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        基于遙感技術(shù)的地表水水質(zhì)檢測(cè)方法分析

        2022-10-25 09:24:02李燕萍
        粘接 2022年10期
        關(guān)鍵詞:技術(shù)人員水體水質(zhì)

        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。

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