水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

肖江玥

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人們對水資源的需求也日漸增多。工農(nóng)業(yè)和生活廢水日漸增加的排放量，帶來了嚴(yán)重的水資源短缺與水污染問題。面對嚴(yán)峻的水環(huán)境惡化情況，建立準(zhǔn)確、客觀、動態(tài)、快速的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是有效開展水環(huán)境污染治理和環(huán)境保護(hù)工作的前提。只有全面地對水污染狀況進(jìn)行監(jiān)測，正確評估水污染治理效果，才能有效改善水環(huán)境惡化問題。

目前國內(nèi)的水環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)從以人工采樣布點監(jiān)測為主的工作模式逐步轉(zhuǎn)變成完善地面自動監(jiān)測站點的組網(wǎng)建設(shè)，但因地面常規(guī)監(jiān)測手段存在維護(hù)成本高、時空連續(xù)性差等缺點，仍然很難開展實時動態(tài)的大面積水域監(jiān)測工作。水環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)擁有監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)獲取頻率高、處理速度快、數(shù)據(jù)成本低等優(yōu)點，可以很好的滿足準(zhǔn)確快速地進(jìn)行周期性動態(tài)監(jiān)測水體并開展大范圍水體污染評估的需求，進(jìn)而為控制和治理水環(huán)境提供一個具有多重優(yōu)勢的數(shù)據(jù)保障途徑。本文概述了遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測方面的技術(shù)背景、應(yīng)用方向和重點發(fā)展趨勢，為全面開展系統(tǒng)性的水環(huán)境遙感監(jiān)測研究提供參考。

1 遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)背景

1.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測的基本原理

遙感技術(shù)是以非接觸的方式，利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過探測儀器接收目標(biāo)物的電磁波信息，從而分析并判別出目標(biāo)物性質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測的基本原理是基于水體中的懸浮物、藻類含量等反應(yīng)污染程度的水體要素所對應(yīng)的不同輻射特性，使用遙感器捕獲并在遙感圖像上呈現(xiàn)，通過對遙感圖像上光譜特征的分析識別，獲得水體的水質(zhì)參數(shù)信息。同時，收集干凈水體的光譜特征信息并與研究水體進(jìn)行分析對比，得到研究水域中各類水質(zhì)參數(shù)的含量與空間分布信息，再與對應(yīng)的時間信息相結(jié)合，從而判斷出水體污染物的時空分布特征，達(dá)到水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的目的。常規(guī)處理步驟是遙感數(shù)據(jù)獲取、定標(biāo)輻射值、影像預(yù)處理、研究水域掩膜劃分、建立水環(huán)境數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演[1]。

1.2 水環(huán)境遙感監(jiān)測常用平臺與數(shù)據(jù)類型

目前水環(huán)境監(jiān)測常用的數(shù)據(jù)獲取平臺以及數(shù)據(jù)分析方法已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)的地面布點采樣加實驗室分析測定方式提升為融入遙感技術(shù)的多平臺傳感器協(xié)同作業(yè)加系統(tǒng)自動化數(shù)據(jù)處理模式。

常用的遙感平臺按照工作平臺與地球表面的距離可以分為地面、航空和航天遙感平臺。航空遙感常見載體為固定翼飛機(jī)和無人機(jī)，具有較高的空間分辨率，可以根據(jù)實際需求靈活選擇飛行時間和航線，適合水環(huán)境污染的應(yīng)急遙感監(jiān)測，無人機(jī)機(jī)載遙感器系統(tǒng)還具有低成本、操作簡便、高時效性等優(yōu)勢。

航天遙感常用到的星載數(shù)據(jù)源有Landsat系列衛(wèi)星、Spot系列衛(wèi)星、搭載Modis遙感器的EOS AM-1衛(wèi)星以及國產(chǎn)的高分系列衛(wèi)星等，更適合于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測，但由于衛(wèi)星本身存在重返周期，往往難以滿足及時監(jiān)測需求，一般不適用于水污染的應(yīng)急監(jiān)測。

地面遙感器最常用的設(shè)備即地物光譜儀，通過測量水體及水面下不同深度處的反射率光譜來分析水體組成成分，為散點式觀測，存在宏觀性差、數(shù)據(jù)獲取頻率低、人為因素干擾大等缺點。近年還發(fā)明出岸基高光譜監(jiān)測儀，通過實現(xiàn)對近岸水面實時連續(xù)的反射率與水質(zhì)參數(shù)濃度的同步測定來提升反演結(jié)果精度，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面遙感器在觀測頻次和精度上的不足[2]。

遙感技術(shù)根據(jù)不同工作波段可劃分為紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感等。在水環(huán)境監(jiān)測中，通常根據(jù)不同的監(jiān)測對象采用合適的光譜波段來進(jìn)行探測。目前常用到的遙感數(shù)據(jù)種類可根據(jù)數(shù)據(jù)的光譜分辨率分為多光譜遙感數(shù)據(jù)和高光譜遙感數(shù)據(jù)。

多光譜遙感是將地物輻射電磁波分割成若干個較窄的光譜波段，在同一時間獲得目標(biāo)物不同波段信息的技術(shù)。傳統(tǒng)的多光譜遙感接收到的波段較少，無法全面地捕捉目標(biāo)物的光譜特征。

高光譜遙感的發(fā)展則是遙感技術(shù)發(fā)展的又一項重大突破，憑借光譜分辨率高和圖譜合一等技術(shù)優(yōu)勢，在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。相對于多光譜遙感數(shù)據(jù)而言，高光譜遙感數(shù)據(jù)不僅提升了水體指標(biāo)的反演精度，還能夠完成水體要素的分類識別。因此，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展已成為遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的一個重要研究方向。

1.3 水環(huán)境遙感監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)反演方法

水質(zhì)參數(shù)反演是遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測十分重要的環(huán)節(jié)，利用通過遙感技術(shù)獲取到的水質(zhì)參數(shù)光譜特征與實際的水體要素數(shù)值之間的相關(guān)性分析來反演得到具有明顯光譜特性的水體要素在研究水域中的時空動態(tài)分布，最終形成該區(qū)域的水環(huán)境監(jiān)測評價結(jié)果。目前常見的用于研究影響水體光學(xué)特性的典型水質(zhì)參數(shù)有葉綠素a、懸浮物、可溶性有機(jī)物、透明度、總氮、總磷等。

水環(huán)境遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)常見的反演方法分為經(jīng)驗方法、半經(jīng)驗方法、分析方法、半分析方法和人工智能方法。經(jīng)驗方法是基于遙感數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性統(tǒng)計分析，通過統(tǒng)計學(xué)方法分析建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒎囱菟|(zhì)參數(shù)。這種反演方法的理論算法簡單易實現(xiàn)，但模型精度通常不高，且難以進(jìn)行重復(fù)利用。半經(jīng)驗方法則是在經(jīng)驗方法的基礎(chǔ)上，將遙感數(shù)據(jù)與同步測量的實際水質(zhì)參數(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的反演精度，是目前最常采用的反演方法，但仍具有時間和空間上的局限性[3]。

分析方法是通過水中輻射傳輸模型來確定水體各組分與水體反射率光譜之間的關(guān)系，然后由水體反射率光譜反向計算得到水體各組分的含量[4]。半分析方法則是基于分析方法，在模型的推導(dǎo)過程中引入一些經(jīng)驗公式，其反演結(jié)果往往具有更高的精度和穩(wěn)定性。人工智能方法是通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)等人工智能算法來構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演模型，具有快速自動化處理數(shù)據(jù)的獨特優(yōu)勢，但其反演結(jié)果精度很大程度上是由提供訓(xùn)練樣本的質(zhì)量決定[5]。以上3種水質(zhì)參數(shù)反演方法是未來主要研究方向。

1.4 水環(huán)境遙感監(jiān)測的應(yīng)用方向

遙感技術(shù)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢，十分適用于開展水環(huán)境長期跟蹤監(jiān)測。通過對水體指標(biāo)的定量分析，可以確定水體中主要污染物種類，并進(jìn)行污染源定位、污染物分布及擴(kuò)散情況分析，從而得出相應(yīng)的水體污染程度評價結(jié)果。多應(yīng)用于城市污水監(jiān)測、水體富營養(yǎng)化監(jiān)測、懸浮固定物質(zhì)監(jiān)測、熱污染監(jiān)測、追蹤水體污染排放源等方面，為及時開展水污染防治工作提供有效的信息支撐。

2 空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的概念

2.1 建立空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

通過遙感技術(shù)實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測有很多手段，通過不同遙感平臺獲取到的不同種類的遙感數(shù)據(jù)都因自身技術(shù)原因存在著針對不同應(yīng)用場景的適用性與優(yōu)劣勢?？傮w而言，地面遙感平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)較為分散；機(jī)載遙感影像的飛行受天氣影響較大；星載遙感數(shù)據(jù)則在時間分辨率和空間分辨率上存在一定的應(yīng)用局限性。因此，為全方位提升水環(huán)境遙感監(jiān)測能力，有必要將高空、低空遙感與地面監(jiān)測手段相結(jié)合，利用技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)構(gòu)建出可大范圍應(yīng)用推廣的空天地一體化協(xié)同的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多種類遙感數(shù)據(jù)源之間的相互檢校驗證，提高水環(huán)境監(jiān)測的整體精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提升水環(huán)境的實時動態(tài)監(jiān)測能力，更好地支撐水環(huán)境管理和決策。

空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本研究路線是將單項遙感技術(shù)研究與實驗驗證相結(jié)合，形成穩(wěn)定的反演算法模型，并通過集成多平臺數(shù)據(jù)源建立綜合測試體系，從而得到有指導(dǎo)意義的多源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。其中，單項技術(shù)研究包括星載、機(jī)載和地面監(jiān)測平臺的遙感數(shù)據(jù)獲取、影像預(yù)處理以及協(xié)同水質(zhì)參數(shù)反演等，且需要根據(jù)不同應(yīng)用情況選取適用性更高的平臺遙感器種類，例如針對大面積水域的遙感監(jiān)測可以采用衛(wèi)片、固定翼航空器影像和船載光譜儀觀測的空天地協(xié)同作業(yè)形式，而城市區(qū)域中的小型河網(wǎng)水域則更適合使用衛(wèi)片、無人機(jī)高光譜影像和岸基高光譜監(jiān)測儀相結(jié)合的形式開展水環(huán)境遙感監(jiān)測工作。在實際研究過程中，不僅需要進(jìn)行針對遙感技術(shù)的研究，還涉及到軟硬件系統(tǒng)集成等領(lǐng)域的研究，通過多學(xué)科協(xié)同合作，形成成熟的空天地一體化水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實例

近年來，空天地一體化的水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)概念得到了一定程度的示范性應(yīng)用，應(yīng)用體系比較成熟的有太湖流域的水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系的構(gòu)建與應(yīng)用。該監(jiān)測體系以太湖流域為研究區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)已有環(huán)境監(jiān)測能力的基礎(chǔ)之上，充分結(jié)合地面常規(guī)監(jiān)測與衛(wèi)星遙感監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢，探索建成了由網(wǎng)絡(luò)保障、星地監(jiān)測、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、分析評價、趨勢預(yù)警等系統(tǒng)組成的水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系。其中的星地同步監(jiān)測系統(tǒng)將遙感衛(wèi)片解析、水質(zhì)自動監(jiān)測站網(wǎng)、人工采樣巡測等監(jiān)測手段相結(jié)合，從點到面類推出全流域水環(huán)境現(xiàn)狀，可基本實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測、湖泛監(jiān)測、藍(lán)藻監(jiān)測等一體化監(jiān)測功能的業(yè)務(wù)化運行，全面提升了太湖流域水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力[6]。

由于太湖流域現(xiàn)有水文數(shù)據(jù)及水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)較為充足，一種陸基水環(huán)境遙感方法也在太湖區(qū)域進(jìn)行了實踐。該研究以衛(wèi)星、無人機(jī)、高光譜成像儀結(jié)合人工巡測和自動觀測形成空天地一體化的遙感監(jiān)測體系，使用高精度的高光譜成像儀數(shù)據(jù)來構(gòu)建陸基遙感算法模型，有效補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)斷面水質(zhì)監(jiān)測的技術(shù)缺陷，反演精度可達(dá)到80%及以上[2]。

此外，還有以HJ-1衛(wèi)星影像為主要遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)以及環(huán)境背景數(shù)據(jù)建立的湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測示范系統(tǒng)。該示范系統(tǒng)是以東湖、梁子湖等10個湖泊為主要研究水域，由遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫管理、水環(huán)境遙感可視化三個子系統(tǒng)構(gòu)建而成的區(qū)域性水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)衛(wèi)星影像預(yù)處理(輻射定標(biāo)、幾何校正)、水域提取、水質(zhì)參數(shù)反演、水環(huán)境監(jiān)測評價、專題圖制作以及動態(tài)展示等功能[7]。

以上案例都為運用空天地一體化遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了大量經(jīng)驗與參考依據(jù)?？仗斓匾惑w化的遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中有著非常大的應(yīng)用潛力，有助于實現(xiàn)全面監(jiān)測水環(huán)境狀況、周期性動態(tài)評估水生態(tài)變化，為切實做好水環(huán)境保護(hù)工作奠定堅實基礎(chǔ)。

3 水環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的難點與存在的不足

由于污染水體的光學(xué)特性比較復(fù)雜，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用發(fā)展仍存在一些技術(shù)難點有待突破，如研發(fā)適用于水環(huán)境監(jiān)測的專用遙感器，提高采集數(shù)據(jù)的時空精度與處理效率；繼續(xù)深入研究和廣泛實驗，構(gòu)建針對更多種類水質(zhì)參數(shù)的遙感反演算法，充分考慮可能影響反演結(jié)果的因素，不斷優(yōu)化反演模型，提升定量遙感精度。

空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展目前也存在一些不足有待改進(jìn)，如根據(jù)實際應(yīng)用情況設(shè)計系統(tǒng)規(guī)范化集成方案，統(tǒng)一不同平臺數(shù)據(jù)源獲取信息的標(biāo)準(zhǔn)，真正實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)協(xié)同作業(yè)；提升一體化系統(tǒng)在時間和空間上同步的精度與多源數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)度；加強(qiáng)軟硬件技術(shù)研發(fā)能力，實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行業(yè)務(wù)化等。

面對遙感技術(shù)當(dāng)前的主要問題與在水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用上的迫切需求，需要在不斷改善現(xiàn)存技術(shù)缺陷的同時積極開展多學(xué)科交叉的創(chuàng)新性研發(fā)，將空天地一體化的理念進(jìn)行有效實踐，為解決水環(huán)境問題提供更加有力的技術(shù)支撐。

4 結(jié) 語

在工業(yè)發(fā)展、城市化推動的社會背景下，水環(huán)境問題逐漸凸顯。近年來，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛，在提高水環(huán)境監(jiān)測效率的同時展示出了水環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)巨大的應(yīng)用前景與研究價值。但由于水體光譜特性的復(fù)雜多變，目前遙感技術(shù)在水環(huán)境中的研究還存在很多問題，水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用也有待更深入的研究?？傮w而言，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用將朝著高空間高光譜分辨率數(shù)據(jù)與多平臺系統(tǒng)集成的大方向發(fā)展，通過不斷提升遙感影像質(zhì)量、融合多源數(shù)據(jù)信息、完善數(shù)據(jù)分析方法、強(qiáng)化系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)水環(huán)境信息的精準(zhǔn)動態(tài)實時監(jiān)測，全面推動水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的體系構(gòu)建與應(yīng)用發(fā)展。