李燕萍

(青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，青海 西寧 810000)

在遙感系統(tǒng)影像中，地表水水體經(jīng)常處于一種“低灰階區(qū)域”，導(dǎo)致整體像元亮度始終處于偏低的狀態(tài)，這無(wú)疑降低了亮度變化范圍，導(dǎo)致亮度變化主要集中于黑色、灰色兩種顏色。另外，水體內(nèi)部所包含的信息種類(lèi)較少，不利于地表水水質(zhì)調(diào)重工作的有效開(kāi)展。但是，在某些特定的情況下，地表水水體顏色通常會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，如結(jié)冰、污染。所以，通過(guò)綜合運(yùn)用遙感檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表水水質(zhì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)和管理，從而進(jìn)一步提高地表水水體質(zhì)量。因此，在遙感技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地檢測(cè)地表水水質(zhì)是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1 地表水水質(zhì)遙感檢測(cè)相關(guān)技術(shù)

1.1 水質(zhì)遙感檢測(cè)相關(guān)儀器與設(shè)備

本次檢測(cè)中，所用到的水質(zhì)遙感檢測(cè)儀器：UPW-T700N多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀，深圳市昌鴻科技有限公司；TE-5100G連續(xù)流動(dòng)水質(zhì)分析儀，北京吉天儀器有限公司；LB-8000K水質(zhì)采樣器，青島路博建業(yè)環(huán)保有限公司。

1.2 水質(zhì)遙感檢測(cè)原理

地物不同，所具有的光譜特性也存在一定的差異。這是由于地表水水體在實(shí)際檢測(cè)期間，經(jīng)常表現(xiàn)出一定的光吸收特性和光散熱特性，造成當(dāng)?shù)乇硭w含有的組分不同時(shí)，通常會(huì)表現(xiàn) 出一定的光譜特征；同時(shí)，還利用遙感技術(shù)，并借助衛(wèi)星傳感器，對(duì)地表水、水質(zhì)進(jìn)行科學(xué)化檢測(cè)。將波段設(shè)置為400～900 nm，利用所接收 的輻亮度值，對(duì)地表水水體各組分濃度進(jìn)行反演處理，從而獲得如圖1所示的衛(wèi)星傳感器接收信號(hào)示意圖。

圖1 衛(wèi)星傳感器接收信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of receiving signal by satellite sensor

從圖1可以看出，通過(guò)利用衛(wèi)星傳感器，所獲得的輔亮度主要由3個(gè)部分組成：(1)當(dāng)大氣散射結(jié)束后，需要借助傳感器，對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行全面化接收；(2)當(dāng)水表面反射結(jié)束 后，需要利用傳感器，對(duì)太陽(yáng)輻射情況進(jìn)行全面地分析和接收；(3)當(dāng)?shù)乇硭?水體 經(jīng)過(guò)散射處理后，需要借助傳感器，對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行科學(xué)化輻射處理，并將最終的處理結(jié)果設(shè)置為對(duì)應(yīng)的離水輻亮度。離水輻亮度內(nèi)包含大量的光譜信息，因此，離水輻亮度的出現(xiàn)和應(yīng)用可以直接反饋處理水質(zhì)參數(shù)濃度，從而保證最終遙感檢測(cè)結(jié)果的精確性和真實(shí)性。最后，還要根據(jù)衛(wèi)星傳感器的實(shí)際接收情況，利用水質(zhì)參數(shù)濃度和離水輻亮度兩種參數(shù)，構(gòu)建出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，便于后期技術(shù)人員 更好地利用遙感技術(shù) ，檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)濃度。

1.3 水質(zhì)遙感檢測(cè)指標(biāo)

地表水水質(zhì)通常表現(xiàn)出較強(qiáng)的綜合特性，可以將水和水中其他物質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行有效地反映。地表水水質(zhì)在實(shí)際檢測(cè)期間，主要利用所設(shè)置好的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。隨著水體各組分光譜應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，地表水水質(zhì)遙感檢測(cè)逐漸從定性化檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槎炕瘷z測(cè)；同時(shí)，還要利用遙感技術(shù)，對(duì)葉綠素a濃度、水溫和總懸浮物濃度等參數(shù)進(jìn)行全面化檢測(cè)和整理，為后期水質(zhì)遙感檢測(cè)指標(biāo)重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)和分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.4 水質(zhì)遙感檢測(cè)數(shù)據(jù)

多光譜遙感數(shù)據(jù)波段有限，光譜分辨率低，基于多光譜數(shù)據(jù)源水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)多采用經(jīng)驗(yàn)方法，時(shí)空移植性較差。隨著對(duì)水質(zhì)參數(shù)光譜特征的研究的深入，如何利用多光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建具有時(shí)空移植性的水質(zhì)參數(shù)反演模型越來(lái)越受到重視。

2 地表水水質(zhì)檢測(cè)方法運(yùn)用

在全面結(jié)合地表水水質(zhì)遙感檢測(cè)相關(guān)方法、模型、體系的基礎(chǔ)上，調(diào)查和了解以下3種信息：(1)水質(zhì)參數(shù)。水質(zhì)參數(shù)主要是指通過(guò)采用反演預(yù)處理的方式，全面地獲取和整理遙感圖像內(nèi)部相關(guān)各種水質(zhì)參數(shù)；(2)污染狀況。污染狀況主要是指通過(guò)對(duì)污染信息進(jìn)行全面化提取，從而提取出相應(yīng)的水體污染物的分布情況；(3)水體狀況。水體狀況主要是指通過(guò)采用報(bào)告生產(chǎn)的方式，將水質(zhì)參數(shù)信息以及水體污染相關(guān)信息形象、直觀(guān)地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，從而構(gòu)建出相應(yīng)的專(zhuān)題報(bào)告，便于后期水質(zhì)檢測(cè)業(yè)務(wù)的有效開(kāi)展。在遙感技術(shù)的應(yīng)用背景下，為了確保本文所提出的地表水水質(zhì)檢測(cè)方法能夠更好地運(yùn)用于地表水水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域中，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照如圖2所示的地表水水質(zhì)檢測(cè)流程，保證其檢測(cè)結(jié)果的精確性，為后期水質(zhì)治理工作的開(kāi)展提供重要的依據(jù)和參考。

圖2 地表水水質(zhì)檢測(cè)流程Fig. 2 Surface water quality testing process

2.1 水體分布提取

水體分布提取作為地表水水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)工作的首要環(huán)節(jié)，一旦落實(shí)不到位，將會(huì)直接影響水體污染區(qū)域界限劃分結(jié)果。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染區(qū)域界限的科學(xué)劃分，需要在充分結(jié)合水體特征的基礎(chǔ)上， 根據(jù)如圖3所示的歸一化反射率曲線(xiàn)，精確地計(jì)算出以下2個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。這2個(gè)參數(shù)分別是遙感反射率和葉綠素a濃度，并確定出最佳波段；然后，對(duì)該區(qū)域所對(duì)應(yīng)的波段進(jìn)行科學(xué)化、規(guī)范化分析，從而獲得水體特征指數(shù)模型。

圖3 歸一化反射率曲線(xiàn)Fig. 3 Normalized reflectance curve

利用該指數(shù)模型，對(duì)以下3種指數(shù)進(jìn)行獲取，分別是 歸一化水體指數(shù)、自動(dòng)化水體指數(shù)、詭異化植被指數(shù)。同時(shí)，還要采用閾值分割的方式 ，對(duì)地表水 水體信息進(jìn)行全面獲取和分析。此外，還要在綜合考慮外部大氣、氣候、觀(guān)測(cè)角度、下墊面性質(zhì)等相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，精確地統(tǒng)計(jì)和整理最佳閾值變化范圍以及圖像閾值。此外，通過(guò)綜合利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)技術(shù)，對(duì)水體分布情況進(jìn)行全面地分析和提??；但是，由于這些水體分布信息具有一定的復(fù)雜度，導(dǎo)致提取效果難以得到保證，不利于該提取方式的后期推廣和普及。為了解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員要對(duì)以上水體提取方式進(jìn)行科學(xué)地簡(jiǎn)化和改進(jìn)，使得計(jì)算方式的復(fù)雜度不斷下降，從而提高計(jì)算操作的高效性和精確性。此外，還要在綜合考慮地表水水體光譜指數(shù)設(shè)置情況的前提下，對(duì)水體分布信息參數(shù)進(jìn)行全面地獲取和整理，或者，采用采用代替處理的方式，不斷地拓展和擴(kuò)大粗提取區(qū)域，從而確保區(qū)域選擇的有效性。另外，還要采用限定研究的方式，不斷提高閾值的穩(wěn)定性。由于經(jīng)驗(yàn)閾值主要集中于比較合理的范圍內(nèi)，因此，技術(shù)人員可以采用有效搜索的方式，對(duì)水體光譜指數(shù)信息進(jìn)行全面地搜索和整理，從而獲得比較精確的閾值，為后期更好地提取和管控水體相關(guān)參數(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最后，還要加強(qiáng)對(duì)地表水水體分布信息的有效化獲取和整理，避免因此這些信息收集不完整，對(duì)空間分辨率產(chǎn)生不良的影響。

2.2 水體基礎(chǔ)參數(shù)的遙感檢測(cè)

地表水水體主要包含以下2個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)，分別是水位、面積。在傳統(tǒng)管理模式下，通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體水位、面積等參數(shù)的有效獲取和整理；但是，由于受內(nèi)外因素的影響，仍然存在部分區(qū)域無(wú)法有效、順利地開(kāi)展實(shí)地觀(guān)測(cè)工作，導(dǎo)致水體相關(guān)參數(shù)無(wú)法得以精確化、全面化獲取。目前，國(guó)內(nèi)高分衛(wèi)星得以成功研制和發(fā)射，在遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和普及下，技術(shù)人員要借助遙感檢測(cè)體系，加強(qiáng)對(duì)地表水水體相關(guān)參數(shù)的全面化獲取和分析，并將最終的獲取和分析結(jié)果安全、可靠地存儲(chǔ)于衛(wèi)星檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。另外，對(duì)于地表水水體而言，通過(guò)全面地分析和整理地表水水量變化情況，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的全面化掌握和分析。最后，還要利用遙感檢測(cè)系統(tǒng)，全面檢測(cè)多種水體所對(duì)應(yīng)的序列面積，便于工作人員更好地了解和掌握水體變化趨勢(shì)。

2.3 水體水質(zhì)參數(shù)的遙感檢測(cè)

通過(guò)對(duì)地表水水體內(nèi)葉綠素a濃度變化情況進(jìn)行全面地檢測(cè)和分析，可以直觀(guān)、形象地了解和掌控水體藻類(lèi)生物總量以及浮游植物總量。此外，通過(guò)科學(xué)地分析和評(píng)價(jià)葉綠素a含量，可以更好地確定色素類(lèi)型，為后期科學(xué)地評(píng)價(jià)地表水水體 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。地表水水體特性主要包含區(qū)域、季節(jié)、環(huán)境等因素，因此，該特性通常會(huì)表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)法根據(jù)地表水水體變化情況，完成對(duì)水體組分濃度相關(guān)模型構(gòu)建。為了解決以上不良問(wèn)題，技術(shù)人員要重視對(duì)多種分類(lèi)反演模型的科學(xué)構(gòu)建和應(yīng)用；同時(shí)，還要在全面結(jié)合不同類(lèi)型水體特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用反演推算的方式 ，盡可能地避免對(duì)地表水水體分布特征產(chǎn)生不良的影響。另外，由于反演法具有精確度高、安全可靠性強(qiáng)、邊界平滑等特點(diǎn)，通過(guò)利用反演法，可以針對(duì)地表水水體的類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)反演算法的科學(xué)化優(yōu)化和完善；同時(shí)，還要采用最優(yōu)算法，對(duì)邊界兩側(cè)算法進(jìn)行加權(quán)融合處理，從而進(jìn)一步解決數(shù)值跳躍問(wèn)題。

在測(cè)量水體懸浮物濃度期間，需要采用遙感檢測(cè)方式，全面地分析和評(píng)價(jià)地表水水體內(nèi)含有的固體物質(zhì)。該固體物質(zhì)具有較高的不溶解特性，懸浮物濃度的高低變化，在某種程度上可以直觀(guān)、形象地反映出地表水水體透明度以及顏色等特性，直接決定了地表水水體所對(duì)應(yīng)的初級(jí)生產(chǎn)力。另外，通過(guò)采用半解析的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面水體光學(xué)特性相關(guān)數(shù)據(jù)的全面化獲取和檢測(cè)，并利用生物光學(xué)相關(guān)模型，完成對(duì)所需要重要信息數(shù)據(jù)的科學(xué)化、規(guī)范化推導(dǎo)。

2.4 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的遙感檢測(cè)

對(duì)于地表水而言，其水體內(nèi)往往含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。隨著時(shí)間的推移，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)地趨勢(shì)，為各種藻類(lèi)水生生物的健康成長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)條件。地表水水體通常表現(xiàn)出一定生態(tài)性、功能性，為促進(jìn)水體向富營(yíng)養(yǎng)化方向不斷發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。在對(duì)地表水水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)期間，技術(shù)人員要做好對(duì)水體水質(zhì)參數(shù)的全面化獲取，便于后期水體富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)工作的順利開(kāi)展；但是，這種檢測(cè)方式存在一定的弊端，即無(wú)法大規(guī)模地檢測(cè)地表水水體質(zhì)量。為了解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)水體顏色信息的全面利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表水水體狀態(tài)的科學(xué)化分析和評(píng)價(jià)，這是由于水體顏色主要是陽(yáng)光與水2種物質(zhì)經(jīng)過(guò)相互作用后所形成的；同時(shí)，與各個(gè)水色組分要素之間存在著比較密切的聯(lián)系，便于作業(yè)人員更加全面地了解和把握地表水水體水質(zhì)特征。最后，通過(guò)利用水色指數(shù)遙感，對(duì)影響水體質(zhì)量因素進(jìn)行全面地獲取和整理，并利用傳感器，完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)化轉(zhuǎn)換處理。只有這樣，才能確保地表水水體檢測(cè)工作能夠正常、有序、順利地開(kāi)展。

2.5 水體透明度的遙感檢測(cè)

水體渾濁程度在某種程度上可以通過(guò)借助水體透明度進(jìn)行形象、直觀(guān)地表現(xiàn)，通常情況下，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員在對(duì)地表水水體進(jìn)行檢測(cè)期間，要重視對(duì)塞氏盤(pán)法的運(yùn)用。具體操作：在水體表面處，通過(guò)采用塞氏盤(pán)法，全面檢測(cè)水體的垂直深度，其垂直深度大小可以直觀(guān)、形象地反映出地表水水體的透明度，該透明度又被稱(chēng)為“塞氏盤(pán)深度”。此外，通過(guò)利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以精確地分析和了解該模型存在的不確定性問(wèn)題。模型類(lèi)型不同，所對(duì)應(yīng)的精確度也存在一定的差異，為了解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員要根據(jù)地表水水體檢測(cè)需求，構(gòu)建出水體透明度估算模型；然后，全面地分析和評(píng)估水體透明度空間分布情況，便于后期工作人員更好地追蹤和把控水體透明度總體變化趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了確保將感技術(shù)更好地應(yīng)用于地表水水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域中，技術(shù)人員需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)檢測(cè)儀器的全面化檢測(cè)和分析，從而全方位地了解和掌握地表水水質(zhì)相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，還要利用遙感技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的各種遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地拓展和完善，確保地表水水質(zhì)遙感檢測(cè)工作能夠正常、有序、順利地開(kāi)展；同時(shí)，還要構(gòu)建和應(yīng)用系統(tǒng)化、完整化的地表水水質(zhì)遙感檢測(cè)體系，為最大限度地提高地表水水質(zhì)管理水平提供有力的保障。