多光譜遙感技術(shù)在城市黑臭水體分析中的應(yīng)用

城市黑臭水體污染問(wèn)題已成為城市環(huán)境治理的重要挑戰(zhàn)，而多光譜遙感技術(shù)作為一種高效的監(jiān)測(cè)手段，為城市黑臭水體的分析提供了新的視角和方法。本文綜合多項(xiàng)研究成果，探討了多光譜遙感技術(shù)在城市黑臭水體分析中的應(yīng)用。多光譜遙感技術(shù)能夠獲取水體的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)不同波段的反射率進(jìn)行分析，揭示水體中不同成分的空間分布和變化規(guī)律。利用多光譜遙感技術(shù)，可以有效識(shí)別城市黑臭水體的來(lái)源和分布，探測(cè)水體中的藻類(lèi)和有機(jī)污染物等有害成分，從而為城市黑臭水體的監(jiān)測(cè)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

一、引言

傳統(tǒng)的城市黑臭水體監(jiān)測(cè)手段主要依靠人工取樣和實(shí)地調(diào)查，存在監(jiān)測(cè)范圍有限、成本高昂、周期長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，急需一種高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的監(jiān)測(cè)手段來(lái)解決城市黑臭水體治理中的難題。

多光譜遙感技術(shù)作為一種非接觸式、遠(yuǎn)程獲取信息的技術(shù)，在城市環(huán)境監(jiān)測(cè)和水質(zhì)評(píng)價(jià)中顯示出了巨大的潛力。多光譜遙感技術(shù)能夠獲取水體的高分辨率影像數(shù)據(jù)，并通過(guò)分析不同波段的反射率來(lái)識(shí)別水體中的不同成分，如葉綠素、溶解有機(jī)物等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市黑臭水體的快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

二、水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理和方法

（一）水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感是一種無(wú)需直接接觸就能對(duì)物體或自然現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)程感知的一種檢測(cè)方法，它主要是利用不同類(lèi)型的傳感器，利用不同的傳感器，在不同的空間、空間、空間等不同的平臺(tái)上，采集反映地面特性的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)傳輸、轉(zhuǎn)換和處理，提取出有效的信息，以達(dá)到對(duì)物體空間形態(tài)、位置、屬性、變化以及與周?chē)h(huán)境之間的聯(lián)系等方面的研究。

（二）水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)原理

1.水體的光譜特征

當(dāng)太陽(yáng)光照在表面上時(shí)，很小的一部分（3.5%）會(huì)被表面反射回到空氣中，而更多的光線(xiàn)會(huì)進(jìn)入水中。在水體中，大多數(shù)光線(xiàn)會(huì)被水體所吸收，一部分會(huì)被水體中的懸浮物（如泥沙、有機(jī)物等）所反射，另一小部分則會(huì)透過(guò)底部，被底層所吸收、反射。被懸浮物和底部反射的射線(xiàn)，一部分返回水面，折回空氣。因此，在對(duì)水體進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)時(shí)，其所受到的輻射主要包括水面反射光、懸浮物反射光、水底反射光和天空散射光。

2.遙感影像水體提取一般方法

（1）傳統(tǒng)方法

譜間關(guān)系法利用光譜數(shù)據(jù)對(duì)不同波段水體及其它地物的光譜特性進(jìn)行分析，利用不同波段的光譜信息，構(gòu)建具有區(qū)分水體和其它地物特性的邏輯判別公式，例如，將8波段多光譜影像中2～3波段的光譜數(shù)據(jù)、4～5波段的光譜數(shù)據(jù)以及4～5波段的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析，提取水體參數(shù)。該方法融合了多個(gè)波段的光譜信息，優(yōu)于單一波段閾值方法，但也存在著普適性不強(qiáng)、易誤判建筑物等、對(duì)影像有特殊要求等問(wèn)題。

（2）分類(lèi)器分類(lèi)后提取法

分類(lèi)器分類(lèi)后提取法的基本思想是對(duì)影像中的各類(lèi)地物進(jìn)行分類(lèi)，然后以所劃分的水域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行分類(lèi)。其中，有監(jiān)督的分類(lèi)算法得到了廣泛的應(yīng)用，如決策樹(shù)、SVM、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等用于目標(biāo)的分類(lèi)。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文以永和河（24個(gè)）、車(chē)陂涌（20個(gè)）和黃龍帶（12個(gè)）進(jìn)行水體采樣，通過(guò)對(duì)56個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)，獲得56個(gè)采樣點(diǎn)的同步光譜數(shù)據(jù)，并利用 GPS技術(shù)對(duì)樣點(diǎn)的位置進(jìn)行觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)站位的平均水深在0.5-20米之間，這一地區(qū)的水域基本可以看作是一種光學(xué)深水，因此可以不考慮海底的影響。水樣采集后置于褐色玻璃瓶中，密閉冷藏，10小時(shí)后送廣州檢驗(yàn)中心進(jìn)行測(cè)定。采樣和測(cè)量工作在廣東省珠江環(huán)保監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行，范圍涵蓋取樣、保存和測(cè)定。

四、結(jié)果分析

（一）黑臭水體關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)區(qū)黑臭水體的溶解氧（DO）平均值為4.21 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為2.91，顯著低于正常水體的最小值。此外，黑臭水體中的有機(jī)污染指標(biāo)（如NH-N、TP、TN、COD、BOD）表現(xiàn)出明顯偏高的特征，與以往研究相比存在顯著差異。特別地，NH-N、TP、TN、COD等指標(biāo)的含量明顯高于正常水體，與藻類(lèi)繁殖導(dǎo)致的黑臭水體相比也有顯著增加。

（二）黑臭水體光譜特征分析

在400-550 nm波段，隨著波長(zhǎng)的增大，遙感反射率逐漸增大，而在正常和重度污染水域，其反射率有明顯增大的趨勢(shì)。在550-580 nm的區(qū)域，黑臭水體的遙感反射率出現(xiàn)峰值，其峰值寬度比普通水域要大，但相對(duì)較小，且形態(tài)較為平緩。與此形成對(duì)照的是，在570 nm處僅出現(xiàn)一條明顯的反射峰值，而混濁水在580-710 nm與810 nm處出現(xiàn)了兩個(gè)顯著的黃波段和紅色波段。

（三）黑臭水體關(guān)鍵指標(biāo)與光譜相關(guān)性分析

根據(jù)Pearson公式計(jì)算5種水質(zhì)指標(biāo)與反射光譜的相關(guān)系數(shù)，以尋找水質(zhì)指標(biāo)的最佳敏感波段。結(jié)果顯示，TN、TP、NH-N、COD、BOD5與水體遙感反射率呈負(fù)相關(guān)，且這些指標(biāo)與水體光譜的相關(guān)性變化趨勢(shì)一致。然而，第六種指標(biāo)與遙感反射率的相關(guān)性較低，表明單一波段的遙感反射率不適宜用于模型構(gòu)建。

五、總結(jié)

多光譜遙感技術(shù)在城市黑臭水體分析中的應(yīng)用是一項(xiàng)重要的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。本研究通過(guò)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)城市黑臭水體進(jìn)行了全面分析，主要包括水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)原理和方法、水體的光譜特征、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析。水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)利用遙感影像數(shù)據(jù)獲取水體的光譜信息，通過(guò)分析水體的光學(xué)特性來(lái)獲取水質(zhì)參數(shù)。

作者單位：偉志股份公司