水環(huán)境保護中基于多源光譜的水質自動監(jiān)測方法

馮艷紅，張文婷，周銀輝，周 鑄

（1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇南京 210000；2.南水北調東線江蘇水源有限責任公司宿遷分公司，江蘇宿遷 223800；3.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

改革開放至今，已經走過了四十多個春秋，我們國家的發(fā)展可以用“日新月異”和“突飛猛進”形容，尤其是在新形勢的大背景之下，越來越多的行業(yè)獲得了長足的發(fā)展，但是與之而來的環(huán)境污染問題、水資源污染問題，也成為了新時期水安全保障所面臨的要點問題之一，如果再應用傳統(tǒng)、粗放的水環(huán)境管理方法，必然無法與新時代下水環(huán)境治理和保護的需求相符合、相一致，水環(huán)境精細化的管理已經成為了水環(huán)境管理過程當中的發(fā)展趨勢與主要的方法。通過對于水質評價內容進行認真的分析與研究，發(fā)現其在水環(huán)境管理過程當中扮演著重要角色和占據關鍵的位置，通過匯集到的數據進行水質的科學評價，可以對于水質的具體情況進行全面的了解與掌握，還可以有效地預測出水質變化的方向與趨勢，之后科學、合理的對于水資源進行分配與運用?；诖?，本文下面主要對于水環(huán)境保護當中基于多源光譜的水質自動監(jiān)測方法進行進一步的分析和研究。

1 實施水質動態(tài)評價的支撐條件與不足之處分析

1.1 支撐的主要條件

首先，國家與相關部門為了加大水量水質監(jiān)督檢測的力度，出臺了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，將其作為了水資源管理制度的保障方法與策略。近幾年來，無論是水利部門、還是生態(tài)環(huán)境管理部門等，都對于水資源、水環(huán)境、生態(tài)監(jiān)督體系建設過程當中的相關問題進行了細致的分析和研究，在提升監(jiān)督檢測覆蓋的范圍、程度等方面付出了巨大的努力，并進行了深入的探索。伴隨著時間的不斷推移，監(jiān)測站網也不斷的在健全與完善當中，許多的監(jiān)測方法與技術也應用而生，匯集到了許多多尺度、多類型的水環(huán)境監(jiān)測數據，為了與我們國家所提出的國家大數據戰(zhàn)略當中的內容相符合、相一致，在2016年，原環(huán)境保護部門也發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境大數據建設總體方案》，其中明確的強調：要將大數據的作用和力量全部的發(fā)揮出來，促進環(huán)境治理體系和治理能力向著現代化的方向所發(fā)展和前進，真正的實現對于生態(tài)環(huán)境的治理和對于生態(tài)環(huán)境監(jiān)督的精細化管理。

其次，水質監(jiān)測技術的發(fā)展情況。通過對于水質監(jiān)測進行細致的分析和研究，發(fā)現其是水質評價的前提。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法就是由專業(yè)的工作人員來到野外之后，進行水樣的選擇，再將水要拿到專業(yè)實驗室當中對于水質進行科學的化驗，雖然說這種方法能夠準確的分析結果，但是需要的時間非常的長，而且須要投入的成本也很高，還有最重要的一點，就是經常會受到氣候、水文等因素的影響與限制，無法進行長時間和大氛圍的跟蹤監(jiān)測。時代在不斷的發(fā)展，科學技術也從未停止過革新的腳步，在新時代的大背景之下，各種類型的水質監(jiān)測新技術應運而生，并獲得了更好的發(fā)展，例如：自動在線監(jiān)測，其就是將傳感器和自動化分析儀器完美的融合在了一起，以二者共同的力量，再配合控制芯片、網絡通信等軟件，真正的實現了對于水樣的匯集、分析、處理以及存儲，并且整個過程都是以自動式的方式進行。雖然說自動在線監(jiān)測匯集到的信息非常及時，而且還有預警的功能，但是專業(yè)的儀器設備維護的成本非常的高，而且儀器非常容易出現數據異常等問題。遙感監(jiān)測主要是運用了水體污染物在特定的范圍之內對于光吸收和反射的特點的差異，再通過遙感影像光譜特征識別污染物的主要種類、實際的范圍等的一種技術，通過對于遙感監(jiān)測方法進行細致的分析和研究，發(fā)現其效率非常的高、覆蓋的范圍也很大，還有著成本低等優(yōu)勢與特點，但是適應能力學非常的低。

1.2 不足的地方

首先，信息孤島問題非常的顯著。水環(huán)境監(jiān)測工作主要是按照了某一特定需求來進行和展開的，并沒有將已經獲得的數據應用在其他的工作當中，這樣的情況造成了關系非常緊密的數據之間缺乏了良好的溝通與交流，無法通過數據的融合與挖掘來找到更有價值的信息，也無法為水環(huán)境的管理提供多方面的數據支持與幫助。

其次，數據共享無法暢通。水環(huán)境數據在水利、環(huán)保、住建等部門都可以存在，但是因為各個部門之間存在著壁壘，所以在數據共享方面還有很大的困難，再加上部門之間的不同數據量、數據格式也會有很大的差異，因為缺乏統(tǒng)一的數據標準，所以造成數據共享渠道還不是很暢通。

最后，數據融合不充分。運用不同的監(jiān)測方法與手段，所匯集到的數據自然會有很大的不同與差異，項目分析的方法以后有很大的不同，如果將其強行的融合在一起，自然遇到極大的困難。通過對于多源數據融合進行細致的分析，發(fā)現其中有很多都是數據的疊加和總結，具體的融合非常的少，并未將多源數據之間的優(yōu)勢與特點全部的發(fā)揮出來。

2 多元數據融合技術在水質監(jiān)測評價當中的實際應用

2.1 地面數據的融合

通過對于地面數據融合進行細致的分析和研究，發(fā)現其主要是對于同一間的對象、同一水質項目、不同地面?zhèn)鞲衅鞯臄祿M行融合，之后獲得水質項目最為準確的數值；或者是對同一間的對象、不同水質項目數據進行融合，獲得水質狀況的評價最終結果。

2.2 地空數據的融合

通過應用遙感技術，不會再受到地面條件的任何影響與束縛，還可以以最快的速度對于大范圍地區(qū)進行有效的觀測，匯集信息的速度極快，而且時間非常的短，并且以動態(tài)的方式獲取了地面上的所有信息，但是將其與地面接收數據的準確度進行相比較，技術還是會偏差一點，通過將遙感數據與地面監(jiān)測信息完美的融合在一起，運用多源數據的特點，對于數據時空分辨率進行有效的補償，之后對于數據是否具有合理性進行準確的判斷與分析。

遙感水質參數反演方法就是通過了建立水體反射光譜特征與水質參數的統(tǒng)計關系，反演而真正的得到了水質的參數，應用最普遍的經驗分析方法和半經驗記憶方法，在實質上就是一種地面-接數據融合的檢測方法。近幾年來，遙感技術憑借著自身強大的優(yōu)勢與特點，被廣泛地加入到了水環(huán)境保護狀態(tài)監(jiān)測過程當中去，并慢慢地擴大著范圍，以水色指數為代表的基于水體光學參量的遙感反演技術，完全突破了傳統(tǒng)水質參數反演模型當中受到空間影響和束縛的缺點，對于此區(qū)域甚至是全球范圍內進行長時間、尺度水質反演，并且反演說法在不斷的革新與優(yōu)化當中，讓遙感技術在水質動態(tài)評價當中有著更好的應用前景。

2.3 多源遙感數據的融合

時代在不斷的發(fā)展，科學技術也從未停止過革新的腳步，現階段衛(wèi)星遙感技術和成像光譜儀技術呈現出了快速的發(fā)展態(tài)勢，遙感水質監(jiān)測已經從傳統(tǒng)的簡單定性分析，慢慢的向著定量反演分析的方向所發(fā)展和前進，遙感數據無論是時空的分辨率、還是精準度都在提高當中。衛(wèi)星的不同、使用的年限也有著很大的差異；空分辨率的不同，呈現出來的監(jiān)測效果也會有很大的差異，從單一的遙感圖像當中，是很難將具有完整性的圖像信息獲取出來的，遙感數據融合技術運用的則是高級影像處理專業(yè)技術，將多源海量數據集成的問題妥善的解決。

3 建議

首先，促進水環(huán)境多源監(jiān)測業(yè)務體系快速的建設完成。據了解，現階段我們國家的水質監(jiān)測主要是將人工監(jiān)測作為了重點與要點，將自動檢測作為了輔助，遙感監(jiān)測在業(yè)務層面上應用的非常的少，但是伴隨著自動監(jiān)測、遙感監(jiān)測技術不斷的革新與優(yōu)化，新的監(jiān)測方法與技術極有可能會成為水環(huán)境監(jiān)測當中最有力的支持與幫助手段，所以為了促進新型的檢測技術快速的應用，要建立出天-空-地一體化的立體監(jiān)測平臺，運用建設平臺的作用和力量，展開多元協(xié)同、優(yōu)勢互補的動態(tài)監(jiān)督與監(jiān)測。

其次，制定出完善的數據共享交換方法。需要在不同的層面上建立數據共享方法與保障體系，形成數據處理技術標準，并加大水環(huán)境數據庫建設的力度，為后期的預測預警、應急決策等各方面內容提供強有力的數據支持與參考。

最后，加大對于水質動態(tài)評價方法研究的力度。多源數據融合無論是其方法還是思路，在有效的提升水質評價質量等方面有著至關重要的作用和意義，還能夠更全面的對于水質的情況進行分析。不同來源的數據，極有可能存在著很多的問題與矛盾，具有傳統(tǒng)特點的水質評價方法還具有一定的約束性，所以要制定出水質動態(tài)評價指標體系。