1、水環境監測遙感技術的應用我國水環境狀況不斷惡化，提高水環境監測效率的工作勢在必行。傳統監測方式存在局限性，在現實需求與現有監測方式不足這一矛盾不斷激化的背景下，遙感技術在水環境監測中得到快速而廣泛的應用。隨著遙感技術的不斷發展，遙感數據的時間、空間和光譜分辨率將越來越高，生態監測的頻次、監測內容和數據精度也會逐步提高，為遙感技術在水環境監測中的應用提供了更堅固的保障。1.遙感技術在水環境中的應用遙感是指在不直接接觸目標地物的情況下，對目標地物進行遠距離探測、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地物信息的電磁波遙感。由于任何溫

2、度高于絕對零度的物體均能發射、反射或吸收能量輻射，而且不同物體有不同性質結構，所以不同地物均具有其獨特的輻射特性。同樣在水環境監測中，不同溫度、泥沙含量、藻類數量、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，這些光譜特征體現在對特定波長的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠為遙感器捕獲并在遙感圖像中體現出來。根據對圖像的識別情況，我們就可以獲得水體的水質參數或者水體污染狀況。有基于此，遙感技術可以在水環境監測中得到應用。伴隨著社會經濟等各方面的快速發展，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

3、固體污染、石油污染、重金屬污染、富營養化污染和熱污染等。中國環境監測總站提供資料表明，我國水環境面臨三大問題：主要污染物排放量遠遠超過水環境容量；江河湖泊普遍遭受污染；生態用水缺乏，水環境惡化加劇。水污染的現狀可以表明，我國水環境污染形勢嚴峻，因此提高水環境監測效率的工作勢在必行。傳統方式的水環境監測主要是地面布點采樣，然后實驗室分析得出結論，這種方式由于受自然條件和時空等因素影響，具有一定的局限性。例如，在大面積水域的監測過程中，僅僅依賴于監測臺站和傳統監測方式，很難滿足對水體污染監測所需的實時、快速、宏觀、準確的監測要求，從而不能全面準確地反映出水體狀況。而與傳統監測方式相比，遙感技術具有

4、宏觀、綜合、動態和快速的特點，并且可以獲取其他監測手段無法獲取的信息。水環境狀況的惡化和傳統監測方式的不足，將促使遙感技術在水環境監測中的廣泛應用。2.水環境遙感應用的常用平臺與數據通常，水環境監測主要利用的是衛星遙感和航空遙感平臺，主要利用的數據包括遙感集市高分數據GF-1、ZY-3數據、美國Landsat-MSS、TM數據，法國SPOT-HRV數據以及各種航空遙感數據。20世紀70年代到80年代初，航空遙感廣泛應用于監測海水中的浮游植物；80年代中期以后遙感監測水質的工作主要利用衛星數據和航天平臺上的多光譜掃描儀及成像光譜儀的遙測數據。水環境遙感監測中常用數據就其應用可以歸為以下幾類。2.

5、1多光譜遙感數據在水環境的遙感監測中，常用的多光譜遙感數據包括遙感集市GF1-WFV1、美國Landsat-MSS、TM、法國SPOT-HRV、等的圖像數據，以及中國與古巴合作的地球資源1號衛星（CBERS）的CCD相機數據等。MSS數據最早被用于內陸水體的水質監測，如Lathrop和Kloiber等學者的研究表明內陸水體中的葉綠素a濃度、懸浮物濃度可以通過MSS數據監測。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、透明度在內的多項參數，取得了較理想的結果。李旭文等利用TM 數據對蘇州運河水質進行過綜合分析。余豐寧等用 TM

6、圖像對太湖北部水質進行了主成分監督分類的研究。2.2高光譜遙感數據現有高光譜數據可以分為兩類：成像光譜儀數據和非成像光譜儀數據。成像光譜儀數據主要利用的是美國的 AVIRIS 數據、加拿大的 CASI 數據、芬蘭的 AISA數據、中國的 PHI 數據以及 OMIS 數據、SEAWIFS 數據。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。在對我國太湖進行水質監測時，水面光譜測量就使用了 GRE-1500 便攜式超光譜儀。2.3新型的更為先進的遙感數據事實上新型遙感數據也無外乎多光譜和高光譜遙感數據，但是新的衛星升空為

7、水環境的遙感監測提供了更高空間、時間和光譜分辨率的遙感數據。如ETM+、MERIS多光譜數據，Hyperion、MODIS高光譜數據。新型衛星遙感數據在水環境監測中的應用在國內外尚處于起步階段，其特性為水環境監測提供了機遇。MODIS是EOS-AM1系列衛星的主要探測儀器，屬于波段不連續（光譜范圍0.414.5m）、數量少（波段36個）、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據，適合進行大范圍動態監測。3.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

8、物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規律，以波長為橫坐標、反射率為縱坐標所得的曲線。3.1自然水體的光譜特征自然水體的反射主要在藍綠光波段，其他波段吸收率很強，特別是在近紅外、中紅外波段有很強的吸收帶，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0.41.1m波段的光譜反射率約1%3%，其平均反射率約2%。但當水中含有其他物質時，反射光譜曲線會發生變化。當含有泥沙時，由于泥沙的散射作用，可見光波段發射率會增加，峰值出現在黃紅區；當水中含有葉綠素時，近紅外波段明顯抬升；由泥沙、天然有機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

9、懸浮物質99mg/L）比清澈湖水（含懸浮物質10mg/L）的光譜反射率高1.5%6%。這些都是影響分析的重要數據。3.2污染水體的光譜特征污染物質種類各異，其物理化學性質也不盡相同，因而對水體的光譜反射率影響也各不相同。含黑色物質和暗色物質懸浮物較多的污染水體，在0.41.1m波段的反射率比潔凈的自然水體的反射率略低一些；含中等色調懸浮污染物質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懸浮污染物質較多的水體，其在0.41.1m波段的反射率則顯著地高于潔凈的自然水體的反射率4.遙感監測水質參數的原理與方法遙感監測水質參數的原理主要是被污染或含有某種物質的水體具有

10、獨特而區別于潔凈水體的光譜特征。諸如水中懸浮物、藻類、化學物質、溶解性有機物等水體組分，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，從而我們可以根據其在圖像上的反映推斷出水體的水質參數。圖3表示了不同類型內陸水體的反射光譜，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，成為定量量測物質含量的基礎。遙感技術可以監測的水質參數種類大致可以分為以下4類：渾濁度、浮游植物、溶解性有機物、化學性水質指標。通常可以采用3種方法：理論方法、半經驗方法、經驗方法。4.1理論方法這種方法首先是根據水中光場的理論模型，確定吸收系數與后向散射系數之比與表面反射率之間的關系；然后利用這種關系

11、，可由遙感測得反射率值；最后與水中組分的特征吸收系數、后向散射系數相聯系，計算水中實際吸收系數與后向散射系數的比值，就可以得到組分的含量。這種基于光場理論的模型基礎尚不完善，而且簡化假設模型，使得預測值并不能滿足精度要求。5.遙感在水環境污染監測與控制中的應用遙感在水環境污染監測與控制中的應用，其基礎是遙感技術對水質參數的獲取。國內外對這方面的研究工作主要在海洋環境和內陸水環境兩方面進行。衛星遙感可實現對海洋大范圍、全天候的污染監測，比如可以利用多光譜傳感器對石油污染進行監測；在內陸水環境的監測過程中，由于內陸水體光譜特征的復雜性，目前開展的研究范圍比較小，主要在于湖泊和江河河口，可以監測的水

12、質參數也較少，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，并不詳細區分遙感在海洋和內陸水體污染監測與控制中的各種應用，而是習慣上將其分為水體富營養化、泥沙污染、熱污染、廢水污染、石油污染等幾種類型。5.1水體富營養化當大量的營養鹽進入水體后，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，從而導致魚類和貝類的死亡，這一過程稱為水體的富營養化。葉綠素是反映水體富營養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據的采樣，利用采樣數據與遙感數據反映的水體綠度指數建立起遙感回歸模型，得出水體中葉綠素及生物量

13、的空間分布信息，從而達到監測水體富營養化的目的。對于遙感估算水體葉綠素濃度，國內外學者做了大量的研究，建立了不少遙感數據與不同葉綠素濃度的水體光譜間的數學模型。如基于回歸模型的經驗算法、神經網絡模型法、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%。5.2泥沙污染水體中的泥沙能引起水體光譜特性的變化。在實際工作中選擇與泥沙濃度相關性好的波段，與實地調查懸浮固體結果進行分析，建立特定波段輻射值與懸浮固體濃度的對應關系模型，然后對該波段輻射值進行反演，可以得到懸浮固體的濃度。在可見光058068m

14、波段，不同泥沙濃度出現輻射峰值，這是遙感監測水體泥沙的最佳波段。這些相關模型主要包括Gordon公式模型、負指數關系式模型、統一關系式模型等理論模型，線性關系式模型、對數關系式模型、多波段關系式模型等經驗模型。如何運用遙感獲取的水體光譜數據提取出泥沙的專題信息，許多國內外學者對之進行了長期的研究，Kritilos等最早利用陸地衛星數據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指數模型，并用于杭州灣水域懸浮物的調查；李炎等研究了基于海面-遙感器光譜反射率斜率傳遞現象的懸浮泥沙遙感算法。5.3熱污染電力、鋼鐵、化學等工業中使用的冷卻水，超過允許的熱水排放標準而排入江河湖海時，使自然

15、水體的溫度上升，引起水體物理、化學和生物過程的變化，就構成了熱污染。遙感監測水體熱污染，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，利用多時相的熱紅外圖像，并結合地面觀測，其圖像可顯示出熱污染排放、流向和溫度分布的情形。利用光學技術或計算機對圖像作密度分割，同時根據少量的同步實測水溫，可確切地繪出水體溫度分布曲線。例如，有關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，熱排水口多達40個，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、重度熱污染和嚴重熱污染的河段。5.4廢水污染廢水由于性質的千差萬別，特征曲線上的反射位置和強

16、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性，取決于水體的污染性質和污染程度。廢水污染一般用多光譜合成圖像監測，也可根據溫度差異用熱紅外方法測定。由于人類的生產生活活動，導致大量廢水流入各類水體中，這些廢水中帶有大量有機物，分解時耗去大量的氧氣，具有很高的COD和BOD值。運用紅外傳感器可以根據水中含有的染料、氫氧化合物等物質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，對西安市護城河及興慶公園內8個不同污染程度污水進行波譜測試，建立了水體反

17、射波譜與BOD5和COD含量之間的相關模型，并取得了較好的效果。馬躍良等利用TM圖像數據對珠江廣州河段水環境質量中的水質污染進行監測應用研究，并建立了水質污染預測遙感模型。5.5石油污染石油污染指在石油的開采、煉制、貯運、使用的過程中，原油和各種石油制品進入環境而造成的污染。當前主要是石油對海洋的污染，已成為世界性的嚴重問題。遙感調查石油污染不僅能發現已知污染區的范圍和估算污染石油的含量，而且可追蹤污染源。控測石油污染的方法有很多。（1）石油在可見光0.30.4m波段反射率較弱，因此可以利用此波段對石油污染進行監測，另外在可見光0.630.68m波段，能使油膜和周圍干凈海水的反差達到最大。因此

18、，也可以用紅光波段來監測海面油膜，而用藍光波段來區分油膜、航跡和泥漿羽流，以達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，而且紫外光波段對厚度小于5mm的各種水面油膜敏感。此時，油膜對紫外光的反射率比海水高1.21.8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呈白色條帶，排油區呈黑色條帶，油膜呈深色調，因而可以利用熱紅外遙感對石油污染進行監測，另外根據灰階的不同，可以計算出石油覆蓋的含量。（4）用波長為2.2cm的微波輻射計成像也能監測石油污染。遙感用紅光波段檢測海面油膜，用藍光波段區分油膜、航跡，具有最佳的監測效果星載傳感器用來監測海面大面積溢油，短時間尺度的海面油膜動態監測常用機載傳感器紫外。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散情況，對于厚度小于1mm的油膜，可以確定其