高光谱遥感技术在水质监测中的应用前景分析

冯文

（湖南省第二测绘院湖南长沙410000）

高光谱遥感技术在水质监测中的应用前景分析

冯文

（湖南省第二测绘院湖南长沙410000）

高光谱遥感技术在水质监测中具有重要应用价值，根据遥感监测水质机理对清水、藻类水体、悬浮泥沙类水体、石油类污水的光谱特征进行了总结；分析了遥感监测水质常用的方法；对悬浮物、叶绿素-a、黄色物质浓度高光谱监测的国内外研究现状进行了总结；指出建立不同水体的光谱特征库、建立水体性质指标的多波段非线性模型是高光谱技术在水质监测应用中的重点研究方向。

高光谱遥感；遥感；水质监测；光谱特征

1 引言

随着我国经济的高速发展和工业化程度的加剧，水质污染和富营养化日益严重，因此必须加强水质的监测和治理。传统监测方法（先采集水样，然后运回实验室进行水质分析）比较费时费力，而且对水样的选取、水质的保存等要求较高，此外水样采集和分析的数量有限，对于整个水体而言，这些测点数据只具有局部和典型的代表意义，难以获取大范围水域水质参数的空间分布和变化规律，不能满足对水质实时、大尺度的监测评价要求。多数据源、多水质参数的定量遥感是当前水质遥感监测发展的前沿。利用遥感技术监测河流、湖泊等较大的水体可以提供大面积的水质信息，具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优势，在相当大的程度上弥补了常规水质监测方法的不足，为环境监测提供了一种卓有成效的新方法。而高光谱遥感以其光谱分辨率高、波段连续性强、可以获得多光谱传感器无法获得的精细的光谱信息，可以实现连续空间上光谱测量的特点[2]，在水质监测中逐渐显示出巨大的优势。

2 几种水体的光谱特征

通过遥感系统量测一定波长范围的水体的辐射值得到水体的光谱特征是遥感监测水体水质的基础。遥感获取水质参数的方法是通过分析水体吸收和散射太阳辐射能形成的光谱特征与水质指标浓度之间的关系实现的。利用遥感技术进行水环境质量监测的主要机理是被污染水体具有独特的有别于清洁水体的光谱特征，这些光谱特征体现在其对特定波长的光的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在遥感图像中体现出来。

对水体来说，其光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响。

2.1 清水的光谱特征

清水的反射率在可见光波段范围内一般为4～5%，在600nm下降为2～3%，到750nm之后的红外波段，水体成了全吸收体。

2.2 藻类水体光谱特征

浮游植物体内的叶绿素对可见光和近红外光波段具有特殊的“陡坡效应”。在420～500nm范围内，叶绿素-a在蓝紫光波段有一个比较平坦的吸收峰，水体的反射率较低，可能是叶绿素、类胡萝卜素以及溶解性有机物的吸收造成的；510～620nm附近的反射峰是由于叶绿素和胡萝卜素弱吸收和悬浮物的散射作用形成的，该范围内反射峰值与色素组成有关，可以作为叶绿素定量标志；670nm附近是叶绿素-a的又一吸收峰，当藻类密度较高时，水体光谱反射率曲线在该处出现谷值；710nm附近反射峰的出现是含藻类水体最显著的光谱特征，其峰值是叶绿素-a浓度的指示，其存在与否可以作为判断水体是否含有叶绿素的依据，出现的表面原因是由于水和叶绿素-a的吸收系数之和在该处达到最小，根本原因应归因于叶绿素的荧光效应，但荧光峰位置变化不能用于叶绿素-a的定量反演。

2.3 含石油类污水的光谱特征

目前海上油轮事故、含油污水排放、石油生产活动给水环境带来了严重的污染。含石油类水体光谱特征的研究愈显重要。黄妙芬等的研究表明含石油类污水的黄色物质和色素的吸收系数大于非石油类水体，其光谱曲线与非色素颗粒物、黄色物质都遵循e指数衰减但指数斜率明显不同；陆应诚等认为1150～2500nm波段可用来探测较薄油膜的存在与否，400～1150nm可以用来定量探测较薄油膜厚度，550nm、645nm为较薄油膜探测与评估的高光谱遥感最佳选择波段。

3 几种主要水质参数浓度的高光谱定量监测

针对水体遥感监测的水质指标，研究较多和相对比较成熟的是悬浮物、叶绿素-a和黄色物质。其它指标如溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD5）、总氮（TN）、总磷（TP）、透明度（SD）等也开展了研究。

3.1 悬浮物浓度的高光谱定量监测

内陆水体中悬浮物浓度是最先被遥感估测的水质参数，悬浮物主要是指水中呈固体状的不溶解物质，如水中的各类矿物微粒，含铝、铁、硅水合氧化物等无机物质，及腐殖质、蛋白质等有机大分子物质。

3.2 叶绿素-a浓度的高光谱定量监测

监测叶绿素浓度是利用波段和波段组合的反射率与实地监测水质建立统计模型。计算叶绿素-a浓度的最佳波段的选取依赖于其浓度。叶绿素-a浓度的遥感监测研究已经比较成熟。

3.3 黄色物质浓度的高光谱定量监测

国外对黄色物质（CDOM）的遥感监测始于20世纪90年代在海洋水体中进行的。探测CDOM的属性能演绎海水中碳的含量，其浓度变化可以作为海水污染程度的指示剂。CDOM对紫外光有很强的吸收能力，而在红外光谱波段几乎为零。

3.4 其它指标的高光谱定量监测

水体透明度是一项重要的水质指标，它反映了水颜色和浑浊度的综合影响；水中溶解氧的含量直接反映水体受污染的程度，其含量与水生生物的生存也有重要意义。国内学者对这两者的监测也较多。童小华等人建立了黄浦江上游水域透明度的线性模型和溶解氧的对数模型；段宏涛等人建立了适合于查干湖水域的单波段透明度反演模型。这些指标主要建立了单波段的线性模型。

4 高光谱遥感技术在水质监测中的应用研究展望

基于遥感技术的水体水质监测显现了巨大的应用潜力，随着传感器技术的发展，高分辨率、多光谱遥感数据将成为主要的遥感信息流，为高光谱遥感水质监测提供数据保证。基于高光谱遥感数据的水质监测应集中研究以下方面：

（1）利用高光谱数据进行水质参数反演，对其上百的宽度为10nm左右的连续波段与主要水质参数的光谱响应特性进行研究，建立不同水体的光谱特征库。

（2）利用高光谱数据和中、低分辨率多光谱数据进行水质遥感定量监测机理研究，研究同时含有多种水质参数的水体的光谱特征，寻找各影响因素的相关关系，消除水质组分间的相互干扰，选择合适的算法建立不受时间和地域限制的水质参数反演模型。

（3）确定水质参数诊断性波谱及波段组合，构建水质参数遥感模型和反演的核心技术，提高水质监测精度。

（4）利用高光谱数据加强水中其它指标的定量监测，建立其它指标的多波段及波段组合的非线性反演模型。

[1]童小华，谢欢，等.黄浦江上游水域的多光谱遥感水质监测与反演模型[J].武汉大学学报（自然科学版），2006，31（10）：851～854.

[2]侯鹏，杨锋杰，等.遥感技术在南四湖水质监测方面的应用研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2003，22（3）：252～255.

[3]杜嘉，张柏，等.松花湖水体叶绿素a含量与反射光谱特征关系初探[J].遥感技术与应用，2010，25（1）：50～56.

[4]段洪涛，马荣华，等.高叶绿素水体荧光峰位置变化响应关系研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（1）：161～164.

[5]张芸，张鹰，王晶晶.悬浮泥沙反射光谱反射率与质量浓度、粒径的相关关系[J].海洋科学进展，2008，26（3）：340～345.

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1004-7344（2016）28-0202-02

2016-8-5

冯文（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事工程测绘、大地测量、数据建库工作。