楊林華

（廣東景源環(huán)保有限公司，廣東 佛山 528200）

1 遙感技術基本概述

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和管理工作涉及面比較廣，是一個動態(tài)、長期、大規(guī)模的工作，其管理工作有很多種，比如地方生態(tài)環(huán)境保護部門自查，或是上級生態(tài)環(huán)境主管部門檢查以及社會監(jiān)督。環(huán)境管理部門如果繼續(xù)采用常規(guī)的實地考察方法，不僅工作量大且時間短，很難獲得相關資料，還要花費巨資進行升級，尤其在邊遠地區(qū)，由于地域和裝備等原因，很難進行有效的監(jiān)督和管理[1]。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，進一步促進了科學技術的飛速發(fā)展，其中遙感技術在環(huán)境生態(tài)建設中的應用范圍在逐漸擴大。遙感技術的工作原理是借助改變目標的反射和輻射波探測與識別待測物體，準確獲取一些地球表面地理空間數(shù)據(jù)信息的一種技術。遙感技術是基于現(xiàn)代物理學、空間學、地理科學以及計算機等多種技術共同發(fā)展的一項技術，實用性與探測性能較高，在人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射后，為遙感技術的發(fā)展與應用奠定了重要基礎[2]。在當前現(xiàn)代化遙感技術中已經(jīng)涉及到對物體數(shù)據(jù)信息的獲取、傳輸保存及處理等多個環(huán)節(jié)，通過利用遙感技術可以準確對圖像進行定量和定性分析，準確掌握待測物體的實際情況，具有動態(tài)、宏觀等綜合性特點，可以幫助工作人員快速準確了解地理環(huán)境信息，因此在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮出顯著的作用。

2 常用的遙感技術

2.1 紅外遙感技術

紅外遙感技術主要是指僅限于使用紅外波的遙感監(jiān)測技術，一般適用范圍為0.77～1 000 μm。水生態(tài)環(huán)境管理通過充分利用紅外遙感技術，可以對水環(huán)境進行科學監(jiān)測，且監(jiān)測內(nèi)容呈多樣化，例如包括水色、水溫、水質(zhì)或者水華，所以其可以為管理人員提供多樣化水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。同時，因為遙感技術在應用期間對于各種不同水質(zhì)表現(xiàn)出較高敏感性，所以借助紅外遙感技術，可以及時掌握水體污染和多光譜反射率的關系，以達到水污染遙感反演的目的[3]。另外，紅外遙感技術可以發(fā)揮出多光譜信息和高分辨率特點，所以充分應用可見光與近紅外波段的特點，可以科學地反演水環(huán)境污染的分布變化情況，從而能夠加強對水污染分布的監(jiān)測，有助于管理人員更加準確地掌握相關信息。由此可見，光遙感技術作為一種常用的環(huán)境監(jiān)測技術，主要是利用各區(qū)域物體光譜反射率的差異原理，對目標物進行合理地識別和查詢。可見光和反射紅外技術在國內(nèi)發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，并且在進行環(huán)境監(jiān)測過程中，合理配合傳感器多個譜段信息源的復合，可以改善圖像處理技術以及信息提取方法，從而增強污染物的識別功能。

2.2 微波遙感技術

微波遙感技術主要是指波長范圍在1 mm～10 000 m的一種遙感技術，在應用過程中，通過微波傳感器科學地判讀已識別的物質(zhì)，得到相應的電磁輻射信息。因為水體和陸地表現(xiàn)出的電磁輻射特征存在顯著差異，利用該技術可正確識別水體，并快速了解海岸線或區(qū)域洪水分布變化的情況，實現(xiàn)科學管理。

2.3 無人機遙感技術

雖然目前地球上的觀測衛(wèi)星數(shù)量越來越多，但是在空間分辨率和可用性方面，衛(wèi)星傳感器的分辨率和可用性相對較低，導致在實際監(jiān)測環(huán)境變化的過程中無法準確管理數(shù)據(jù)信息[4]。但是在使用衛(wèi)星傳感器時，如果能夠在極短時間內(nèi)返回周期，需要消耗較大的成本。與傳統(tǒng)衛(wèi)星傳感器相比，無人機能夠在低空飛行，因此可以避免天氣、云層等因素的影響，從而能更快、更準確地獲取相應的圖像信息。簡單來說，無人機遙感技術可以應用于各種水質(zhì)、空氣以及突發(fā)事件的管理過程。無人機遙感技術不僅能夠有效獲取遙感數(shù)據(jù)，而且對于一些難以采集的區(qū)域，如水體、土壤等，也能實現(xiàn)有效地采集和監(jiān)測。

2.4 地基遙感技術

地基遙感主要是指在地面、低塔或者高塔等位置安裝傳感器，對地面有效探測的一項技術，因為該技術具有明顯的便攜性，監(jiān)測效率與準確度較高，所以在環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛應用。

2.5 高光譜遙感技術

高光譜遙感技術主要是獲取較為狹窄光譜連續(xù)圖像數(shù)據(jù)的技術，在水環(huán)境檢測應用上可以發(fā)揮重要優(yōu)勢[5]。與傳統(tǒng)遙感技術對比，高光譜遙感技術具備連續(xù)光譜的特征，可以全面展示監(jiān)測目標各個細節(jié)的變化，以獲取準確信息。

3 遙感技術在水生態(tài)環(huán)境管理中的應用研究

因為藍藻水華和常規(guī)水體的光譜特征表現(xiàn)出顯著差別，當水華達到700 nm后，光譜自身就會呈現(xiàn)出明顯的“陡坡效應”，該效應的具體表現(xiàn)是遙感監(jiān)測光譜的變化特征。通常水華富集程度表現(xiàn)越高，所對應光譜的峰值也會逐漸增高，陡坡效應表現(xiàn)得就越加明顯[6]。正常水體處在近紅外波段時，因為不包含藍藻水華，所以遙感光譜反射率相對較低，無法表現(xiàn)出陡坡效應，但能夠把陡坡效應的表現(xiàn)情況，作為判斷水環(huán)境污染的依據(jù)。遙感技術應用在藍藻水華管理監(jiān)測時，主要是對水華分布位置和面積進行監(jiān)測，水華分布一般會占據(jù)大部分水湖泊面積，所以其分布面積的具體程度，可以從一定程度上反映出水華污染程度，借助地面實測技術，可以監(jiān)測并掌握藍藻細胞的密度，從而分析和了解水華的具體污染程度。在上述基礎上，利用歸一化植被指數(shù)，可以分析并了解藍藻水華的生長狀態(tài)與實際覆蓋程度。因此，在實際應用過程中，只要兼?zhèn)浼t波段數(shù)據(jù)和近紅外波段數(shù)據(jù)，就可以對藍藻水華進行動態(tài)實時監(jiān)測。以太湖水域藍藻水華發(fā)生情況為例，從圖1的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，藍藻水華頻次分布情況與藍藻水華強度情況均能夠清晰顯示，所以能夠做到對重點污染區(qū)域的重點管理。

圖1 太湖藍藻水華污染示意圖

當河流、湖泊等水質(zhì)遭到一定污染后，其所具有的物理特性、化學特性與生物特性均會發(fā)生一定變化。通常情況下，各類污染物在電磁波上均表現(xiàn)出不同的吸收或反射特性，個別化合物對于某類特定波長電磁波的影響，還能夠形成特征熒光。因此，通過對水體中特定電磁波的吸收和反射進行檢測，再由計算機和光電儀器進行有效處理，就能大致了解水的污染程度和范圍。遙感水污染監(jiān)測主要是利用水物質(zhì)在光波和電磁波中的反射特性，并結(jié)合物質(zhì)自身的熱輻射特性，對水體中的物質(zhì)和化合物進行監(jiān)測[7]。對于化學污染物，可采用熒光特性探測方法對污水中的一些懸浮物進行實時檢測。另外，利用紅外遙感技術可以合理地測量水溫、繪制水體等溫線圖，而且利用紫外攝影技術可以勘查地表油膜，利用衛(wèi)星遙感技術可以有效追蹤油膜的移動方向。

4 多光譜遙感技術聯(lián)合無人機遙感技術的應用研究

城市黑臭水作為水生態(tài)環(huán)境管理的一項重要內(nèi)容，在對城市黑臭水監(jiān)測過程中，因為城市建筑物較多，使黑臭水分布呈現(xiàn)出復雜性與多樣化，如果使用傳統(tǒng)遙感技術進行管理，難以取得理想效果。例如可見光遙感技術，在應用時只可以通過“紅、綠、藍”三個波段，所以在監(jiān)測植被、水體、黑臭水污染程度時，難以收集準確信息，無法保證數(shù)據(jù)的準確性，且難以有效監(jiān)測城市河道的指標[8]。而衛(wèi)星遙感技術實時性較差，精準性較低，如果單獨使用該技術無法實現(xiàn)對個別細小河流的準確監(jiān)測，特別是黑臭水漂浮物、具體分布情況等，均難以得到有效監(jiān)測與管理。為了能夠有效彌補傳統(tǒng)遙感技術應用的不足，近幾年逐漸采用多光譜遙感技術聯(lián)合無人機遙感技術監(jiān)測的管理方案，實現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的有效管理與監(jiān)測。具體應用如下：首先，多光譜遙感技術主要是通過具有多個波譜通道的傳感器對監(jiān)測物成像的一種先進技術，由于可以應用多波段攝影機與掃描儀等設備完成成像，所以可以獲取更加豐富的信息，且可以促使遙感信息逐漸精細化，獲取良好的成像效果。在此基礎上，再配合無人機技術，可以使遙感監(jiān)測具備更高的靈活性，且聯(lián)合方案可以同時開拓5～6個通道，能夠解決傳統(tǒng)遙感監(jiān)測技術獲取可見光信息量少的問題，并且獲取數(shù)據(jù)的靈活性與準確性更高，可以清晰地顯示監(jiān)測水環(huán)境各個流域的生態(tài)污染情況，有助于管理人員對生態(tài)環(huán)境的管理[9]。

以某座城市黑臭水河流為例，針對當?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，應用無人機與多光譜遙感技術聯(lián)合監(jiān)測管理，實際作業(yè)長度12 km，設備選擇經(jīng)緯M210四旋翼無人機，在無人機上裝置MS600Pro6通道多光譜相機。在實際監(jiān)測管理中，首先應該獲取河道的各項數(shù)據(jù)，并操作無人機完成遙感攝影作業(yè)，做好影像輻射定標工作，可通過攝影進一步分析其中的DN值，以確定地物真實反應率。此次飛行工作時間一共是130 m，因為在多光譜攝像作業(yè)期間，外界光線變化可能會對作業(yè)造成影響，所以選擇攝像時間應從早上10點到下午三點[10]。當所有數(shù)據(jù)獲取工作完成后，借助Yusense Map與專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后將分析結(jié)果繪成圖并制作出報告，如此一來可以快速減輕數(shù)據(jù)處理工作量，實現(xiàn)了水生態(tài)環(huán)境的有效管理。

5 遙感技術在水環(huán)境檢測過程中的實際應用案例分析

5.1 遙感技術在水體渾濁度檢測中的應用分析

從表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)技術檢測水體混濁度時，波段為800±100 nm時檢測效果最佳。當混濁度為0度時，測量結(jié)果的價值不大。在實際檢測中需要調(diào)整固定的波段，保證能獲取水體的具體圖像信息，最終準確掌握圖像中出現(xiàn)波峰區(qū)域的水體渾濁度。20世紀中期就已經(jīng)出現(xiàn)了水體渾濁度的檢測，是使用非常傳統(tǒng)的樣本分析法進行測量，測量范圍非常復雜，檢測結(jié)果所需的時間也較長。而遙感技術應用于水體渾濁度檢測是根據(jù)物體自身的光譜反射特征獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)，一般是根據(jù)光譜影像的差異進行判斷和分析。有學者認為，水體中懸浮物質(zhì)的多少直接影響光譜的衰減系數(shù)，極易穿透的波段從0.50 μm向紅色區(qū)域逐漸移動?？傊w渾濁度較高會導致入射光散射中的深度變淺，最終提高了相應的反射率，更容易獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)信息。

表1 水體渾濁度及散射率之間的關系

5.2 遙感技術在水體熱污染檢測中的應用分析

企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中，經(jīng)常會向水體排放廢熱或在日常生活中排放廢熱導致環(huán)境污染，影響整個水體的環(huán)境質(zhì)量。對水體中熱污染的監(jiān)測主要是監(jiān)測水體中各種污染物質(zhì)的種類、數(shù)目，再對水體進行全面分析，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息繪制成特定的曲線，從而能夠更加形象地表達出各種污染物質(zhì)及其具體數(shù)量。在此過程中，也有專家提出溫度分析法，但是該種方法與遙感技術方法存在較大差別，在檢測水體熱污染物時，不能準確辨別污染元素。污染物種類不同會對水體熱污染造成影響，使水體自身的熱污染產(chǎn)生一些差別，一般會增加水體中的污染物數(shù)量，因而利用遙感技術所生成曲線的變化就更復雜。如果污染物的種類單一但是數(shù)目較多，曲線會呈現(xiàn)出特異性，水體熱污染的等級與整個遙感技術曲線的關系見圖2，熱污染級別與曲線的變化關系見表2?？傊?，在當前檢測水體熱污染過程中，通過應用遙感技術可以準確反映污染物等級，并根據(jù)數(shù)據(jù)所形成的遙感曲線，進一步準確地確定具體污染元素的種類、數(shù)量及水體的實際情況，遙感曲線特異性的誤差僅控制在2%以內(nèi)，而當前誤差可以控制在≤1%的范圍，進一步保證了遙感技術測量結(jié)果的準確度。

表2 熱污染等級與曲線變化的關系

5.3 高光譜技術用于探測水體深度的具體分析

根據(jù)相關實驗得出，當波長處于350～1 150 nm時水體的深度會逐漸增加，同時光譜反射率會下降。如果波長超過上述范圍時，反射率會迅速下降，但是波長如果在368～1 831 nm范圍內(nèi)，水體的深度與反射率之間存在指數(shù)關系，水體深度測量結(jié)果的誤差一般小于1 cm。如果水體深度超過10 cm之后，水體的反射率會逐漸下降，導致測量結(jié)果可靠性降低。為了進一步保證使用高光譜技術探測水體深度結(jié)果的準確性，對波長在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應的測量數(shù)據(jù)圖進行了分析（如圖2），可以看出指數(shù)的具體數(shù)值與實際測量結(jié)果之間的誤差僅為0.29 cm，因此，可以通過波長在433 dnm及周邊光譜進行綜合分析，準確獲取相應的水體深度數(shù)據(jù)。此外，相關工作人員可以根據(jù)水深度等數(shù)據(jù)信息，準確了解水體深度達到一定程度時所含有的污染物，為后期制定水體污染防治措施提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 波長在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應的測量數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)語

隨著工業(yè)化進程的加快，生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴重，尤其是水生態(tài)環(huán)境問題，所以水生態(tài)環(huán)境管理已經(jīng)成為國家高度重視的一項工作。在水生態(tài)管理過程中，遙感技術能夠發(fā)揮出重要作用，所以管理部門應正確了解并掌握遙感技術，并合理應用，通過配合實際案例，確保遙感技術在水環(huán)境管理中發(fā)揮其最大優(yōu)勢，進一步提高水生態(tài)環(huán)境管理效果，有效保護生態(tài)環(huán)境。