遙感技術(shù)監(jiān)測水體葉綠素a含量的研究進展

楊玉敏，趙 俊，王曉珂，張少丹

（邢臺學(xué)院，河北邢臺054001）

水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。自改革開放以來，我國的經(jīng)濟發(fā)展速度和規(guī)模節(jié)節(jié)攀升，工業(yè)化程度和人們的生活水平不斷提高。但與此同時，受人類活動和氣候變化等影響，水環(huán)境問題也日益凸顯。水體污染以及水質(zhì)問題，尤其是水體的富營養(yǎng)化，越來越多地給人們的生產(chǎn)生活帶來了諸多不便和侵?jǐn)_。根據(jù)我國水利部統(tǒng)計計算，2015年全國總用水量6103.2億m3，而2015年全國廢污水排放總量已達到了770億t[1]。2015年，開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的61個湖泊（水庫）中，貧營養(yǎng)的6個，中營養(yǎng)的41個，輕度富營養(yǎng)的12個，中度富營養(yǎng)的2個，而海灣及近岸海洋水體的富營養(yǎng)化問題也同樣日趨嚴(yán)重[2]。這些生活或者工業(yè)污水都直接或間接排入了海洋或湖泊河流中，不可避免地造成了一定的水質(zhì)污染問題，尤其是水體的富營養(yǎng)化。水資源關(guān)系到人類的未來，因此，為了準(zhǔn)確、有效地了解水體的健康狀況，水質(zhì)監(jiān)測必不可少。

從上世紀(jì)70年代起，隨著傳感器的技術(shù)進步，遙感技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，從初始階段對水體的簡易鑒定，發(fā)展為對水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測。與此同時，科研人員也開始借用各種遙感影像，通過深入探索和研究，發(fā)掘遙感技術(shù)在水體監(jiān)測中的運用，并獲得了許多分析方法。葉綠素a(Chl-a)作為水體富營養(yǎng)化的首要參考指標(biāo)，自然成為水體水質(zhì)監(jiān)測中的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的Chl-a監(jiān)測方法不僅費時費力，而且很難做到大面積水體的實時動態(tài)監(jiān)測；衛(wèi)星遙感技術(shù)則具有持續(xù)監(jiān)測、視角寬闊、周期性等特點，并且可以在監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)時間與空間上變化的動態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮得天獨厚的優(yōu)勢，從而發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)方法不易體現(xiàn)的污染物遷移等特征。因此，發(fā)展遙感技術(shù)監(jiān)測水體Chl-a含量具有重要的研究意義。

1 原理

1.1 水質(zhì)遙感監(jiān)測原理

水體中各種組分對太陽輻射所反映出來的光譜特征是不同的，機載或星載的傳感器可以測量并記錄下一定波長范圍的電磁輻射值。水體因吸收太陽散射而形成的光譜特征與水體水質(zhì)指標(biāo)具體濃度之間的關(guān)系是研究水體水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)。對于清水，在藍(lán)光、綠光波段反射率為4%～5%，0.6μm以下的紅光波段反射率降到2%～3%，在近紅外、短波紅外部分入射能量幾乎全部被吸收[4]，因而在紅外波段識別水體較為容易。

1.2 水體Chl-a遙感監(jiān)測原理

遙感技術(shù)監(jiān)測水體中Chl-a含量的機理是不同組分含量的Chl-a對于水體一定波長范圍反射率是迥然不同的。葉綠素對藍(lán)光和紅光具有比較強的吸收作用，而對綠光具有比較強的反射作用[3]：在可見光波段0.55μm附近有反射率為10%～20%的一個波峰，0.44μm和0.65 μm附近則有兩個吸收帶。當(dāng)太陽輻射進入水體之后，由于葉綠素對可見光產(chǎn)生的反射作用，其在0.44μm附近出現(xiàn)強烈的吸收峰，在0.52μm左右出現(xiàn)反射峰，在0.685μm附近出現(xiàn)顯著的熒光峰[4]。

2 水體Chl-a遙感監(jiān)測的研究進展

目前，水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)如日中天，從事水體Chl-a遙感監(jiān)測的單位更是如過江之鯽，國外尤其是美國，更是出現(xiàn)了多家以提供商業(yè)化水體遙感監(jiān)測為主的公司，如美國的數(shù)位全球公司（Digital Globe）的遙感衛(wèi)星World View-4已于2017年2月投入商業(yè)化運營，其之前在2014年還曾發(fā)射能夠提供0.3米分辨率的World View-3遙感衛(wèi)星。美國太空成像公司（SPACE IMAGE）則是世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星圖像公司。此外，還有美國的軌道成像公司（Orbimage Corp）,其旗下的Seastar可提供1km分辨率的海洋圖像。

在國內(nèi)，如中國海洋大學(xué)地理與信息學(xué)院、中國科學(xué)院南洋海洋研究所、國家海洋研究監(jiān)測中心以及中國科學(xué)遙感應(yīng)用研究所等都對水體Chl-a的遙感監(jiān)測進行了較為深入的研究。至今，國內(nèi)對Chl-a的反演研究的區(qū)域大部分聚集在沿海地區(qū)和南方大型水庫。

韓立姝等采用半分析法，建立了石家莊黃壁莊水庫Chl-a含量與光譜特征之間的一階微分和波段比值模型，得到了較理想的決定系數(shù)數(shù)值，對研究北方水庫Chl-a濃度反演提供了支持。王喆等采用ALOS遙感數(shù)據(jù)，通過最優(yōu)分割算法，并結(jié)合微機程序，得到了紅楓湖水體Chl-a的含量分布。賈春燕采用Landsat-7的ETM+遙感影像，結(jié)合子象元定位技術(shù)，對太湖水體Chl-a含量進行了長期的跟進研究，得出了子象元定位技術(shù)可以更顯著體現(xiàn)Chl-a的空間分布特征。劉建萍等采用MODIS數(shù)據(jù)，在分析了主流的反演模型之后，使用較新穎的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遙感指數(shù)法，以太湖水體的Chl-a濃度為研究對象，得出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠更準(zhǔn)確地反映水體中Chl-a濃度的結(jié)論。葉慧琳利用ETM影像數(shù)據(jù)，通過對渤海灣水體連續(xù)三年的觀測，采用逐步分析的方法，得到了渤海灣各個水域、季節(jié)Chl-a濃度詳細(xì)的時間和空間分布特征及規(guī)律。何紅曼等針對西安市曲江南湖富營養(yǎng)化的問題，利用Landsat 5的TM傳感器遙感數(shù)據(jù)，通過對各個波段葉綠素a濃度反演結(jié)果的比較，以TLI法評價了南湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)，在城市景觀水體葉綠素a監(jiān)測方面取得了一定的研究進展。程春梅以太湖水體為對象，對已有模型和建模方法進行了驗證，利用九年十九期數(shù)據(jù)對模型進行了改進，最后得到了基于HJ1遙感數(shù)據(jù)的顧及時空差異的Chl-a反演模型。競霞等對密云水庫建立了半經(jīng)驗回歸模型，引入卡爾森指數(shù)法，也取得了較好的估算效果。王云飛結(jié)合東海水體測量船五次的實時數(shù)據(jù)，在赤潮頻發(fā)的水域，以半經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)合L-M優(yōu)化算法，并顧及了Chl-a的熒光，得到了此種算法要比忽略Chl-a熒光的算法反演結(jié)果更理想的結(jié)論。杜麗新等結(jié)合近年來遙感監(jiān)測水體Chl-a的發(fā)展情況，提出了把高光譜影像數(shù)據(jù)應(yīng)用到煤礦坍塌區(qū)水體的現(xiàn)實性與可能性。陳瑜麗等采用加拿大的Hyper SAS光譜數(shù)據(jù)，對長江口及近鄰海域水體建立了Hydrolight模型（半經(jīng)驗半分析模型），研究了顆粒懸浮物對二波段、三波段、熒光基線高度、綜合葉綠素指數(shù)四種Chl-a反演算法的影響，得出了隨著Chl-a含量的升高，顆粒懸浮物對Chl-a光譜反射率干擾性逐漸降低的結(jié)論，對不同水體適用哪種不同的反演方法提供了參考。潘邦龍等以巢湖為研究區(qū)域，把偏振光學(xué)理論引入到高光譜監(jiān)測水體Chl-a濃度中，結(jié)果以此建立的反演模型可以很好地擬合Chl-a的濃度，是對當(dāng)下高光譜研究的一項很好的修正與補充。

3 水體Chl-a遙感監(jiān)測所面臨的問題

遙感技術(shù)在監(jiān)測水體Chl-a濃度方面雖已初步得到了廣泛的應(yīng)用，但依然存在一些問題亟待解決：

（1）當(dāng)下水質(zhì)遙感的方法較少，大部分學(xué)者還停留在經(jīng)驗、半分析方法上，Chl-a反演的準(zhǔn)確率還有一定的欠缺，新型的算法還有待進一步發(fā)展，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多光譜算法、子像元空間定位技術(shù)和微機編程的引進等。

（2）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源雖有了很大的提高，但當(dāng)下的研究還是以多光譜分辨率的傳感器為主，應(yīng)當(dāng)在高光譜遙感數(shù)據(jù)方面加大研究力度，嘗試更成熟的高光譜數(shù)據(jù)反演模型，而且當(dāng)下理想的遙感衛(wèi)星多以商業(yè)衛(wèi)星為主，數(shù)據(jù)昂貴。此外，高光譜數(shù)據(jù)的時分辨率不理想，容易因為天氣的影響而無法獲取地面影像，特別是在陰雨天氣。

（3）當(dāng)下的反演模型并不適用于大部分水體，普遍適用性差。各模型往往都只適用于某特定區(qū)域、特定時間的水體，所以還需要繼續(xù)對Chl-a含量與輻射理論、水體光譜特征等之間聯(lián)系進行深入研究，以找到更理想的反演方法。

（4）遙感監(jiān)測技術(shù)需要結(jié)合地面實測數(shù)值，一方面實測數(shù)值會因為人為原因等因素出現(xiàn)一定誤差，另一方面遙感數(shù)據(jù)容易受到時間、空間、其他物理因素等方面的消極干擾，這就增加了反演數(shù)值的不準(zhǔn)確機率，因此很難做到畢其功于一役。

（5）傳感器接收到的Chl-a光譜特征易受水中水草、泥沙及其他懸浮物等的干擾，增加了其光學(xué)特性的不確性因素，這也是當(dāng)下研究中存在的問題之一。

4 未來的發(fā)展趨勢

隨著衛(wèi)星傳感器性能的不斷提升和Chl-a反演算法研究的不斷深入，現(xiàn)對遙感技術(shù)監(jiān)測水體Chl-a含量的發(fā)展做以下展望：

（1）隨著反演模型和反演算法的不斷更新積累，在橫向和縱向方面綜合各個水域與各個模型之間的聯(lián)系，利用實測數(shù)據(jù)不斷地檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確程度，探索其中的規(guī)律，從而找到具有普遍適用不同水域之間更成熟理想的反演算法和反演模型。

（2）進一步發(fā)展對新穎反演算法的研究，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合光譜法，有機地結(jié)合多種數(shù)據(jù)技術(shù)，提高遙感監(jiān)測Chl-a含量反演的精確度。

（3）不斷提升傳感器的性能，發(fā)展分辨率更為精確的高光譜數(shù)據(jù)，增加地面數(shù)據(jù)接收站的數(shù)量，改變當(dāng)前遙感數(shù)據(jù)周期性長的不足，發(fā)展專用于水質(zhì)遙感監(jiān)測的傳感器，推行遙感數(shù)據(jù)的公開化。

（4）加強對水體光學(xué)性質(zhì)的理論研究，以建立更加理想的葉綠素a濃度與其反射率及光譜特征之間相關(guān)性的模型。

（5）除了懸浮物、黃色物質(zhì)等水體本身組分之外，更多地考慮到季節(jié)、溫度等外界因素對水體Chl-a濃度反演結(jié)果的綜合影響，建立更加合適的反演模型。

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