滿建舫，劉 陽(yáng)，蘇 慧

（徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000）

水源是自然生態(tài)環(huán)境正常運(yùn)轉(zhuǎn)的源泉和動(dòng)力，也是自然界中的不可再生資源。只有水質(zhì)良好才能保證人民的生活質(zhì)量，并推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和騰飛。但工業(yè)發(fā)展勢(shì)必會(huì)影響生態(tài)環(huán)境，水資源因?yàn)楣I(yè)的固液廢棄物排放受到一定污染。水資源污染不僅影響居民的日常生活，也制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[1]。

在環(huán)境保護(hù)的大方向上，需要加大水質(zhì)的監(jiān)測(cè)力度，做好前期預(yù)防工作，避免后期進(jìn)行水質(zhì)恢復(fù)，導(dǎo)致相關(guān)治理成本上升。對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，能快捷準(zhǔn)確捕捉到水質(zhì)問題。水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)工作十分重要，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)單純采取遙感方式，對(duì)于水源的質(zhì)量問題只能有一個(gè)大概了解，無(wú)法精確監(jiān)測(cè)到水域存在的具體環(huán)境生態(tài)問題。如果水體被污染，只能檢測(cè)到水體污染的大概位置，至于污染源排查、污染面積估算等都無(wú)法進(jìn)行[2]，難以推動(dòng)后續(xù)的水質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等工作進(jìn)行。

工業(yè)化的不斷發(fā)展推動(dòng)了城市化的發(fā)展，城市中的水質(zhì)問題變成了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易⒁獾膯栴}。水環(huán)境污染問題已經(jīng)成為阻礙城市快速發(fā)展的重要因素，水質(zhì)污染對(duì)城市居民的影響已經(jīng)超出想象。多源高分影像技術(shù)和遙感監(jiān)測(cè)結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)下水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，單一的高分影像對(duì)水質(zhì)的辨別只能監(jiān)測(cè)出水質(zhì)受到了污染，無(wú)法對(duì)水質(zhì)污染進(jìn)行分級(jí)。本文設(shè)計(jì)了基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)新方法，可以充分發(fā)揮出遙感技術(shù)成本低、監(jiān)測(cè)范圍大的特點(diǎn)，提升水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率[3]。

1 基于多源高分影像的水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取和處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水質(zhì)污染的判定是按照國(guó)家的污染指標(biāo)進(jìn)行的[4]，污水的判定和測(cè)定方法詳見表1。

多源高分影像主要利用現(xiàn)場(chǎng)收集的方式實(shí)現(xiàn)，采用光譜儀器進(jìn)行測(cè)定，由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光照有一定條件限制[5]，測(cè)試需要選擇陽(yáng)光充裕的時(shí)間段。數(shù)據(jù)采集的儀器與陽(yáng)光的角度為90°～130°。在采樣點(diǎn)，計(jì)算水的遙感反射率公式為：

式中：α為光譜的波長(zhǎng)（m）；Wα為水面上的直觀可見度（m）；Sα為水下的輻照度（W/m2）。

1.2 多源高分影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了讓遙感圖像在有限的圖像中顯示出更多信息，需要提升圖像分辨率[6]。為此，采用衛(wèi)星識(shí)圖的方式獲取多源高分影像，以此得到兩種分辨率的圖像，分辨率高有利于精準(zhǔn)分辨細(xì)小河流中的水質(zhì)。多源高分影像的分辨率比較高[7]，與遙感技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)多角度的分辨率辨別，多源高分影像處理后的DN值如圖1所示。

圖1 多源高分影像的DN值

分析圖1 中的多源高分影像處理之后的DN 值可知，多源高分影像的數(shù)據(jù)更加精細(xì)，和傳統(tǒng)的水體光譜進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)不同波段可以將水質(zhì)的指標(biāo)全面分類。通過圖1 可以看出多源高分影像，可以避免多種因素如水下的動(dòng)植物正?；顒?dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)值的影響[8]，且不同波段的DN 值不同，可以實(shí)現(xiàn)光譜一致性的基本要求，提升監(jiān)測(cè)精度。

2 水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)圖像校正

在遙感成像的過程中，圖像的傳感器受移動(dòng)速度、空氣變化和平臺(tái)高度等約束條件影響，導(dǎo)致水質(zhì)的監(jiān)測(cè)圖像會(huì)出現(xiàn)一定偏差。為了減少客觀因素帶來(lái)的誤差，需要對(duì)水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)圖像進(jìn)行校正，去掉遙感圖像對(duì)應(yīng)地面目標(biāo)的幾何畸變，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行映射校正[9]。由于室外校正地點(diǎn)的特殊性，監(jiān)測(cè)結(jié)果主要受光照因素的影響。在遙感數(shù)據(jù)采集的過程中為了獲得水質(zhì)的真實(shí)信息，需要去掉多源高分影像中的氣溶膠散射等影響因素。大氣校正效果可以直接影響遙感檢測(cè)圖像的精度，波段大氣反射率計(jì)算公式如下：

式中：e為波段大氣反射率；rs為遙感的整體反射率；fs為陽(yáng)光在90°～125°的光譜輻照度[W/（m2·μm）]。

原始的基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)圖像的方根誤差計(jì)算公式為：

式中：a1為方根誤差（mm）；pn為采樣點(diǎn)的反射率；qn為經(jīng)過大氣影響后的反射率；m是整個(gè)水質(zhì)區(qū)域的采樣數(shù)量。

多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)圖像的絕對(duì)誤差計(jì)算公式如下：

然后進(jìn)行波段的反差率的比較，建立監(jiān)測(cè)的比值模型：

式中：R(α)綠為在綠色光光譜波段的遙感反射率；R(α)紅為在紅色光光譜波段的遙感反射率；(b,c)為檢測(cè)范圍的閾值。

若超過閾值則證明該地區(qū)的水產(chǎn)生了污染，需要注意。為了將正常水質(zhì)的水和被污染的水區(qū)分開來(lái)，需要計(jì)算二者之間的特征差異。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輕度污染、中度污染、重度污染的水和正常水質(zhì)的水的對(duì)比[10]。中度污染和重度污染的光譜幾乎已經(jīng)不具備正常水質(zhì)的特點(diǎn)，遙感反射率非常低，而輕度污染和正常的水質(zhì)反射率較高，可結(jié)合該特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法的實(shí)用性，將該水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法、基于2A 衛(wèi)星的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比較，對(duì)比3種方法的監(jiān)測(cè)精度。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由遙感數(shù)據(jù)采集而來(lái)的遙感影像轉(zhuǎn)變而來(lái)。將徐州市的某主要河流作為研究對(duì)象，研究區(qū)域傳回的多源高分影像包含17個(gè)光譜數(shù)據(jù)，為了方便研究將光譜數(shù)據(jù)按照波段進(jìn)行分類，分為5個(gè)波段，光譜信息詳見表2。

表2 光譜波段信息

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集為次/2 h，采集的都是同一天的基 礎(chǔ) 信 息，主 要 監(jiān) 測(cè) 水 中 的CODMn、BOD5、DO 和NH3-N 的含量，其中NH3-N 含量是常見的水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，主要來(lái)源于水下生物的排泄物和水生植物的尸體分解。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用基于多源高分影像的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法、基于2A 衛(wèi)星的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法，對(duì)5個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的誤差對(duì)比如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本方法對(duì)NH3-N 的含量監(jiān)測(cè)誤差在0.05～0.12，而傳統(tǒng)的2 種方式的監(jiān)測(cè)誤差遠(yuǎn)高于本方法，所以本方法檢測(cè)誤差更小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以多源高分影像技術(shù)可以分辨出傳統(tǒng)的正常水質(zhì)和受到污染的水質(zhì)之間的光譜區(qū)別原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新的水源地水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法，將遙感技術(shù)和多源高分影像技術(shù)進(jìn)行充分融合，提升了監(jiān)測(cè)精度。但本研究也有很多不足之處，希望在未來(lái)的研究中可以擴(kuò)大范圍，多收集水質(zhì)樣品，進(jìn)行更加全面的研究。