呂俊鵬，田 耘，黃賢文，王靜林

（深圳市邁珂斯環(huán)?？萍加邢薰荆瑥V東 深圳 518110）

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加速，暴露的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重，特別是水污染問題越來越多地影響著人們的工作和生活。工業(yè)廢水的無序排放，對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的損害。環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了“中國(guó)環(huán)境狀況”，足以說明我國(guó)的水環(huán)境不樂觀，地表水普遍受到污染，一些城市河段也受到嚴(yán)重污染。水污染的最直接影響是為人類健康帶來嚴(yán)重的威脅。根據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，在發(fā)展中國(guó)家，超過70多種疾病與水污染有關(guān)，因此，水污染直接或間接地影響著人們的健康和生活，所以必須要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線水質(zhì)探測(cè)器，不僅能夠保證檢測(cè)速度，而且成本較低，適合廣泛使用。目前，水質(zhì)探測(cè)器正在向自動(dòng)化、智能多功能化和集成化方向發(fā)展，如可以直接利用紫外線吸收光譜法檢測(cè)水中污染物的濃度。而具有獨(dú)特的高光譜技術(shù)的高光譜遙感技術(shù)可以對(duì)水中沉積物的含量和污染濃度進(jìn)行有效識(shí)別，對(duì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)環(huán)境具有獨(dú)特的影響，水反射的光譜可通過黃色物質(zhì)、藻類的較低吸收、藻酸鹽的吸收、葉綠素的強(qiáng)吸收等實(shí)現(xiàn)。

1 高光譜遙感技術(shù)相關(guān)概述

1.1 高光譜遙感技術(shù)介紹

高光譜遙感技術(shù)主要是指高光譜分辨率。換句話說，就是由多段窄電磁波波段組合而成的連續(xù)的光譜曲線，每一小段的電磁波波段通常情況下都在10 nm以內(nèi)。而遙感主要是指在實(shí)際探測(cè)目標(biāo)特性的過程中，探測(cè)器不需要直接接觸探測(cè)目標(biāo)，而是通過分析記錄接收等方式收集電磁波的特性信息，以此來明確探測(cè)目標(biāo)的變化及特征性質(zhì)。

高光譜遙感技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，這種技術(shù)本質(zhì)上屬于一種新出現(xiàn)的觀測(cè)技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的遙感技術(shù)來說，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)越性十分顯著。首先，高光譜的波段組成更加豐富。而從數(shù)據(jù)量變化的角度來進(jìn)行分析，伴隨著波段數(shù)的逐漸增加，數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)也會(huì)逐漸呈現(xiàn)出指數(shù)性的狀態(tài)。其次，相鄰的波段之間有著較高的相關(guān)性，光譜曲線不僅具有連續(xù)的特點(diǎn)，同時(shí)還具有完整的特點(diǎn)，尤其是在對(duì)寬光譜遙感探測(cè)技術(shù)難以探測(cè)到的物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)的過程中有著十分顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，高光譜波段自身的分辨率普遍相對(duì)較高，其能夠?qū)τ谖镔|(zhì)的細(xì)微特征進(jìn)行詳細(xì)以及輕微的反應(yīng)，在實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)過程中，探測(cè)結(jié)果的精細(xì)度相對(duì)較高。最后，這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行雙重信息的提供，不僅可以提供光譜域的信息，同時(shí)也可以提供空間域信息。在上述基礎(chǔ)上，地面實(shí)際測(cè)量的光譜曲線和成像光譜儀得到的光譜曲線能夠真正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的類比，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。

高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)超過20年。它是在成像光譜的基礎(chǔ)上開發(fā)的，并且在一定的光譜范圍連續(xù)分布。這不僅僅是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)量，而且隨著頻譜空間信息量的增加，為了使用遙感技術(shù)，監(jiān)控表面的環(huán)境變化可提供更多信息，這也使傳統(tǒng)遙控器感知的監(jiān)測(cè)目標(biāo)在自然界發(fā)生了變化。傳統(tǒng)的遙感可以被視為光譜空間的離散采樣，因此可以區(qū)分目標(biāo)，其在光譜空間中通常有明顯的差異，例如具有完全不同的光學(xué)行為的水體、植被、裸地等，而高光譜分辨率遙感由于滿足連續(xù)性及光譜可分性的要求，可以區(qū)分不同類別的同一物種，這無疑成為在環(huán)境調(diào)查中應(yīng)用遙感技術(shù)更完整的理論依據(jù)。強(qiáng)大的檢測(cè)方法，也會(huì)使數(shù)據(jù)處理和信息分析技術(shù)發(fā)生根本變化。

1.2 高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用

在實(shí)際針對(duì)環(huán)境相關(guān)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，遙感技術(shù)的應(yīng)用十分普遍。由于高光譜數(shù)據(jù)自身具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，不僅能夠使監(jiān)測(cè)的精度得到進(jìn)一步提升，且在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域及地質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用都十分普遍。在實(shí)際判斷污染源擴(kuò)散影響范圍、污染源周圍擴(kuò)散條件、污染源分布等方面問題時(shí)，高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值均相對(duì)較高。另外，這項(xiàng)技術(shù)還能夠被應(yīng)用于熱污染的監(jiān)測(cè)，例如：通過在衛(wèi)星上放置遙感儀器，研究人員通過對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行清晰以及全面的觀察，則能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)具有熱紅外波段的焚燒點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)焚燒點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

從高光譜遙感技術(shù)自身的角度進(jìn)行分析，其光譜分辨率能夠達(dá)到納米級(jí)別，因此，在進(jìn)行生態(tài)領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測(cè)的過程中，高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用也十分普遍。從現(xiàn)實(shí)研究的角度進(jìn)行分析，主要包括生物量估算分析、葉面指數(shù)計(jì)算、植被識(shí)別以及植被指數(shù)提取幾個(gè)方面。

從地質(zhì)領(lǐng)域的角度進(jìn)行分析，人們通過合理應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)，不僅能夠獲得更為豐富的礦物和巖石吸收反射數(shù)據(jù)，同時(shí)通過合理應(yīng)用這些數(shù)據(jù)還能夠有效地辨別礦物巖石的種類，并且填涂勘察地質(zhì)環(huán)境的應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。

與傳統(tǒng)的低頻分辨率遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)在土地觀察和環(huán)境調(diào)查中得到了更廣泛的應(yīng)用，可以大大提高地物方面的分辨識(shí)別能力，可區(qū)分同一地物的不同類別，這在傳統(tǒng)的低頻光譜分辨率遙感技術(shù)中很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于成像光譜的波段變窄，可選擇的成像通道變多，因此“異物同譜”和“同譜異物”的現(xiàn)象減少，只要波段的選擇和組合恰當(dāng)，就可以很好地控制一些地物光譜空間混淆的現(xiàn)象，這無疑為進(jìn)一步分析提供了最可靠的保證。

1.3 高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展

高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，它是根據(jù)光譜曲線的形態(tài)來識(shí)別地面物體。它利用成像光譜儀在連續(xù)幾十個(gè)甚至幾百個(gè)光譜通道獲取地物輻射信息，在取得地物空間圖像的同時(shí)，每個(gè)像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線。這使在寬波段遙感中不能檢測(cè)到的物質(zhì)可以在高光譜遙感中檢測(cè)到，在黑臭水體遙感監(jiān)測(cè)中，高光譜遙感技術(shù)可以區(qū)分不同污染源和不同污染程度的黑臭水體。中國(guó)科學(xué)院的遙感研究已經(jīng)在北京等城市進(jìn)行了十多次黑臭水體實(shí)驗(yàn)，累計(jì)在141個(gè)地區(qū)進(jìn)行取樣?；诤诔羲w和一般水體的水面反射率光譜差異，開發(fā)決策分類樹，可以區(qū)分一般水、三種類型的輕度黑臭水體和七種類型的重度黑臭水體?？梢蚤_發(fā)基于純度算法的多光譜遙感算法，識(shí)別出一種類型的重度黑臭水體，基于這種方法，監(jiān)測(cè)水質(zhì)的分布也是高光譜遙感的重要應(yīng)用。由于水草和水華光譜與植被光譜具有一定的相似性，常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)很難精確識(shí)別水華和水草，只有高光譜遙感數(shù)據(jù)才能夠捕捉復(fù)雜多變的水華、水草和水體細(xì)致的光譜差異，從而精確地識(shí)別水和水草。水環(huán)境遙感研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了9個(gè)水質(zhì)參數(shù)，如水葉綠素濃度、總懸浮濃度和水色FU值等，同時(shí)包括19個(gè)反演模型，成為國(guó)內(nèi)第一家水環(huán)境遙感系統(tǒng)在國(guó)家和省級(jí)環(huán)境保護(hù)部門的業(yè)務(wù)體系中運(yùn)作的案例。

2 高光譜檢測(cè)在環(huán)境水質(zhì)分析中的應(yīng)用

2.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)原理

水污染遙感是指使用地面、航空、空間和其他遙感平臺(tái)來檢測(cè)河流、湖泊、水庫(kù)和海洋、水、排放、吸收特性的變化，從而實(shí)現(xiàn)水污染分布和水污染的快速監(jiān)測(cè)[1]。利用測(cè)試變量的NDVI值，使用CART算法來確定分離閾值，并通過構(gòu)建決策樹的方法來分析藍(lán)藻水。藻類、溶解性有機(jī)物、化學(xué)物質(zhì)、水中懸浮物、油類物質(zhì)、熱釋放物等，都是作為水環(huán)境評(píng)估依據(jù)的參數(shù)，且不同物質(zhì)的光譜特性是不同的。

藻類，本質(zhì)上屬于溶解性有機(jī)物的一種，屬于化學(xué)物質(zhì)的一種，也是懸浮在水中的一種物質(zhì)，同時(shí)它也是一種十分常見的油類物質(zhì)，能夠進(jìn)行熱釋放、病原體的釋放等，這些都是在進(jìn)行水環(huán)境評(píng)估過程中所依據(jù)的最為重要的參數(shù)。而不同物質(zhì)具有不同的光譜特征，例如。葉綠素、藻青蛋白、藻類以及黃色物質(zhì)所吸收的波長(zhǎng)分別為675 nm、624 nm、560～590 nm以及400～500 nm。但是從另外一個(gè)角度講，在水質(zhì)不同的情況下，水中所含有的以上物質(zhì)的數(shù)量以及比例也存在較大的差異。因此，從遙感圖像的角度進(jìn)行分析，所反映出來的變化和色段也會(huì)呈現(xiàn)出較多的差異性，通過合理應(yīng)用上述特性，就可以借助遙感技術(shù)對(duì)水環(huán)境的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及收集，進(jìn)而明確水環(huán)境所具有的特征。如果水質(zhì)出現(xiàn)了被污染的情況，其光譜特征也會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)，其所呈現(xiàn)出的狀態(tài)也會(huì)與清潔水質(zhì)之間存在相對(duì)較大的差異。

2.2 檢測(cè)儀器

通過兩個(gè)設(shè)備儀器可以實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的獲取：非成像光譜儀和成像光譜儀。非成像光譜儀與便攜式超光譜儀和場(chǎng)光譜儀很常見，非成像光譜儀主要用于表面校準(zhǔn)空氣傳播的成像光譜儀，測(cè)量水質(zhì)參數(shù)以及水體光譜反射曲線。成像光譜儀將圖像與頻譜相結(jié)合，能夠真正實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”。另外，現(xiàn)實(shí)中也將成像光譜儀稱為高光譜成像儀，可以用于水環(huán)境檢測(cè)以及實(shí)際工作中水質(zhì)環(huán)境的觀察。非成像光譜儀又分為野外光譜儀和便攜式超光譜儀，非成像光譜儀大都應(yīng)用于野外的水體光譜反射的曲線測(cè)量，也應(yīng)用于表面校準(zhǔn)記載成像光譜儀的水質(zhì)測(cè)量。而成像光譜儀又被成為高光譜成像儀，它能綜合測(cè)量地物光譜與圖形。通常成像光譜儀有三種使用方式，即在地面放置的成像光譜儀、利用小型飛機(jī)作為平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行搭載使用的成像光譜儀、在航天飛行器中搭載使用的成像光譜儀。這三種方式都可以檢測(cè)水環(huán)境，在實(shí)際開展工作的過程中，應(yīng)注意結(jié)合水環(huán)境面積、研究經(jīng)費(fèi)、是否需要移動(dòng)等多種因素選擇使用其中的一種方式。因此，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，利用高光譜遙感技術(shù)能夠有效提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量，在未來的發(fā)展過程中，水質(zhì)監(jiān)測(cè)空間仍具有擴(kuò)展的可能。

2.3 實(shí)際應(yīng)用

在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中根據(jù)水中光譜反射率、波譜數(shù)據(jù)分析、水體光譜特征等對(duì)水體泥沙的含量、水污染程度、污染類型等進(jìn)行判斷、分析。回歸分析和預(yù)測(cè)是環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中最常用的分析方法。PHI成像光譜圖像可以對(duì)紅潮生物優(yōu)勢(shì)物種進(jìn)行識(shí)別，高光譜圖像可以反映懸浮物濃度、葉綠素富集、水深和其他水的特性。紅潮水體與普通海水的光譜特性之間存在明顯的差異，并且在不同優(yōu)質(zhì)藻類之間的頻譜特性也存在顯著差異。目前，成像光譜儀在大型檢測(cè)站中得到廣泛應(yīng)用，旨在監(jiān)測(cè)河口污染、海面溢油、赤潮等海洋災(zāi)害，是以動(dòng)態(tài)化的方式，利用成像光譜儀、水面超光譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了大量數(shù)據(jù)信息，這有助于分析污染物濃度及水面反射率，進(jìn)而獲取總懸浮物濃度與水面反射率的最佳光譜通道。尤其我國(guó)在開展西部金睛行動(dòng)中，對(duì)水體光譜反射率計(jì)算泥沙含量的最佳波段和可行性選擇研究以及高光譜遙感水體深度研究和識(shí)別水污染程度研究方面取得了重大突破。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)水環(huán)境過程中，通過借助高光譜遙感技術(shù)，不僅能夠達(dá)到對(duì)探測(cè)目標(biāo)的光譜特性進(jìn)行收集的目的，在進(jìn)行實(shí)際分析的過程中，還可以有效覆蓋以下幾個(gè)方面：首先，在充分結(jié)合水體光譜反射率的基礎(chǔ)上，能夠?qū)λh(huán)境中的最佳波段以及泥沙的含量進(jìn)行合理有效地探測(cè)。其次，能夠輔助相關(guān)人員明確水體的深度。此外，還能夠有效分析波譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性，對(duì)內(nèi)陸水體的污染程度進(jìn)行合理有效地評(píng)估，方便相關(guān)人員在充分了解水體污染程度的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地進(jìn)行水體治理方案的制定。最后，通過充分了解水體自身所具有的光譜特征，對(duì)所獲得的相關(guān)信息進(jìn)行全面地分析，達(dá)到對(duì)水環(huán)境的污染類型進(jìn)行判斷的目的[2]。在開展環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)活動(dòng)過程中，最常用的兩種方法就是回歸預(yù)測(cè)及回歸分析。但是，在實(shí)際應(yīng)用上述兩種方法的過程中，由于其應(yīng)用領(lǐng)域普遍存在較大的差異性，因此，要能夠合理地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，確保在實(shí)際進(jìn)行環(huán)境水質(zhì)分析過程中，高光譜遙感技術(shù)的價(jià)值能夠真正得到全面及充分地發(fā)揮，為環(huán)境污染問題的有效解決打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，尤其是為我國(guó)環(huán)境治理工作的正常開展提供充足及全面的支撐。

3 總結(jié)

目前，在實(shí)際進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)工作的過程中，我國(guó)許多研究人員將高光譜遙感檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了更好的應(yīng)用效果，該技術(shù)為我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的完成提供了充分的保障及支撐。高光譜技術(shù)具有非常廣闊的前景，挖掘光譜數(shù)據(jù)、水質(zhì)檢測(cè)模型計(jì)算等也具有巨大的研究潛力。