遥感技术监测水体悬浮物含量的研究进展

杨玉敏，胡 洁，姚 兰,高 峰，董素文

(1.邢台学院，河北 邢台 054001;2. 邢台旭阳化工有限公司，河北 邢台 054001)

水体悬浮物是造成水体污染的物质之一，随着水体的流动，悬浮物污染物质在不断地扩散、蔓延，造成的水体环境污染损失不断加剧，最后污染整个水体，对周边生产生活带来严重影响。

遥感技术是1960年发展起来的一种应用探测仪器，不与监测物体接触，远距离识别目标电磁波特性，通过分析计算，揭示出监测物体特性和变化的一门综合性监测技术[1]。在水体监测领域中弥补了传统水体监测的缺点，对水体污染物含量变化问题能够及时作出反应，以便采取措施减小危害，而且通过长期、动态的遥感监测还能掌握水体未来的污染情况，对未来水体污染趋势采取及时反应，从而减小水体污染物对周边环境造成的危害[1]。

遥感技术的发展，不仅在水质监测领域中有所应用，还为其它领域的监测开辟了新的发展道路。比如在地质监测领域，应用遥感技术测绘地形、地质找矿等；在军事领域，遥感可以全天候和全天时进行地质侦查；在线路工程领域，遥感技术可以进行工程稳定性分析和线路规划等等。遥感技术的应用，能让人们清楚、及时的了解环境污染现状，并对污染现状做出判断，为环境资源保护提出科学、合理的防治措施。

1 水体悬浮物的光学性质及遥感原理

1.1 水体悬浮物组成及对水体的影响

水体悬浮物指不能通过孔径为0.45μm滤膜的悬浮在水中的固体颗粒物质，包括不溶于水的无机物、悬浮泥沙、黏土等可沉降的、人眼可见的固体颗粒物质[3]。这些颗粒主要是由泥沙、黏土、藻类、细菌、有机物、无机物等高分子物质组成，常常悬浮在水体中。

水体中的悬浮物阻碍光进入水体，使水体变得浑浊，影响了水体的清澈程度；水体中的藻类使水体色度增加，枯萎的藻类逐渐堆积，产生黏泥，造成污泥的淤塞；而水体中的某些固形物将会沉积下来，在地表形成层结，降低水底土壤的透气性、透水性等等。

1.2 水体悬浮物遥感原理

1.2.1 水体悬浮物的光学性质

水体的光学特性分为表观光学特性和固有光学特性。表观光学特性是随太阳光照射条件的变化而变化的，体现为光谱反射率的变化，不考虑水体本身的物理性质，主要参数包括辐射度比、向上辐照度、离水辐亮度、漫衰减系数等[4]。固有光学特性仅由水体本身的物理特性决定，不随外界光辐照强度的变化而变化，由吸收系数、散射系数、折射率、光衰减系数等参数组成[5]，其中吸收系数和散射系数最为常用，而吸收特性是构建水体高精度遥感模型的基础。

由悬浮泥沙与反射率光谱曲线图可知，悬浮泥沙浓度的不同，光谱的反射率也不同。当悬浮物浓度为3.40mg/L时，随波长增大，反射率没有较大变化；当悬浮物浓度增加至847.4mg/L时，反射率随波长的变化有两个明显的反射峰。第一个反射峰在560～720nm 波段内，当悬浮物浓度在18.7～90.5mg/L时，反射峰出现在570～590nm之间；当悬浮物浓度在162～847.4mg/L时，反射峰出现在660～700nm之间；第二个反射峰在波长790～800nm处，浓度为18.7～847.4mg/L之间悬浮泥沙在此波长范围内均有明显反射峰。

1.2.2 悬浮物遥感技术路线

当太阳辐射到达大气与水体的界面时，一部分辐射被反射，其余的部分则折射进入水体内部，被水面下被多种分子散射和吸收[8]。由于水体的组分以及组分浓度的不同，使水体的密度、透明度、颜色和温度等有所不同，从而导致了水体反射能量的变化和不同，传感器接收到的反射光和散射光的辐射也不同，从而可以反映不同水体的组分特征[9]。

通常情况下，在近红外与可见光波段区域，光谱反射率是水体悬浮物光学特性最直观的体现。悬浮物的含量和类型、悬浮颗粒大小以及遥感器的观测角等因素都会影响悬浮物的光谱反射率。悬浮物含量较低时，吸收特性较强，随着悬浮物含量增加，吸收特性减弱，水体的反射率增加。另一方面，水体悬浮物的散射特性是光受水体本身状况影响而偏离传播方向的性质。在悬浮颗粒多的水体中，光的衰减主要受散射影响。散射的强度是随水体悬浮物颗粒浓度变化而变化的，悬浮物颗粒粒径越小，散射系数越大，相应的反射率越大。

1.3 研究意义

水体监测是水污染防治内容之一。当前，传统的水资源监测主要依靠人工、设置监测站等方法来获取、计算、分析水体资源信息，但传统的水资源监测也存在一些问题，包括：(1)无法直接获取区域面上的信息；(2)由于监测站点的归属不同，一些地面监测地区不能实现数据共享；(3)监测站点不足，没有完全覆盖所有水源地，存在盲区。对于区域的整体水体来说，监测数据只能代表局部的监测，并不能取得大范围水体水质监测情况，不能实时、高效、快捷的对水质进行监测和评价。

遥感技术的兴起，在水体监测领域中弥补了传统水体监测的缺点，使人们获取的水体信息内容更加丰富，获得的数据更加清晰，从而有助于人们及时的了解水域污染情况，清楚的反映环境污染现状和分布情况，并对污染情况做出判断，为国民经济持续稳定发展提供动态的基础数据和科学依据。

2 水体悬浮物含量遥感反演及研究现状

2.1 经验模型反演

经验模型是一种将卫星遥感影像经ENVI、ArcGIS等专用软件处理后得到的数据与实地水质监测数据建立相关性联系的统计回归模型。反演的具体过程是从卫星数据资源网站获取特定水域实时监测图像，由上述软件对其进行辐射定标和大气校正等预处理，将影像的无量纲DN值转化为地物的反射率值，通过波段或波段组合的像元反射率与实测悬浮物数据的相关性分析，选取相关系数最大的波段或波段组合，将其反射率信息作为自变量，建立与因变量(悬浮物含量实测数据)之间的拟合方程模型，验证模型精度并选择精度最高的模型进行水体悬浮物含量反演。

经验模型依赖水体的表观光学性质，通过分析处理遥感影像数据来反推水体参数。该方法简便易行，适用于绝大多数可获取实际测量数据的水域。但其缺点在于需要同步的实际监测数据来构建模型，且模型的可移植性太差，在某一水体上建立的模型通常不能直接应用到其它水体，即使是同一水体，根据不同时令、季节的监测数据建立出来的模型也有所差异。另外对于悬浮泥沙浓度变化范围很大的水体，直接利用经验反演模型进行水质监测有时效果不太理想。为此一些研究者提出了不同的分段反演模型，按悬浮物含量的不同分别采用不同的分段演算法。

2.2 理论模型反演

理论模型的反演，是利用遥感反射率、辐射亮度等计算水体吸收系数与后向散射系数之间的比值,并与水中各组分特征吸收系数、后向散射系数相联系，进而反演水质参数的一种遥感反演方法。在实际水质监测中，由于光在水体中的辐射传输过程复杂，理论模型对数据源的要求较高，获取水体内部的光学参数很难。除了在某些特定条件下，一般反演精度并不能达到实际监测的要求，所以人们很少使用这种方法反演。

李云梅等在监测太湖悬浮物浓度一文中，将TM影像数据的无量纲DN值,转化为反射率数据,将Gordon模型与水体组分相联系，建立了太湖理论模型，并用实际测量的数据作验证，发现模型精度在70%～80%之间，进而通过该模型的反演，绘制出太湖悬浮物浓度分布图，开创了用TM 影像数据反演太湖水悬浮物浓度的理论模型。

2.3 半经验半理论模型反演

半经验半理论反演模型是综合考虑光辐射传输的物理机制及水体各要素的吸收系数和散射系数等因素,考虑光在水体中辐射衰减特性，将理论反演模型与经验反演模型相结合，按具体情况把水体固有光学特性进行简化求解的一种反演模型。由于考虑了水体自身物理特性对反射率的影响，这一模型精度较高，应用范围越来越广泛。

3 总结与展望

本文通过对水体悬浮物组成、光学特性的介绍，指出遥感反演模型与光学性质之间的关系，阐述了水体悬浮物遥感反演原理及发展现状，分类阐述各种模型对水体悬浮物反演过程。

基于实际情况的特殊性，不同的水质使用的遥感监测反演方法也不同，通过多角度分析，才能实现精确的水质监测。在今后研究中要增强高光谱技术在水质监测中的应用；深入研究不同水质参数的光学特性，扩大水质参数的遥感监测范围，建立不同水质参数的数据库；改进统计分析技术，多元遥感数据融合，提高水质监测的精度，多运用高分辨率遥感数据进行定量和定性分析。根据不同的反演模型，通过各种方法，逐渐完善水域水质监测数据库，提高新型的水质监测传感器精度以及复杂的数据分析处理技术等。

[1] 李葆权.黄河高扬程提水灌区滴灌系统水质净化处理研究[J].节水灌溉,2014(9):27-29.

[2] 卢世军.II类水体悬浮物遥感研究进展[J].现代计算机,2016(32):34-39.

[3] 周晓宇,孙德勇,李云梅,等.结合水体光学分类反演太湖总悬浮物浓度[J].环境科学,2013(07):2618-2627.

[4] 吴传庆.环境一号卫星数据的水环境遥感应用[M].北京:中国环境出版社,2014:48-94.

[5] 朱 鹤.遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究[J].中国水利水电科学研学院,2013(16):72-73.

[6] 王 昉,王 巍,史 明,等.基于遥感的北京城区水体悬浮物浓度监测[J].水资源保护,2013(4):82-94.

[7] 王代堃,国巧真.地表水悬浮物浓度遥感反演研究[J].测绘科学,2016(5):1-10.

[8] 朱玉霞,张 杰,刘 锐,等.基于HJ-1卫星的丹江口库区水质遥感监测研究[J].环境科技,2014(5):52-58.

[9] 乔晓景,何报寅,张 文,等.基于MODIS的长江中游河段悬浮泥沙浓度反演[J].长江流域资源与环境,2013(08):1090-1095.