水環(huán)境監(jiān)測中遙感技術(shù)的作用及應(yīng)用策略探究

陳向進

（福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361022）

引言

近年來，我國水環(huán)境問題日益突出。如何針對水環(huán)境進行即時監(jiān)測，并且及時采取有效措施，成為人們普遍關(guān)注的問題。而遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，其在水環(huán)境監(jiān)測中的作用也越來越受到重視。因此，針對水環(huán)境監(jiān)測中遙感技術(shù)的作用及應(yīng)用策略的研究具有十分重要的意義。

1 水環(huán)境監(jiān)測的含義及現(xiàn)狀

水環(huán)境監(jiān)測是指通過對水體中各種物理、化學和生物學參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，了解和研究水體的環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢。水環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要組成部分，是環(huán)境保護和水污染防治的重要手段。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，水環(huán)境污染日益嚴重，水環(huán)境監(jiān)測也面臨著許多挑戰(zhàn)和問題。首先，監(jiān)測技術(shù)水平有待提高。我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)起步較晚，與發(fā)達國家相比存在較大差距，特別是在高精度、高靈敏度的監(jiān)測儀器和技術(shù)方面。其次，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不健全。我國水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚未形成，監(jiān)測點位分布不合理，監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏有效整合和共享。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。一些地區(qū)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)失真，甚至出現(xiàn)人為干預(yù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

2 遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中應(yīng)用的常見遙感數(shù)據(jù)

遙感技術(shù)是一種綜合性的、先進的現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)，具有操作簡便、覆蓋面積廣等特點。通過遙感技術(shù)可以快速地獲取大范圍、立體性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息，這種監(jiān)測方式具有很強的靈活性，不受時間和空間限制，能夠快速獲取大量的信息。通過對生態(tài)環(huán)境進行大范圍、立體性的監(jiān)測，能夠有效地為生態(tài)環(huán)境管理和治理提供科學依據(jù)。近年來，遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這個過程中產(chǎn)生了一些遙感數(shù)據(jù)，主要分為以下三種數(shù)據(jù)類型。

2.1 多光譜遙感數(shù)據(jù)

與單光譜數(shù)據(jù)相比，多光譜數(shù)據(jù)具有更豐富的信息，能夠更準確地識別水體的物理、化學和生物特征。在水質(zhì)監(jiān)測中，多光譜遙感數(shù)據(jù)可以用于以下幾個方面：水體覆蓋分析。多光譜數(shù)據(jù)可以獲取水體在不同波段下的反射、吸收和散射等特征，從而反映水體的表面形態(tài)、分布范圍和水質(zhì)狀況。這對于識別湖泊、河流、水庫等各種水體類型和分布有很大的幫助；水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測。多光譜數(shù)據(jù)可以同時獲取水體的光學特性和溫度、濕度、風速等氣象參數(shù)，因此可以用于監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，如水體的透明度、懸浮物、溶解氧、pH值等[1]。這些參數(shù)對于評估水體的健康狀況和制定水質(zhì)管理策略非常重要；水體污染監(jiān)測。多光譜數(shù)據(jù)可以識別水體中的污染物，如化學需氧量、氨氮、硝酸鹽、揮發(fā)性酚類化合物等，幫助評估水體的污染狀況和污染源的分布。同時，多光譜數(shù)據(jù)還可以監(jiān)測水體的生物多樣性和水生植物的分布，為水生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理提供依據(jù)；氣候變化監(jiān)測。多光譜數(shù)據(jù)可以反映大氣溫度、濕度和風速等氣象參數(shù)的變化，從而監(jiān)測全球和區(qū)域氣候變化對水體的影響。這對于評估氣候變化對水資源的影響和制定應(yīng)對策略非常重要。

2.2 高光譜遙感數(shù)據(jù)

在水質(zhì)監(jiān)測中，高光譜遙感技術(shù)可以應(yīng)用于以下幾個方面：首先，高光譜遙感技術(shù)可以用于水體的污染監(jiān)測。通過對水體表面反射、吸收等特性的探測，可以獲取水體的污染情況，如懸浮物、有機物、氮磷等營養(yǎng)元素的含量。同時，高光譜遙感技術(shù)可以實時監(jiān)測水體的變化情況，對水質(zhì)的變化進行快速反應(yīng)；其次，高光譜遙感技術(shù)可以用于水體的水質(zhì)模型構(gòu)建。通過對水體不同波段的光學特性進行分析，可以構(gòu)建水體的光學模型，進而反映水體的物理、化學和生物特性。這對于水質(zhì)預(yù)測、水資源管理和水環(huán)境治理具有重要意義；再次，高光譜遙感技術(shù)還可以用于水生態(tài)系統(tǒng)的研究。通過對水體及其周圍植被、動物等生物的高光譜遙感數(shù)據(jù)進行分析，可以了解水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，為水生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理提供科學依據(jù)。

2.3 新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面。首先，高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供更為詳細的水體信息。傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)通常只能提供較為簡單的水體類型和面積信息，而新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)則可以獲取更為精細的水體形態(tài)、紋理和顏色等信息，有助于進一步分析水質(zhì)狀況；其次，新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有較強的時間分辨率和空間分辨率，可以在較短的時間內(nèi)獲取大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高水質(zhì)監(jiān)測的效率；再次，新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合，將多種傳感器數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

3 水環(huán)境監(jiān)測環(huán)節(jié)遙感技術(shù)的作用及優(yōu)勢

3.1 可快速進行大范圍、立體性生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

遙感技術(shù)可以實現(xiàn)對大范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)對重點地區(qū)的監(jiān)測。利用遙感技術(shù)可以在短時間內(nèi)對生態(tài)環(huán)境進行快速、準確的監(jiān)測，這種監(jiān)測方式具有很強的靈活性。通過對大范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境進行實時監(jiān)測，可以及時掌握生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，從而為生態(tài)環(huán)境治理提供科學依據(jù)。利用遙感技術(shù)可以實現(xiàn)對大范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，從而及時掌握生態(tài)環(huán)境變化情況。通過對重點地區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測，可以了解重點地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化情況，從而為制定相關(guān)政策和措施提供科學依據(jù)。通過遙感技術(shù)對大范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測時，可以采取不同的方法進行分析和處理，并利用不同類型的數(shù)據(jù)獲取器獲取相關(guān)信息。在獲取遙感數(shù)據(jù)之后，可以快速地進行分析和處理。在遙感數(shù)據(jù)處理和分析的過程中，需要采用相應(yīng)的處理方法和處理程序[2]。

3.2 信息收集范圍廣

遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測過程中，可以將水體污染情況清晰地反映出來，能夠為水污染防治和管理提供科學依據(jù)。在遙感技術(shù)中，主要包含了兩種信息：一種是地面數(shù)據(jù)，另一種是衛(wèi)星數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)主要包含了地表水的光譜特征、地表覆蓋類型、土地利用類型等，其中地表水的光譜特征主要包括了反射率、反射率的波峰和波谷以及水體的反射率等。衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要包含了地物的反射率信息、地物的光譜特征、地物的反射率以及地物的輻射強度等。目前，遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水體污染監(jiān)測中，可以對水體污染物濃度進行監(jiān)測。同時，在水環(huán)境監(jiān)測過程中，遙感技術(shù)還能將水質(zhì)評價信息提取出來。第一，水體污染物濃度監(jiān)測。由于污染物濃度會受到環(huán)境、生物以及人為等多種因素的影響，因此，在進行水質(zhì)評價時需要對多個參數(shù)進行綜合分析。其中，最為重要的是評價指標。在進行水體污染情況評價時，需要對水質(zhì)參數(shù)和其他參數(shù)進行綜合分析，確保能夠?qū)h(huán)境污染情況準確地反映出來。第二，水質(zhì)評價信息提取。在對水體污染情況進行監(jiān)測時，需要對水體的光譜特征進行分析；第三，富營養(yǎng)化狀況監(jiān)測。在對富營養(yǎng)化狀況進行監(jiān)測時，可以將遙感技術(shù)與其他監(jiān)測方法相結(jié)合。

3.3 適應(yīng)各種復雜的水環(huán)境

在水環(huán)境監(jiān)測過程中，水環(huán)境污染程度比較嚴重，污染物種類也比較多，因此，需要采用多種方式對水環(huán)境進行監(jiān)測。在水環(huán)境監(jiān)測的過程中，需要對水體進行全面的監(jiān)測。如果只采用一種方式來進行監(jiān)測，可能會存在一定的局限性。因此，在水環(huán)境監(jiān)測的過程中，需要對多種方式進行綜合運用。比如，可以采用地面調(diào)查、遙感技術(shù)等方式來對水環(huán)境進行全面監(jiān)測。在水質(zhì)遙感監(jiān)測過程中，需要利用水質(zhì)遙感技術(shù)來對水體的化學成分進行分析，并判斷出水體污染程度。同時還可以利用衛(wèi)星圖像來對水體污染情況進行監(jiān)測。遙感技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠適應(yīng)各種復雜的水環(huán)境。比如，在地表水監(jiān)測過程中，需要利用衛(wèi)星圖像來對地表的水文特征進行分析；在地下水監(jiān)測過程中，需要利用衛(wèi)星圖像來對地下水中的一些特征參數(shù)進行分析；在海洋水質(zhì)監(jiān)測過程中，需要利用衛(wèi)星圖像來對海水水質(zhì)情況進行監(jiān)測；在城市污水處理過程中，也需要利用衛(wèi)星圖像來對城市污水中所含有的一些污染物進行監(jiān)測。

3.4 對水環(huán)境進行立體動態(tài)監(jiān)測

遙感技術(shù)的另一個重要應(yīng)用是對水環(huán)境進行立體動態(tài)監(jiān)測。利用遙感技術(shù)，能夠?qū)λh(huán)境污染情況和變化情況進行實時監(jiān)測，這不僅能提高水環(huán)境監(jiān)測效率，還能提高水環(huán)境監(jiān)測精度。在實際應(yīng)用中，利用遙感技術(shù)對水環(huán)境進行立體動態(tài)監(jiān)測，具有以下幾點優(yōu)勢：第一，可以對水體污染情況進行實時監(jiān)測。遙感技術(shù)可以在較遠的距離上獲取水體的圖像，因此可以實時獲取水體的污染情況，方便對污染源進行及時的控制和治理；第二，能夠?qū)崟r對水體中污染物濃度進行分析和測定。遙感技術(shù)可以同時獲取水體的多個參數(shù)，如溫度、濕度、光照等，因此可以利用這些參數(shù)計算出水體中污染物的濃度。這些數(shù)據(jù)對于評估水體的污染情況和制定水環(huán)境保護措施非常重要；第三，可以實時對水體的溫度、濕度等情況進行測定。溫度和濕度是水體污染物擴散的重要影響因素，因此對這些參數(shù)進行監(jiān)測可以幫助我們更好地分析水體污染的擴散趨勢，進而采取更有效的水環(huán)境保護措施。利用遙感技術(shù)對水環(huán)境進行立體動態(tài)監(jiān)測時，需要利用到多源遙感數(shù)據(jù)和遙感圖像數(shù)據(jù)，為了保證監(jiān)測效果，需要選擇不同的衛(wèi)星和傳感器進行立體動態(tài)監(jiān)測，并借助多種傳感器實現(xiàn)，例如：雷達、激光雷達以及熱紅外等[3]。

4 水環(huán)境監(jiān)測中遙感技術(shù)的具體應(yīng)用策略

4.1 遙感監(jiān)測水質(zhì)油污染

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的石油開采量不斷增加，導致河流中油類物質(zhì)濃度逐漸增高。當這些油類物質(zhì)進入河流之后，會在水體中形成油膜，對水體水質(zhì)造成嚴重影響，對水環(huán)境造成嚴重污染。特別是對于河流、湖泊等水體來說，由于水體的流動性較差，其水體中的污染物濃度會隨著水體流動而不斷變化。而當水體中含有大量的油類物質(zhì)時，不僅會使水質(zhì)變得渾濁，同時還會降低水體透明度，造成水生動植物無法正常生長。對于水質(zhì)油污染來說，其是一種典型的污染源。由于油類物質(zhì)具有較強的流動性，其在水中的運動軌跡是不規(guī)則的。這就導致了當水質(zhì)油污染發(fā)生之后，其治理難度相對較大。而采用遙感技術(shù)對水質(zhì)油污染進行監(jiān)測與識別能夠有效提升治理效率。在水質(zhì)油污染發(fā)生之后，首先會導致水體透明度降低，隨后會形成一層較厚的油膜覆蓋在水面上。同時由于受到周圍水體和空氣濕度的影響，油膜還會出現(xiàn)逐漸擴散的情況。對于水環(huán)境來說，其不僅會降低水環(huán)境的凈化能力和處理效率，同時還會降低水體的自凈能力和自凈時間。因此針對水質(zhì)油污染進行監(jiān)測與識別就顯得十分重要。例如利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以對河流進行實時監(jiān)控，同時還可以對不同時間的遙感數(shù)據(jù)進行對比分析，進而準確識別出水質(zhì)油污染程度。

4.2 遙感監(jiān)測水體富營養(yǎng)化

利用遙感技術(shù)開展對水體富營養(yǎng)化問題的監(jiān)測時，首先要選擇合理的遙感監(jiān)測波段。針對此種情況而言，遙感監(jiān)測波段應(yīng)具備以下幾個特點：第一，波段較寬；第二，波段之間具有一定的相關(guān)性；第三，波段具有一定的差異性。基于此，利用遙感技術(shù)對水體富營養(yǎng)化問題進行監(jiān)測時，其具體應(yīng)用主要包括以下幾個方面：首先是波段選擇。在對水體富營養(yǎng)化問題進行監(jiān)測時，必須將不同波段的傳感器信號進行有效處理與融合，以此來獲取更好的檢測效果。具體而言可將3個波段作為主要處理對象：第一個波段是可見光波段；第二個波段是近紅外波段；第三個頻段則是近紅外與中紅外之間的過渡段。其次是相關(guān)信息提取。在水體富營養(yǎng)化問題監(jiān)測過程中，相關(guān)工作人員必須對其進行有效的處理與分析，以此來獲取更多有關(guān)水體富營養(yǎng)化的有效信息，通過有效處理與分析對其進行提取與判斷。

4.3 遙感監(jiān)測懸浮固體物質(zhì)

遙感技術(shù)通過獲取水體中懸浮固體物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對其濃度值和空間分布情況的測定。目前主要包括兩種方式：一種是直接利用可見光光譜儀來獲取數(shù)據(jù)；另一種是通過光學浮標獲取數(shù)據(jù)。就目前而言，直接利用可見光光譜儀來獲取數(shù)據(jù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。通過這種方式能夠有效提升水體中懸浮固體物質(zhì)濃度測定精度。而對于光學浮標來說則能夠在一定程度上提高懸浮固體物質(zhì)測量效率。需要注意的是，由于受到氣象、風力以及風向等因素的影響比較大，因此在對水體中懸浮固體物質(zhì)進行測定時應(yīng)盡可能選擇在無風的天氣條件下進行。

在利用遙感技術(shù)對水體中懸浮固體物質(zhì)進行測定時可以選擇線性光譜指數(shù)、冪指數(shù)、一階微分以及二階微分等方式來進行測定。例如：利用線性光譜指數(shù)測定懸浮固體物質(zhì)時需要對其相關(guān)參數(shù)進行確定。首先要根據(jù)水體中懸浮固體物質(zhì)濃度、光學特性以及地理位置等因素來確定其反射光譜曲線；其次要根據(jù)水體中懸浮固體物質(zhì)濃度以及光學特性確定其散射光譜曲線；最后根據(jù)水體中懸浮固體物質(zhì)散射光譜曲線以及散射強度來確定其吸收光譜曲線。

4.4 遙感監(jiān)測水體熱污染

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源問題越來越受到人們的重視，城市生活污水、工業(yè)廢水的排放已經(jīng)成為影響水環(huán)境的主要因素，如何最大限度地實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用成為當前亟待解決的重要問題。因此，相關(guān)部門必須加強對水質(zhì)監(jiān)測工作的重視程度，在實際的水質(zhì)監(jiān)測過程中充分利用遙感技術(shù)，可以有效提高監(jiān)測工作效率。但是當前我國遙感技術(shù)在水體熱污染監(jiān)測方面還存在一些問題，比如水體熱污染在一定程度上受到水文地質(zhì)條件、氣象條件等因素的影響，因此遙感技術(shù)在應(yīng)用過程中難以保證精度。針對這一情況，相關(guān)工作人員必須明確其對水環(huán)境監(jiān)測工作造成的影響，充分利用遙感技術(shù)對水體熱污染情況進行了解，對水體熱污染影響較大區(qū)域進行重點監(jiān)測。比如可以將水體熱污染影響較大的區(qū)域劃分為四個等級，分別是輕度污染區(qū)、中度污染區(qū)、重度污染區(qū)以及極度污染區(qū)，在實際監(jiān)測過程中通過遙感技術(shù)能夠全面掌握水體熱污染狀況。在此基礎(chǔ)上，工作人員可以結(jié)合實際情況制定科學合理的水質(zhì)監(jiān)測方案，為全面促進水環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的提升提供支持。

5 結(jié)語

遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景，其主要作用與優(yōu)勢是可快速進行大范圍、立體性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、信息收集范圍廣、適應(yīng)各種復雜的水環(huán)境以及能夠?qū)λh(huán)境進行立體動態(tài)監(jiān)測。本文基于這些作用與優(yōu)勢，提出了水環(huán)境監(jiān)測中遙感技術(shù)的具體應(yīng)用策略，通過這些策略，可以為水環(huán)境的監(jiān)測提供更準確的數(shù)據(jù)，從而更好地實現(xiàn)水環(huán)境治理。