高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用探討

何婷

【摘要】：本文從高光譜技術(shù)和遙感技術(shù)及其優(yōu)勢談起，重點探討了高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測的優(yōu)勢所在，介紹了目前在水環(huán)境監(jiān)測作業(yè)中收集高光譜數(shù)據(jù)的常用手段以及高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用水環(huán)境監(jiān)測的實例。

【關(guān)鍵詞】：高光譜；遙感技術(shù)；水環(huán)境；應(yīng)用

1 高光譜遙感技術(shù)

高光譜即高光譜分辨率，指的是由許多段窄電磁波波段連接而成的連續(xù)的光譜曲線，每一小段電磁波波段通常小于十納米。遙感是指，在對探測目標的特性進行探測時，探測儀器不直接與探測目標相接觸，而是通過接收、記錄、分析探測目標的電磁波特性信息來判斷探測目標的特征性質(zhì)及其變化。

高光譜遙感技術(shù)興起于二十世紀八十年代，是一種較為新型的觀測技術(shù)。與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)具備許多優(yōu)越性。

第一，高光譜由更多的波段組成，數(shù)據(jù)量隨著波段數(shù)的增加呈指數(shù)性增長。第二，相鄰波段間相關(guān)性高，光譜曲線完整、連續(xù)。能夠探測到寬光譜遙感探測不到的物質(zhì)。第三，高光譜波段具備高分辨率特性，可以反映物質(zhì)的細微特征，探測數(shù)據(jù)更為精細。第四，可以提供空間域和光譜域雙重信息，另外，地面實測的光譜曲線可以和成像光譜儀得到的光譜曲線相類比。

2 高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的運用

遙感技術(shù)可以及時有效的監(jiān)測環(huán)境變化，而高光譜數(shù)據(jù)以其優(yōu)越性提高了變化監(jiān)測的精度。目前主要將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)、大氣、地質(zhì)、水環(huán)境等領(lǐng)域。

對大氣污染源分布、熱污染的監(jiān)測、污染源周遭擴散條件、污染源擴散影響范圍等等的調(diào)查都可以用高光譜遙感技術(shù)實現(xiàn)。例如：將遙感儀器放置于衛(wèi)星上，我們就能從衛(wèi)星的影像上清晰地看到具有熱紅外波段的焚燒點，實現(xiàn)對全國焚燒點的監(jiān)測。

高光譜遙感憑借其納米級的光譜分辨率被應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域，主要研究方向是植被識別、葉面指數(shù)計算、植被指數(shù)提取、生物量估算分析方面。

在地質(zhì)領(lǐng)域，人們可以利用高光譜遙感獲取巖石和礦物的吸收反射等數(shù)據(jù)來辨別礦物巖石的種類并對地質(zhì)環(huán)境進行填圖勘察。

3 在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測原理

藻類，溶解性有機物，化學(xué)物質(zhì)，水中懸浮物，油類物質(zhì)，熱釋放物，病原體等等，都是作為水環(huán)境評估依據(jù)的參數(shù)。不同物質(zhì)的光譜特征不同，例如，由黃色物質(zhì)、藻類、藻青蛋白、葉綠素a等將會依次吸收波長分別為400～ 500 nm、560～ 590 nm、624 nm及675 nm的波長引起內(nèi)水體反射波譜。不同的水質(zhì)由于含有以上水中物質(zhì)的成分不同，會在遙感圖像中反映出不同的色段和變化。根據(jù)這一特性，就可以利用遙感技術(shù)收集水環(huán)境的光譜數(shù)據(jù)并分析出水環(huán)境特征。被污染的水質(zhì)具有獨特的光譜特征并區(qū)別于清潔水質(zhì)。

3.2 檢測儀器

高光譜數(shù)據(jù)的獲取可以通過兩種設(shè)備儀器實現(xiàn)：非成像光譜儀和成像光譜儀。

非成像光譜儀常見的有便攜式超光譜儀和野外光譜儀等，地物的光譜反射率是以圖形等形式記錄而非影像形式。非成像光譜儀主要用于表面校準機載成像光譜儀測量水質(zhì)參數(shù)，以及在野外對水體光譜反射曲線的測量。成像光譜儀將圖像與地物光譜測量結(jié)合，“圖譜合一”，成像光譜儀也叫高光譜成像儀。成像光譜儀的使用一般有三種方式：一是搭載在航天飛行器中，二是以小型飛機作為搭載平臺，三是把成像光譜儀放置于地面。這三種方式都可以作為水環(huán)境檢測的手段，在實際工作中根據(jù)具體情況考慮研究經(jīng)費、水環(huán)境面積和觀測是否需要移動等因素對這些手段作出選擇或者搭配。

3.3 實際應(yīng)用

在水環(huán)境監(jiān)測中，利用高光譜遙感技術(shù)收集探測目標的光譜特性后，主要進行以下幾方面的分析：根據(jù)水體光譜反射率來計算水環(huán)境中的泥沙含量可行性和最佳波段；探測水體深度可行性；對波譜數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，評估內(nèi)陸水體污染程度；通過水體的光譜特征分析判斷水環(huán)境的污染類型?；貧w分析和預(yù)測是環(huán)境遙感監(jiān)測中最常用的分析方法。

PHI成像光譜圖像可以對赤潮生物優(yōu)勢物種進行識別；高光譜圖像能夠反映懸浮物含量、葉綠素富集度、水體深度等水體的特征。赤潮水體與正常海水之間，不同優(yōu)勢藻類之間的赤潮光譜特征均存在顯著差異，成像光譜技術(shù)在檢測赤潮方面可以大展身手。

以下是將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實生活中水體環(huán)境檢測的真實事例，通過這些例子，我們能夠更加直觀的感受高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境檢測領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

例如：美國“ 9.11”爆炸后，USGS用AVIRIS成像光譜儀對世貿(mào)中心廢墟及其附近地區(qū)遙感成像，制作而成水體沉積物分布圖。[1]有國外研究者用交叉相關(guān)算法探測海水的若丹明（一種紅色熒光染料）的濃度。[2]我國的大型監(jiān)測站正在使用成像光譜儀對海洋災(zāi)害（赤潮、海面溢油、河口污染等）進行監(jiān)測，并且建立了應(yīng)用模塊。有研究者在太湖、滇池進行了水環(huán)境監(jiān)測和動態(tài)跟蹤研究，他們通過水面超光譜測試、成像光譜儀航空成像以及衛(wèi)星資料，獲得大量可靠資料，對水面反射率與污染物濃度進行相關(guān)分析，得到獲取葉綠素a濃度和總懸浮物濃度信息的最佳光譜通道。在863西部金睛行動中，我國研究者進行了水體光譜反射率計算泥沙含量的可行性和最佳波段選擇研究以及高光譜遙感識別水污染程度和水體深度的方法研究。[3]

總結(jié)

將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測為更好地完成監(jiān)測工作提供了強大保障。目前我國的許多研究者，已經(jīng)身體力行地將這一技術(shù)應(yīng)用于了水體檢測中，取得了較好的應(yīng)用效果，高光譜圖像技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的優(yōu)勢毋庸置疑。在未來，高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景十分廣闊，挖掘新型遙感數(shù)據(jù)、水質(zhì)檢測模型空間拓展等領(lǐng)域還有十分巨大的研究潛力。

【參考文獻】：

[1] http：//geology.cr.usgs.gov/pub/open- file- reports/ofr- 01-0429/imspec.html[EB/OL].

[2] Danaher S， O'Mongain E， Walsh J.A new cross- correlation al-gorithm and the detection of rhodamine- B dye in sea water[ J].INT.J. Remote Sensing，1992，13（9）：1743- 1755.

[3] 萬余慶，張鳳麗，閆永忠.高光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用研究[J].國土資源遙感， 2003，（3）：10- 14.

[4] 李東升，殷悅.高光譜遙感成像技術(shù)及在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用.《工程技術(shù)：文摘版》.2016