通過航空遙感來監(jiān)測水質(zhì)污染物質(zhì)

      航空遙感可監(jiān)測污染物質(zhì)，通過航空遙感來檢測水域的水質(zhì)污染問題；首先來了解一下遙感，遙感是指在不直接接觸目標(biāo)地物的情況下，對目標(biāo)地物進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測、識別和獲取地物信息的過程，空間中的電磁波、聲波、重力場等都可用作遙感，但通常所述遙感是指利用電磁波獲取目標(biāo)地物信息的電磁波遙感。由于任何溫度高于絕對零度的物體均能發(fā)射、反射或吸收能量輻射，而且不同物體有不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)，所以不同地物均具有其獨(dú)特的輻射特性。同樣在水環(huán)境監(jiān)測中，不同溫度、泥沙含量、藻類數(shù)量、污染程度的水體也都有不同的輻射特性，通常各種水體的特性可以通過遙感圖像反映出來。污染水體具有不同于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現(xiàn)在對特定波長的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠?yàn)檫b感器捕獲并在遙感圖像中體現(xiàn)出來。根據(jù)對圖像的識別情況，我們就可以獲得水體的水質(zhì)參數(shù)或者水體污染狀況。有基于此，遙感技術(shù)可以在水環(huán)境監(jiān)測中得到應(yīng)用。

　　伴隨著社會經(jīng)濟(jì)等各方面的快速發(fā)展，我國江河湖海的各種水體受污染程度也不斷加重，包括生活廢水污染、泥沙等懸浮固體污染、石油污染、重金屬污染、富營養(yǎng)化污染和熱污染等。中國環(huán)境監(jiān)測總站提供資料表明，我國水環(huán)境面臨三大問題：

　　①主要污染物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水環(huán)境容量;

　　②江河湖泊普遍遭受污染;

　　③生態(tài)用水缺乏，水環(huán)境惡化加劇。

       水污染的現(xiàn)狀可以表明，我國水環(huán)境污染形勢嚴(yán)峻，因此提高水環(huán)境監(jiān)測效率的工作勢在必行。傳統(tǒng)方式的水環(huán)境監(jiān)測主要是地面布點(diǎn)采樣，然后實(shí)驗(yàn)室分析得出結(jié)論，這種方式由于受自然條件和時(shí)空等因素影響，具有一定的局限性。例如，在大面積水域的監(jiān)測過程中，僅僅依賴于監(jiān)測臺站和傳統(tǒng)監(jiān)測方式，很難滿足對水體污染監(jiān)測所需的實(shí)時(shí)、快速、宏觀、準(zhǔn)確的監(jiān)測要求，從而不能全面準(zhǔn)確地反映出水體狀況。而與傳統(tǒng)監(jiān)測方式相比，遙感技術(shù)具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點(diǎn)，并且可以獲取其他監(jiān)測手段無法獲取的信息。水環(huán)境狀況的惡化和傳統(tǒng)監(jiān)測方式的不足，將促使遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。

　　一、水環(huán)境遙感應(yīng)用的常用平臺與數(shù)據(jù)

　　通常，水環(huán)境監(jiān)測主要利用的是衛(wèi)星遙感和航空遙感平臺，主要利用的數(shù)據(jù)包括美國Landsat-MSS、TM數(shù)據(jù)，法國SPOT-HRV數(shù)據(jù)以及各種航空遙感數(shù)據(jù)。20世紀(jì)70年代到80年代初，航空遙感廣泛應(yīng)用于監(jiān)測海水中的浮游植物;80年代中期以后遙感監(jiān)測水質(zhì)的工作主要利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航天平臺上的多光譜掃描儀及成像光譜儀的遙測數(shù)據(jù)。水環(huán)境遙感監(jiān)測中常用數(shù)據(jù)就其應(yīng)用可以歸為以下幾類。

　　1.1多光譜遙感數(shù)據(jù)

　　在水環(huán)境的遙感監(jiān)測中，常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)包括Landsat-MSS、TM、SPOT-HRV、NOAA-AVHRR、IRS-LISS、JERS-OPS等的圖像數(shù)據(jù)，以及中國與古巴合作的地球資源1號衛(wèi)星(CBERS)的CCD相機(jī)數(shù)據(jù)等。MSS數(shù)據(jù)最早被用于內(nèi)陸水體的水質(zhì)監(jiān)測，如Lathrop和Kloiber等學(xué)者的研究表明內(nèi)陸水體中的葉綠素a濃度、懸浮物濃度可以通過MSS數(shù)據(jù)監(jiān)測。Lathrop 等對美國Michigan 湖的Green 湖灣作了一系列遙感研究 ，估測了包括葉綠素a、懸浮物、透明度在內(nèi)的多項(xiàng)參數(shù)，取得了較理想的結(jié)果。李旭文等利用TM 數(shù)據(jù)對蘇州運(yùn)河水質(zhì)進(jìn)行過綜合分析。余豐寧等用 TM 圖像對太湖北部水質(zhì)進(jìn)行了主成分監(jiān)督分類的研究。

　　1.2高光譜遙感數(shù)據(jù)

　　現(xiàn)有高光譜數(shù)據(jù)可以分為兩類：成像光譜儀數(shù)據(jù)和非成像光譜儀數(shù)據(jù)。成像光譜儀數(shù)據(jù)主要利用的是美國的 AVIRIS 數(shù)據(jù)、加拿大的 CASI 數(shù)據(jù)、芬蘭的 AISA數(shù)據(jù)、中國的 PHI 數(shù)據(jù)以及 OMIS 數(shù)據(jù)、SEAWIFS 數(shù)據(jù)。非成像光譜儀是指不以影像記錄為目的，而是以非影像的方式記錄信息的地面光譜測量儀。例如，ASD 野外光譜儀、便攜式超光譜儀等。在對我國太湖進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時(shí)，水面光譜測量就使用了 GRE-1500 便攜式超光譜儀。

　　1.3新型的更為先進(jìn)的遙感數(shù)據(jù)

　　事實(shí)上新型遙感數(shù)據(jù)也無外乎多光譜和高光譜遙感數(shù)據(jù)，但是新的衛(wèi)星升空為水環(huán)境的遙感監(jiān)測提供了更高空間、時(shí)間和光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)。如ETM+、MERIS多光譜數(shù)據(jù)，Hyperion、MODIS高光譜數(shù)據(jù)。新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在國內(nèi)外尚處于起步階段，其特性為水環(huán)境監(jiān)測提供了機(jī)遇。MODIS是EOS-AM1系列衛(wèi)星的主要探測儀器，屬于波段不連續(xù)(光譜范圍0.4～14.5μm)、數(shù)量少(波段36個(gè))、地面分辨率較低的一類高光譜傳感器。其空間分辨率為250m、500m、1000m，每日或每兩日可獲得一次全球觀測數(shù)據(jù)，適合進(jìn)行大范圍動態(tài)監(jiān)測。

　　二、水體的光譜特征

　　由于遙感測定的是地物的反射輻射，所以我們以反射波譜特性曲線來研究水體的光譜特征，反射波譜特性曲線是指某物體的反射率(或反射輻射能)隨波長變化的規(guī)律，以波長為橫坐標(biāo)、反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線。

　　2.1自然水體的光譜特征

　　自然水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收率很強(qiáng)，特別是在近紅外、中紅外波段有很強(qiáng)的吸收帶，反射率幾乎為零，因而在紅外波段上水體比較容易識別。較潔凈自然水體在0.4～1.1μm波段的光譜反射率約1%～3%，其平均反射率約2%。但當(dāng)水中含有其他物質(zhì)時(shí)，反射光譜曲線會發(fā)生變化。當(dāng)含有泥沙時(shí)，由于泥沙的散射作用，可見光波段發(fā)射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū);當(dāng)水中含有葉綠素時(shí)，近紅外波段明顯抬升;由泥沙、天然有機(jī)物和浮游生物造成的渾濁水體通常比清澈水體的光譜反射率要高一些。有研究表明，渾濁河水(含懸浮物質(zhì)99mg/L)比清澈湖水(含懸浮物質(zhì)10mg/L)的光譜反射率高1.5%～6%。這些都是影響分析的重要數(shù)據(jù)。

　　2.2污染水體的光譜特征

　　污染物質(zhì)種類各異，其物理化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，因而對水體的光譜反射率影響也各不相同。含黑色物質(zhì)和暗色物質(zhì)懸浮物較多的污染水體，在0.4～1.1μm波段的反射率比潔凈的自然水體的反射率略低一些;含中等色調(diào)懸浮污染物質(zhì)較多的水體其在上述波長的反射率比潔凈水體的反射率要高一些;而含淺色和白色色調(diào)懸浮污染物質(zhì)較多的水體，其在0.4～1.1μm波段的反射率則顯著地高于潔凈的自然水體的反射率。

　　三、遙感監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的原理與方法

　　遙感監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的原理主要是被污染或含有某種物質(zhì)的水體具有獨(dú)特而區(qū)別于潔凈水體的光譜特征。諸如水中懸浮物、藻類、化學(xué)物質(zhì)、溶解性有機(jī)物等水體組分，因影響光的反射、吸收和后向散射而在遙感圖像上反映出來，從而我們可以根據(jù)其在圖像上的反映推斷出水體的水質(zhì)參數(shù)。圖3表示了不同類型內(nèi)陸水體的反射光譜，可以看出，水中組分含量的差別造成一定波長范圍反射率的顯著不同，成為定量量測物質(zhì)含量的基礎(chǔ)。

　　遙感技術(shù)可以監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)種類大致可以分為以下4類：渾濁度、浮游植物、溶解性有機(jī)物、化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)。通?？梢圆捎?種方法：理論方法、半經(jīng)驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)方法。

　　3.1理論方法

　　這種方法首先是根據(jù)水中光場的理論模型，確定吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)之比與表面反射率之間的關(guān)系;然后利用這種關(guān)系，可由遙感測得反射率值;最后與水中組分的特征吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)相聯(lián)系，計(jì)算水中實(shí)際吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值，就可以得到組分的含量。這種基于光場理論的模型基礎(chǔ)尚不完善，而且簡化假設(shè)模型，使得預(yù)測值并不能滿足精度要求。

　　此方法是基于遙感波段數(shù)據(jù)和地面實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，選擇最優(yōu)波段或波段組合數(shù)據(jù)與地面實(shí)測水質(zhì)參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)分析得到相關(guān)模型，進(jìn)而利用此模型反演水質(zhì)參數(shù)。該方法的缺陷是水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間的事實(shí)相關(guān)性不能保證，模型的精度通常不高且具有時(shí)間和空間的特殊性。

　　3.2半經(jīng)驗(yàn)方法

　　半經(jīng)驗(yàn)方法是目前最常采用的方法，它是利用已知的水體參數(shù)光譜特征與相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型結(jié)合。國內(nèi)外很多學(xué)者利用這種方法對湖泊、水庫的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，如總懸浮物、葉綠素及與之相關(guān)的透明度、渾濁度和富營養(yǎng)化指數(shù)等，并且得到了較高的監(jiān)測精度。

　　四、遙感在水環(huán)境污染監(jiān)測與控制中應(yīng)用

　　遙感在水環(huán)境污染監(jiān)測與控制中的應(yīng)用，其基礎(chǔ)是遙感技術(shù)對水質(zhì)參數(shù)的獲取。國內(nèi)外對這方面的研究工作主要在海洋環(huán)境和內(nèi)陸水環(huán)境兩方面進(jìn)行。衛(wèi)星遙感可實(shí)現(xiàn)對海洋大范圍、全天候的污染監(jiān)測，比如可以利用多光譜傳感器對石油污染進(jìn)行監(jiān)測;在內(nèi)陸水環(huán)境的監(jiān)測過程中，由于內(nèi)陸水體光譜特征的復(fù)雜性，目前開展的研究范圍比較小，主要在于湖泊和江河河口，可以監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)也較少，主要集中于葉綠素、懸浮物、總磷、總氮、COD、BOD等。為了便于用遙感方法研究各種水污染，并不詳細(xì)區(qū)分遙感在海洋和內(nèi)陸水體污染監(jiān)測與控制中的各種應(yīng)用，而是習(xí)慣上將其分為水體富營養(yǎng)化、泥沙污染、熱污染、廢水污染、石油污染等幾種類型。

　　4.1水體富營養(yǎng)化

　　當(dāng)大量的營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體后，在一定條件下會引起藻類的大量繁殖，而后在藻類死亡分解過程中消耗大量溶解氧，從而導(dǎo)致魚類和貝類的死亡，這一過程稱為水體的富營養(yǎng)化。葉綠素是反映水體富營養(yǎng)化程度的最主要因子，其中又以葉綠素a最為突出。通過對葉綠素生物量等數(shù)據(jù)的采樣，利用采樣數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)反映的水體綠度指數(shù)建立起遙感回歸模型，得出水體中葉綠素及生物量的空間分布信息，從而達(dá)到監(jiān)測水體富營養(yǎng)化的目的。對于遙感估算水體葉綠素濃度，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，建立了不少遙感數(shù)據(jù)與不同葉綠素濃度的水體光譜間的數(shù)學(xué)模型。如基于回歸模型的經(jīng)驗(yàn)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法、光譜混合分析法等，但因水中葉綠素的光譜信號相對較弱，加上水中懸浮固體含量的影響，因而目前遙感估算水中葉綠素含量的精度不高，平均相對誤差約20%～30%。

　　4.2泥沙污染

　　水體中的泥沙能引起水體光譜特性的變化。在實(shí)際工作中選擇與泥沙濃度相關(guān)性好的波段，與實(shí)地調(diào)查懸浮固體結(jié)果進(jìn)行分析，建立特定波段輻射值與懸浮固體濃度的對應(yīng)關(guān)系模型，然后對該波段輻射值進(jìn)行反演，可以得到懸浮固體的濃度。在可見光058～068μm波段，不同泥沙濃度出現(xiàn)輻射峰值，這是遙感監(jiān)測水體泥沙的最佳波段。這些相關(guān)模型主要包括Gordon公式模型、負(fù)指數(shù)關(guān)系式模型、統(tǒng)一關(guān)系式模型等理論模型，線性關(guān)系式模型、對數(shù)關(guān)系式模型、多波段關(guān)系式模型等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/span>

　　如何運(yùn)用遙感獲取的水體光譜數(shù)據(jù)提取出泥沙的專題信息，許多國內(nèi)外學(xué)者對之進(jìn)行了長期的研究，Kritilos等最早利用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究水中的懸浮物含量;李京等建立了反射率與懸浮物含量間的負(fù)指數(shù)模型，并用于杭州灣水域懸浮物的調(diào)查;李炎等研究了基于海面-遙感器光譜反射率斜率傳遞現(xiàn)象的懸浮泥沙遙感算法。

　　4.3熱污染

　　電力、鋼鐵、化學(xué)等工業(yè)中使用的冷卻水，超過允許的熱水排放標(biāo)準(zhǔn)而排入江河湖海時(shí)，使自然水體的溫度上升，引起水體物理、化學(xué)和生物過程的變化，就構(gòu)成了熱污染。遙感監(jiān)測水體熱污染，目前主要方法有熱紅外遙感和微波遙感。

　　熱污染可以用熱紅外傳感器探測，利用多時(shí)相的熱紅外圖像，并結(jié)合地面觀測，其圖像可顯示出熱污染排放、流向和溫度分布的情形。利用光學(xué)技術(shù)或計(jì)算機(jī)對圖像作密度分割，同時(shí)根據(jù)少量的同步實(shí)測水溫，可確切地繪出水體溫度分布曲線。

　　例如，有關(guān)部門分析研究了海河全線79km的熱污染狀況，查明熱污染源有23個(gè)，熱排水口多達(dá)40個(gè)，熱水總排放量約8.5億t/年，并劃分出了無熱污染、輕度熱污染、中度熱污染、重度熱污染和嚴(yán)重?zé)嵛廴镜暮佣巍?/span>

　　4.4廢水污染

　　廢水由于性質(zhì)的千差萬別，特征曲線上的反射位置和強(qiáng)度也不一樣。污染物含量與哪些波段之間的比值有較好的相關(guān)性，取決于水體的污染性質(zhì)和污染程度。廢水污染一般用多光譜合成圖像監(jiān)測，也可根據(jù)溫度差異用熱紅外方法測定。

　　由于人類的生產(chǎn)生活活動，導(dǎo)致大量廢水流入各類水體中，這些廢水中帶有大量有機(jī)物，分解時(shí)耗去大量的氧氣，具有很高的COD和BOD值。運(yùn)用紅外傳感器可以根據(jù)水中含有的染料、氫氧化合物等物質(zhì)的紅外輻射光譜弄清楚水污染的狀況，污染狀況在彩紅外像片上有很好的顯示，不僅可以直接觀察到污染物運(yùn)移的情況，而且可以憑借水中泥沙懸浮物和浮游植物作為判讀指示物追蹤出污染源。

　　在2001年6月，對西安市護(hù)城河及興慶公園內(nèi)8個(gè)不同污染程度污水進(jìn)行波譜測試，建立了水體反射波譜與BOD5和COD含量之間的相關(guān)模型，并取得了較好的效果。馬躍良等利用TM圖像數(shù)據(jù)對珠江廣州河段水環(huán)境質(zhì)量中的水質(zhì)污染進(jìn)行監(jiān)測應(yīng)用研究，并建立了水質(zhì)污染預(yù)測遙感模型。

　　4.5石油污染

　　石油污染指在石油的開采、煉制、貯運(yùn)、使用的過程中，原油和各種石油制品進(jìn)入環(huán)境而造成的污染。當(dāng)前主要是石油對海洋的污染，已成為世界性的嚴(yán)重問題。

　　遙感調(diào)查石油污染不僅能發(fā)現(xiàn)已知污染區(qū)的范圍和估算污染石油的含量，而且可追蹤污染源?？販y石油污染的方法有很多。

　　(1)石油在可見光0.3～0.4μm波段反射率較弱，因此可以利用此波段對石油污染進(jìn)行監(jiān)測，另外在可見光0.63～0.68μm波段，能使油膜和周圍干凈海水的反差達(dá)到最大。因此，也可以用紅光波段來監(jiān)測海面油膜，而用藍(lán)光波段來區(qū)分油膜、航跡和泥漿羽流，以達(dá)到多波段可見光航遙油測的最佳效果。

　　(2)油膜在紫外像片上呈白色色調(diào)，而且紫外光波段對厚度小于5mm的各種水面油膜敏感。此時(shí)，油膜對紫外光的反射率比海水高1.2～1.8倍，有較好的亮度反差。因此，利用紫外波段電磁波，可以把海面薄油膜顯示出來。

　　(3)在常溫下，未污染海水與水面上油膜反射率有所不同，熱紅外像片上未污染水區(qū)呈白色條帶，排油區(qū)呈黑色條帶，油膜呈深色調(diào)，因而可以利用熱紅外遙感對石油污染進(jìn)行監(jiān)測，另外根據(jù)灰階的不同，可以計(jì)算出石油覆蓋的含量。

　　(4)用波長為2.2cm的微波輻射計(jì)成像也能監(jiān)測石油污染。

　　遙感用紅光波段檢測海面油膜，用藍(lán)光波段區(qū)分油膜、航跡，具有最佳的監(jiān)測效果星載傳感器用來監(jiān)測海面大面積溢油，短時(shí)間尺度的海面油膜動態(tài)監(jiān)測常用機(jī)載傳感器紫外

　　遙感影像上有較好的亮度差，油膜呈白色對厚度小于5mm的水面油膜較敏感，但紫外波段電磁波波長短、繞射能力差，使其應(yīng)用受到了限制紅外

　　遙感油膜灰度比海水大，呈灰黑色判別油膜的范圍及擴(kuò)散情況，對于厚度小于1mm的油膜，可以確定其厚度和分布，并推算其總溢油量微波

　　遙感全天時(shí)、全天候監(jiān)測，缺點(diǎn)是地面分辨率低監(jiān)測油膜的厚度等 。

　　五、遙感在水環(huán)境中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

　　水環(huán)境問題是目前重要的環(huán)境問題，由于遙感技術(shù)方法相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢，無疑會促使遙感技術(shù)在水環(huán)境中的繼續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是從前面的論述可以看出，目前遙感技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用還存在很多問題，有待更進(jìn)一步的研究?？偟恼f來，遙感技術(shù)在水環(huán)境的應(yīng)用將朝以下方向發(fā)展。

　　(1)影像獲取技術(shù)不斷發(fā)展。衛(wèi)星影像向高空間分辨率、高光譜分辨率方向發(fā)展。

　　(2)遙感監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的模型方法不斷完善。對水質(zhì)參數(shù)、內(nèi)在光學(xué)特性及表面反射率之間的理論關(guān)系進(jìn)一步研究，使算法不限定于特定的時(shí)間和水域，在遙感數(shù)據(jù)源不能很快得到改進(jìn)的情況下，這是提高監(jiān)測水質(zhì)準(zhǔn)確性的一個(gè)有效途徑。

　　(3)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測項(xiàng)目的拓寬。在不斷完善對葉綠素、懸浮物、溫度等參數(shù)的監(jiān)測基礎(chǔ)上，有必要發(fā)展對COD、BOD等重要參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測的理論方法與模型。

　　(4)“3S”技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的綜合應(yīng)用與水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建立。GPS可以遙感對地觀測的精確定位并提供地面高程模型;RS可以為水質(zhì)大范圍和動態(tài)監(jiān)測提供多種數(shù)據(jù)源，為地理信息系統(tǒng)提供自然環(huán)境信息;GIS為遙感影像處理提供輔助，是遙感數(shù)據(jù)處理和管理的有效工具。“3S”技術(shù)在水質(zhì)遙感監(jiān)測中綜合應(yīng)用，推動水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建立，可以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量信息的準(zhǔn)確、動態(tài)、快速發(fā)布，推動國家水安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。