浅析遥感反演技术在水质参数监测方面的应用

孙李一楠

（哈尔滨师范大学 教师教育学院，黑龙江哈尔滨150025）

一、引言

水资源匮乏已成为一个全球面临的难题，也成为制约经济社会发展的一个瓶颈，甚至在很多国家连居民的基本生活用水都难以保证。因此，各国专家都在致力于水资源的开发、探索中，尤其是地下水资源的勘探及海水的水质监测、净化方面。正是基于这种实际的需要，水质领域的研究者也在运用新的技术手段探索水质参数监测的方法。

研究者对地下水质及海水水质参数的研究，是为了满足不同用户对水质的要求。通过对地下水演变及成因进行分析、研究，可以找到解决水资源短缺的办法，实现水资源的持续利用。遥感技术在水资源的勘探及水质检测方面为工作者提供了技术支持及保障。当前，遥感反演技术在水质参数监测上的应用已经较为成熟，并为解决人类水资源匮乏作出了巨大贡献，尤其是在深层地下水资源的勘探，海水水质参数的监测上。

二、传统的水质监测技术

随着工业的发展及人类生活、生产形成的废水越来越多，只靠古老的、自然的水循环已难以解决水资源的污染问题。同时，再采用传统的水质监测、水质采样分析的方法，将无法满足用户对水质的需求。因为传统的采样分析方法，是在不同的河段进行采样，然后将采样放置在容器内静置，并通过物理的、化学的方法分离、监测水质，分析水中所含有的各种成分，得出水质参数及指标。

这种监测方法会受到采样点空间分布密度的限制，不能客观、全面地反映需要监测的水域的真实情况。在监测的过程中耗费时间较长、成本也比较高、效率低下，有时得出的结果也不尽人意。随着人们对水质要求的不断提高及要求的多样化，传统的水质监测技术已略显无能为力。科学技术的发展，为水质的监测提供了新的手段、方法，尤其是遥感技术在水质参数监测上的运用，为水质参数监测提供了更加高效的方法。

三、遥感反演技术的概述

当今各国已不在满足于地球上的竞争、资源的争夺，已将其扩展到了外太空。卫星的发射就是很好的证明。各国之所以抢先发射卫星，战领宇宙空间，是因为通过卫星可以为人类返回很多地球表面的数据信息，而不仅仅是为了网络通讯。比如通过卫星返回的图片，人类可以对我们所生活的地球有一个更全面的了解。矿产资源的分布情况、地形地貌情况、水资源的分布情况等，还可以通过遥感反演技术更清楚、更高效、更准确地了解地球上某一流域水质参数，随时监测水质参数，及时了解水质情况，并根据用户需要为其提供水资源。

随着遥感科学技术的不断发展，水质研究者试图将偏振作为遥感的另一维信息源加以利用。光的偏振在大气与海洋系统中形成了丰富的数据信息。研究者可以根据水面反射光的偏振效应、反射光在布儒斯特角时的规律、水体散射介质对入射光的偏振状态的改变等信息得出水体物质的组成。因此，偏振信息的遥感反演方法可以作为一种新的水质参数监测方法，这种基于遥感反演技术的水质监测方法，对水质领域的研究将具有划时代的意义。

针对用水户不同的需要，研究者对水质的监测往往也会采用不同的方法。常用的水质参数评价方法主要有：综合指数法、模糊数学法、模糊综合评价法、灰色聚类法、灰色关联度法、人工神经网络、遗传算法、多元回归模型、逻辑斯谛曲线模型、主成分分析法、集对分析法、投影寻踪模型法、物元分析与可拓集合法等，虽然研究者为我们呈现了很多水质评价监测的方法，但是由于水环境的不确定性，在水质管理的实践中，能够广泛应用的方法还是比较少的。利用遥感卫星，可以对水质的时空分布及变化情况进行定性甚至定量的监测。这种监测方法监测范围广、速度快、监测周期长、成本低，因此在我国已经将这一技术应用到长江、黄浦江、闽江等内陆水域的监测中，然而很多技术的使用仍然在探索、完善中。

四、遥感反演技术在水质监测上的应用原理

遥感反演技术其实利用的是不同物质反射光的波长不同的原理。水质遥感监测就是根据被污染水体所呈现的光谱特征与清洁水体的不同，并可根据呈现的光谱特征判断污染物质。因为太阳光入射到物体的表面，经过物质的选择性吸收与散射，形成不同的吸收光谱。水体的光谱敏感通道主要集中在0.35～0.90um之间。当水体被污染后，就会出现富营养化，水体中的浮游植物增多，浮游植物的叶绿素对近红外波段具有明显的“陡坡效应”，当叶绿素浓度不同时，在0.43～0.70um光谱波段会出现较明显的差异，因此近红外波段与红光波段的比值可以用来估算水体中叶绿素的浓度变化。

对于水中含有的其他悬浮颗粒，同样可以运用不同物质对太阳光吸收反射的光谱波段的不同，分析水质中所含有的物质的成分及数量，以便更好地掌握水质的参数，对水质进行实时监控。如果水中悬浮的泥沙增加，将会增加太阳光的反射率，并使光谱曲线的反射峰往长波方向移动，尤其是可见光波段中的红光波段。

目前在内陆水体水质遥感监测中应用较广泛的多光谱数据之一是运行时间长、应用广泛的Landsat卫星。Landsat卫星成功运用近红外波段与红光波段的比值（TM4/TM3），提取了浓度为10～200mg/L的叶绿素（R2>0.92），同时这一比值还可以用来估算水体中叶绿素浓度的变化，可以运用三波段模型、两波段模型、反射峰位置法、一阶微分法等方法估算水质叶绿素a的浓度。如果缺乏卫星同步实测数据，则可以利用水体本身的遥感光谱信息建立水质参数遥感模型。

五、结束语

水资源的短缺及用水户对水质参数提出的不同需求，促使水质监测部门改变传统的分段采样的水质参数监测方法，探索运用卫星遥感反演技术对地下水资源勘探及地表水水质参数的监测。随着遥感反演技术的成熟，我国的水质分析与研究领域也正在蓬勃发展，各种利用卫星遥感反演技术建立的水质监测模型不断出现，尽管现在已经形成了多种水质监测评价方法，但由于水环境是一个特殊的循环系统，具有很大的不确定性，目前能够广泛应用的模型还不多，且须要根据水质的实际情况不断地修改、调整模型。为了能更准确地反映水资源的保有量、水质参数情况及为用水户提供符合其需要的水质，水质研究者要树立科学的态度，为水质参数有效的分析提供科学的监测数据，建立推进水质参数监测、分析的研究模型，促进水资源循环利用，解决水资源短缺问题。

［1］宋瑜，宋晓东等.基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测［J］.光谱学与光谱分析，2010，（4）.

［2］李云亮，张运林，李俊生，等.不同方法估算太湖叶绿素a 浓度对比研究［J］.环境科学，2009，（3）.