jiān)測水環(huán)境水污染情況的依據(jù)。與此同時(shí),在遙感技術(shù)監(jiān)測藍(lán)藻水華實(shí)踐過程中,主要監(jiān)測的是水華的具體分布位置以及分布面積,而后者占整個太湖面積之比,便決定了太湖遭受水華污染程度的大小。同時(shí)配合地面實(shí)測手段,用于監(jiān)測藍(lán)藻的細(xì)胞密度,用于表述水華具體的污染程度。在此基礎(chǔ)上,還會用到歸一化植被指數(shù)(NDVI),該指數(shù)是指近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和,通過該指數(shù),能夠了解藍(lán)藻水華的生長狀態(tài)及具體覆蓋程度。通常情況下,只需要具備兩個波段的遙感數(shù)據(jù),即有紅波段數(shù)據(jù)與近紅外波段數(shù)據(jù),便能夠?qū)崿F(xiàn)對藍(lán)藻水華的監(jiān)測。在實(shí)際實(shí)踐中,如圖1所示,圖中的藍(lán)色區(qū)域便是2009—2014年太湖水域藍(lán)藻水華發(fā)生頻率最高的區(qū)域,而紅色與紫色區(qū)域則是上述時(shí)間段水華發(fā)生次數(shù)在30~90次的區(qū)域。在上述區(qū)域中,通常是水生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)監(jiān)測與管理的區(qū)域,而其他區(qū)域則表明水華程度并不嚴(yán)重,水質(zhì)較好,無需重點(diǎn)監(jiān)測與管理。
圖1 2009—2014年太湖水華發(fā)生頻次
在水生態(tài)環(huán)境管理過程中,城市黑臭水的監(jiān)測也是其中一項(xiàng)非常重要的工作內(nèi)容。但實(shí)際進(jìn)行城市黑臭水監(jiān)測時(shí),由于城市建筑物密集,黑臭水地理位置分布較為復(fù)雜多變,因此采用傳統(tǒng)的遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測存在多種缺陷問題。比如采用傳統(tǒng)可見光遙感技術(shù),由于只有“紅、綠、藍(lán)”三種波段,因此在實(shí)際監(jiān)測過程中很難建立植被、水體、黑臭水污染程度、漂浮垃圾等多層次關(guān)鍵參數(shù)信息,難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)積累,無法對城市河道各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。而采用傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù),由于該技術(shù)實(shí)時(shí)性較弱,精準(zhǔn)度有待提升,無法對一些細(xì)小河流進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測,尤其是無法精確監(jiān)測出城市河流黑臭水漂浮垃圾的形狀、分布以及河岸綠化等信息,難以保障監(jiān)測的準(zhǔn)確全面性。
針對傳統(tǒng)遙感技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境管理中存在的一些缺陷,采用多光譜遙感技術(shù)+無人機(jī)監(jiān)測方案能夠得到有效解決。首先,多光譜遙感技術(shù)是利用具有兩個以上波譜通道的傳感器對地物進(jìn)行同步成像的一種遙感技術(shù),采用多波段攝影機(jī)、掃描儀等進(jìn)行攝影成像,可獲得更為豐富的光譜信息,相較于傳統(tǒng)單波段遙感攝影,這種技術(shù)能夠提供更豐富且精細(xì)化的遙感信息,成像效果更好。通過搭載無人機(jī)的使用,能夠使遙感監(jiān)測更加靈活。而且這種遙感監(jiān)測手段能夠采用5~6個通道,解決了傳統(tǒng)遙感監(jiān)測可見光信息量少、高光譜數(shù)據(jù)冗余問題;同時(shí)相較于衛(wèi)星遙感,在監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取方面,也更加靈活,獲取的數(shù)據(jù)也更精準(zhǔn),能夠?qū)崿F(xiàn)全流域、多尺度岸線生態(tài)、水污染分布展示。
在具體實(shí)踐方面,針對某城市黑臭水河流開展無人機(jī)光譜遙感監(jiān)測作業(yè),作業(yè)長度為12 km,本次作業(yè)采用了經(jīng)緯M210四旋翼無人機(jī),搭載MS600Pro6通道多光譜相機(jī)。首先,需要先獲取河道數(shù)據(jù),通過操縱無人機(jī)進(jìn)行遙感攝影,對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)。同時(shí)從拍攝的DN值中獲得地物真實(shí)反應(yīng)率。本次飛行作業(yè)時(shí)長為130 min,實(shí)際進(jìn)行多光譜攝像時(shí),很容易受外界光線變化影響,因此一天最佳飛行攝像時(shí)間為上午10:00至下午3:00。在完成數(shù)據(jù)獲取后,需要采用Yusense Map+行業(yè)應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終實(shí)現(xiàn)高效專題制圖及報(bào)告生成,有效簡化數(shù)據(jù)處理工作量。最后利用Yusense River河道GIS展示插件進(jìn)行數(shù)據(jù)成果展示,如圖2所示。
圖2 無人機(jī)多光譜遙感河道黑臭水識別監(jiān)測成果圖
我們從遙感技術(shù)具備的優(yōu)勢了解到,該項(xiàng)技術(shù)無論是在水生態(tài)環(huán)境管理中,還是在其他領(lǐng)域,均有著較為廣闊的發(fā)展前景。尤其是遙感技術(shù)能夠監(jiān)測常規(guī)技術(shù)手段無法到達(dá)的區(qū)域,因此該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)展。除了能夠在冰川凍土或者高寒山區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測外,還能夠深入地下,進(jìn)行污水下基巖裂縫信息的監(jiān)測,從而獲取相關(guān)信息。同時(shí),遙感技術(shù)監(jiān)測具有持續(xù)性特點(diǎn),因此能夠持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新,實(shí)時(shí)把握監(jiān)測區(qū)域的最新動態(tài)。此外,針對核電站溫排水對水環(huán)境生態(tài)平衡影響的特殊監(jiān)測內(nèi)容也可以應(yīng)用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn),核能能源雖然本身比較清潔,不會排放污染氣體,也不會造成溫室效應(yīng),但核電站在實(shí)際運(yùn)行時(shí),由于核能發(fā)揮作用時(shí)產(chǎn)生了大量熱量,因此需要用大量海水降溫冷卻,這些被加入的海水會排放到附近海域中,影響整體海水水域的生態(tài)環(huán)境,除了影響海水內(nèi)各種生物種群繁衍外,還會影響水體的理化性質(zhì),同時(shí)也會降低氧氣在水中的溶解度,導(dǎo)致海水生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴(yán)重的變化[3]。因此為了更好地實(shí)時(shí)了解這些變化情況,可以利用遙感技對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,更好地保護(hù)海水自然生態(tài)環(huán)境。如今隨著遙感技術(shù)應(yīng)用發(fā)展日益成熟,在各個領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用,這有效推動了遙感技術(shù)商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程,未來遙感技術(shù)成為一種規(guī)范化商品化的產(chǎn)品已經(jīng)是一種必然的趨勢,這對于遙感技術(shù)作用價(jià)值充分發(fā)揮與展現(xiàn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
綜上所述,在水生態(tài)環(huán)境管理過程中,遙感技術(shù)發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用價(jià)值,因此需要我們在認(rèn)識遙感技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,了解在水生態(tài)環(huán)境管理中應(yīng)用到的一些遙感技術(shù),并結(jié)合實(shí)際案例,討論遙感技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境管理的實(shí)踐,對遙感技術(shù)未來發(fā)展進(jìn)行展望,促使遙感技術(shù)發(fā)揮出更大的作用價(jià)值。