多光譜遙感監(jiān)測方法在內(nèi)陸水體水質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究

【摘要】在水資源問題日漸嚴(yán)峻的形勢下，我國在水體水質(zhì)檢測方面的研究力度不斷加強(qiáng)，目前水質(zhì)檢測已經(jīng)成為了社會(huì)發(fā)展中一個(gè)極為關(guān)鍵的問題，特別是內(nèi)陸水體，它直接影響到居民的生產(chǎn)與生活，遙感檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)種類之一，它具有速度快、成本低的優(yōu)勢，因此非常適合在長期動(dòng)態(tài)化的檢測工作中應(yīng)用。本文針對多光譜遙感檢測方法在內(nèi)陸水體水質(zhì)檢測中的應(yīng)用進(jìn)行幾方面分析。

【關(guān)鍵詞】多光譜遙感檢測；內(nèi)陸水體水質(zhì)檢測；應(yīng)用研究

引言

水是生態(tài)系統(tǒng)中的核心部分，是生態(tài)系統(tǒng)得以穩(wěn)定、健康發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在21世紀(jì)，社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，水資源的治理和維護(hù)是一項(xiàng)必須要堅(jiān)持貫徹和執(zhí)行的任務(wù)。水質(zhì)檢測是針對水資源中各種物質(zhì)的含量進(jìn)行分析，從中得出有害物質(zhì)與有利物質(zhì)的比例，進(jìn)而劃分出哪些是可以引用的水資源，哪些是需要進(jìn)行處理的水資源。隨著我國水質(zhì)檢測技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)得以出現(xiàn)，該技術(shù)在內(nèi)陸水體水質(zhì)檢測評價(jià)中開始普及和應(yīng)用，同時(shí)取得了良好的檢測效果，該項(xiàng)技術(shù)的檢測范圍廣泛，成本低廉，優(yōu)勢非常明顯。

1、研究的意義

在生態(tài)系統(tǒng)中，水是最為關(guān)鍵的要素，它與地球環(huán)境中的其他要素共同奠定了人們生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。但是目前從世界范圍來看，水體污染問題已經(jīng)不容忽視，在未來的發(fā)展戰(zhàn)略中，水質(zhì)檢測以及治理已經(jīng)被列入了一個(gè)主要行列，水資源是有限的，它隨著人們的破壞以及不合理利用會(huì)逐漸減少，目前我們所看到的是水體污染問題，但是如果不加以重視和質(zhì)量，那么污染就會(huì)無休無止的蔓延，最終將會(huì)導(dǎo)致人類失去基本的生存條件。在這樣的背景下，水質(zhì)檢測的重要越來越凸顯，它作為評價(jià)水質(zhì)以及水污染防止的主要依據(jù)，在水體污染越發(fā)嚴(yán)峻的情況下，必須要加大力度開展工作，體別是在內(nèi)陸水體的檢測上，必須要做到及時(shí)、準(zhǔn)確。

從國內(nèi)情況來看，我國各級地方環(huán)保部門、水流部門已經(jīng)建立了有機(jī)聯(lián)系，在水質(zhì)檢測上基本是采用定點(diǎn)剖面、長期監(jiān)測的方式進(jìn)行水質(zhì)分析，這種方式雖然能夠取得一定的效果，但是卻受到人力、物力以及天氣條件等眾多因素的影響，很難保障檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，同時(shí)這種檢測方法的成本高，效率低。對于整個(gè)水體來說，這些檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)受到局限，很難進(jìn)行整體的估算與防止措施的制定。在遙感技術(shù)出現(xiàn)之后，我國水體污染檢測迎來了一個(gè)展現(xiàn)的時(shí)代，通過衛(wèi)星或者是航空遙感技術(shù)，我國實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模水質(zhì)檢測的設(shè)想，同時(shí)也能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)控以及定量分析，這極大的彌補(bǔ)了水面采樣的弊端，可以更加快速的發(fā)現(xiàn)污染源頭，及時(shí)進(jìn)行控制和治理，能夠有效針對污染源頭進(jìn)行分析，最終找到污染的原因，為下一步的工作提供了有利依據(jù)。多光譜遙感監(jiān)測是遙感技術(shù)中的一種，在我國應(yīng)用廣泛，通過使用這項(xiàng)技術(shù)，我國水質(zhì)檢測工作質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提升，為水資源保護(hù)、規(guī)劃以及可持續(xù)發(fā)展提供給了巨大助力。

2、遙感監(jiān)測技術(shù)原理

在水質(zhì)環(huán)境檢測中，遙感技術(shù)借助飛機(jī)或者是衛(wèi)星上的傳感器記錄的總體輻射，也就是四種輻射的綜合，可以表示為：L1=LP+LS+LV+Lb，在這個(gè)式子中，LP表示尚未達(dá)到水體表面的下行太陽以及太空輻射，因此被人們稱之為路徑輻射；LS表示水與大氣之間的界面，但是大部這個(gè)層面上的輻射基本都會(huì)被水體發(fā)射回去，它包括擴(kuò)了很多與水體表面相似的光譜信息；LV則是表示穿過氣體與水界面能夠達(dá)到水體內(nèi)部的太陽以及天空輻射，它們與水中的有機(jī)物、無機(jī)物進(jìn)行作用，并且這些輻射是無法達(dá)到水底的，在中途就會(huì)離開水體，這部分輻射被稱之為水下體輻射，它們是提供水體內(nèi)部組成成分以及特征最有價(jià)值。Lb則是能夠透過水面中途返回的那部分輻射，它對人們了解水底情況有著非常大的幫助。但是實(shí)際情況下，人們很難區(qū)分LV和Lb，通常情況下，人們所研究的是水體中的有機(jī)物與無機(jī)物的組成成分，因此從傳感器系統(tǒng)記錄中如何提取出這部分的相關(guān)信息，是檢測人員的主要任務(wù)。如果用公式表示：LV=L1-（LP+LS++Lb），從這些內(nèi)容來看，技術(shù)人員需要對遙感書籍進(jìn)行糾正，確保其精確性，其中包括大氣糾正、表面太陽耀斑以及表面其他反射消除等方面的內(nèi)容。

在對純水本身進(jìn)行分析之外，內(nèi)陸水體中影響光譜反射率的物質(zhì)主要有浮游植物，一般都是浮藻類；一部分死亡植物產(chǎn)生的有機(jī)碎屑、陸生以及湖底泥再次懸浮而產(chǎn)生的無機(jī)懸浮顆粒，這些顆粒又被成為非色素懸浮物；由黃腐酸、腐植酸等物質(zhì)組成的溶解性有機(jī)物，一般被成為黃色物質(zhì)。

3、多光譜遙感監(jiān)測技術(shù)原理

作為遙感檢測技術(shù)中重要的技術(shù)中形式，其在我國水質(zhì)檢測發(fā)揮著不可忽視的作用，多光譜遙感檢測技術(shù)，是利用兩個(gè)以上的波普通道傳感器對地物進(jìn)行同步成像的遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁波信息的分段信息接受與記錄。其特點(diǎn)表現(xiàn)為：根據(jù)影像形態(tài)與結(jié)構(gòu)的差別進(jìn)行地物半段，同時(shí)還能夠依據(jù)光譜特性的差異對地物進(jìn)行判斷，從而有效的拓展了遙感技術(shù)的信息量。多光譜遙感數(shù)據(jù)，包括Landsat MSS、TM、SPOT HRV、IRS-1C、NOAA/AVHRR等數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中最先在內(nèi)陸水體水質(zhì)進(jìn)行檢測的是LandsatMSS數(shù)據(jù)，通過相關(guān)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)陸水體中的葉綠a濃度以及懸浮物是通過MSS數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測的，但是因?yàn)槠洳ǘ芜^寬，所以不適用于湖泊、水庫等水域的懸浮物檢測。如果從綜合效益來看，TM數(shù)據(jù)是現(xiàn)階段在應(yīng)用最為廣泛的多光譜遙感數(shù)據(jù)，它具有空間、實(shí)踐以及光譜分辨率、數(shù)據(jù)可獲得性特征各個(gè)方面特征?，F(xiàn)階段，世界范圍內(nèi)對于TM數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，將其在大量的內(nèi)陸水質(zhì)檢測中應(yīng)用進(jìn)行了研究，并針對葉綠素a、懸浮物以及透明度等各方面進(jìn)行了估算和測量，效果還是十分顯著的。SPOT HRV數(shù)據(jù)、IRS-1C、NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)通常都是在內(nèi)陸水體檢測中所應(yīng)用。MSS數(shù)據(jù)從不同波長以及波段比值的組合是構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵內(nèi)容，但是受到大氣糾正法缺乏的限制，沒有形成一個(gè)通用的模型。因?yàn)槎喙庾V遙感數(shù)據(jù)存在分辨率低的問題，因此無法實(shí)現(xiàn)地物光譜特征方面針對性問題的解決，在水質(zhì)參數(shù)多光譜技術(shù)的深入研究中，利用多光譜數(shù)據(jù)研究構(gòu)造在時(shí)間與空間上算法的優(yōu)勢，進(jìn)行可行性研究的問題開始受到關(guān)注。

4、多光譜遙感監(jiān)測方法在內(nèi)陸水體水質(zhì)檢測中的應(yīng)用

4.1 檢測對象分析

本文針對某湖泊作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，針對其水環(huán)境采用多光譜遙感技術(shù)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢測，包括葉綠素a與懸浮物的檢測。

4.2 研究方法確定

將以往檢測的經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合遙感技術(shù)的發(fā)展，最終確定了在研究方法。首先對試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了全面調(diào)查分析，GIS與GPS技術(shù)相結(jié)合，在采樣區(qū)域進(jìn)行了采樣點(diǎn)布設(shè)，通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)的獲取。圖1為監(jiān)測點(diǎn)分布。

采用光譜測量方法針對該湖面以上的部分進(jìn)行測量，測量過程中天氣晴朗，水平保持平靜，因此水面波動(dòng)的影響不大。測量水體輻射數(shù)據(jù)的時(shí)候采用在50%的漫反射參考版，針對一個(gè)測量點(diǎn)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測和記錄，以10次為標(biāo)準(zhǔn)測量，水體光譜測量20次，天空光譜測量20次，遮擋直射太陽光測量10次，每一個(gè)采樣點(diǎn)都要根據(jù)以上的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分為兩組，并計(jì)算反射率時(shí)采用穩(wěn)定性較好組測量數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

4.3.1 水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的處理與分析

從實(shí)驗(yàn)室的分析情況來看，其中葉綠素a、SS，TN，TP、化學(xué)需氧量等參數(shù)值表面，水中的懸浮物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了3級，并且大部分集中在一起。在這些物質(zhì)中，最不穩(wěn)定的是葉綠素的濃度，范圍在20.3～40.2之間，而從該湖各個(gè)采樣點(diǎn)的水中的氮磷總量來看，幾乎都超過了富營養(yǎng)化的界限，也就是說水體已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的富養(yǎng)化特征。從這些數(shù)值的情況來看，該湖水質(zhì)無法達(dá)到3級標(biāo)準(zhǔn)。

通過對五個(gè)區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行分析，其水質(zhì)情況如表1所示。其中可以看到磷與氮的系數(shù)高，為0.889。相對較低的物質(zhì)是氮以及磷，其指標(biāo)為0.675和0.414，從這個(gè)數(shù)值分析來看，其余葉綠素a與磷和氮的關(guān)聯(lián)不大，但是本文所研究的對象，其水質(zhì)屬于多拍入口河流，導(dǎo)致水中氮磷超標(biāo)的原因與人為因素有很大關(guān)聯(lián)，從而使其高于葉綠素a的影響，其他四個(gè)水質(zhì)參數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)聯(lián)性幾乎為0。

4.3.2 實(shí)測水體光譜數(shù)據(jù)與水體水化數(shù)據(jù)獲取和處理過程

本次案例湖水質(zhì)檢測的實(shí)際數(shù)據(jù)由2015年9月10日測得，從其地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其中葉綠素a濃度、化學(xué)需氧量以及懸浮物濃度過高，水體質(zhì)量達(dá)不到3級水平。具體來說，通常工業(yè)用水以及一般的魚類生活區(qū)用水，在處理之后，可以達(dá)到上一級水質(zhì)的要求，還是可以具有一定用途的。而從本次所研究的案例湖水質(zhì)情況來看，磷氮總數(shù)過高，富氧化嚴(yán)重，處理之后想要達(dá)到上一級標(biāo)準(zhǔn)比較困難。本次所采用的光譜檢測技術(shù)，利用FieldSpec HandHeld地物光譜儀，最大限度的提升了檢測的準(zhǔn)確性，該設(shè)備抗干擾性強(qiáng)，因此測得數(shù)值可以反映出案例湖水質(zhì)的實(shí)際情況，在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將其中異常數(shù)據(jù)排除，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在分析中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行實(shí)際水體測量時(shí)，水體表觀反射率與當(dāng)時(shí)的天氣、水面狀況有直接聯(lián)系。比如，在天空中運(yùn)量較多的時(shí)候，藍(lán)光波段的翻身就會(huì)受到影響，表現(xiàn)出異常現(xiàn)象，反勝率增加。如果水平存在波紋，也會(huì)導(dǎo)致水體反射率增加。這樣一來就會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的難度，降低測量的準(zhǔn)確性，所以使用多光遙感檢測技術(shù)的過程中，必須要關(guān)注這幾個(gè)方面的因素，保障數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

結(jié)束語：

水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)成為了世界水資源可持續(xù)發(fā)展過程中一項(xiàng)不可缺少的環(huán)節(jié)，科學(xué)、及時(shí)、合理的進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)水體中存在的問題，并找到問題的源頭，根據(jù)對水質(zhì)中有機(jī)物、無機(jī)物成分的分析，制定治理的措施和途徑，最終達(dá)到提升水質(zhì)的目的。水是生命之源，是人類賴以生存的基本條件，如果失去了清潔的水源，那么人類根本談不上發(fā)展，連生存都成了問題。本文基于遙感技術(shù)的應(yīng)用，對多光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能夠?qū)ξ覈鴥?nèi)陸水檢測的開展盡一份綿薄之力。

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作者簡介：戚衛(wèi)偉，女，1983年4月，遼寧大連人，本科， 工程師，研究方向：水質(zhì)監(jiān)測。