地表水环境遥感监测关键技术与系统

摘要：本文主要是围绕地表水环境遥感检测展开讨论，全面介绍了水环境检测的关键技术和系统，建立改进双峰法的水体分布遥感提取方法，并以具体地区为例进行分析，采用不同方法建立解析方法，从根本上提升反演方法的区域和积极适用性，希望能够对相关人员起到参考性价值。

关键词：地表水环境;遥感监测;关键技术;系统

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）02-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.089

Abstract：The research is mainly focused on the remote sensing detection of surface water environment，a comprehensive introduction to the key technologies and systems of water environmental detection，the establishment of an improved bimodal method for remote sensing extraction of water distribution，and the analysis of specific regions as examples.The analytical method fundamentally improves the area and positive applicability of the inversion method， hoping to be of reference value to relevant personnel.

Key words：Surface water environment;Remote sensing monitoring;Key technology;System

在我国社会经济发展过程中，水体污染问题日益严重。国家高度重视中国水环境保护与治理工作，并且出台了一系列政策法规。国务院所发布的水污染防治计划，给出了详细的治理时间。在治理水环境污染问题时，首先应当检测污染问题，所采用的水质检测方法主要包括水样采集、送检以及测量水质参数。传统材料检测方法对各类水质参数类别进行测量，精度比较高，然而此种方法只可以测量有限数据，并且间隔时间比较长，需要投入大量的人力物力，无法应用于大范围检测当中。随着在线水质检测技术的发展，通过检测站，对水质参数数据进行测量，然而这种方法的不足在于成本投入比较大，或许需要进行检修和维护，无法应用于大范围检测当中。相比于传统检测方法来说，卫星遥感能够降低检测成本，还能够对大范围内的流水体水质进行检测，明确污染物的迁移规律和时空分布特点。以电磁波的波长，可以将卫星遥感分为微波遥感、红外遥感以及光学遥感。由于地表水环境遥感检测的技术难度比较大，所以需要针对各领域进行技术研发，实现水体水文的自动化检测，建立水环境遥感检测系统。

1 水体水文要素遥感检测

1.1 自动化提取水体分布情况

水环境遥感检测工作中，划分水体分布地区属于重要工作，能够为后续水体污染治理提供便捷性。按照水體在短波红外波段反射率比较低的特点，可以采用该波段建立水体特征光谱指数，通过阈值分割提取水体。阈值分割方法需要检测人员明确最佳数值，由于不同观测角度、大气条件以及观测条件存在差异性，导致阈值波动比较大，无法为不同水体明确合适的阈值。正是由于存在以上问题，所以需要提出改进方法，即分布自动化提取方法。此种方法能够自动化提取水体分布情况，还能够简化算法复杂性，避免使用辅助性数据，能够应用于序列大批量数据自动化提取当中。通过此种方法，对某水库水体分布情况进行自动化提取，获得水体分布频率。通过分析得到的内容，能够看出该水库南侧和北侧的水体分布变化大，主要是由于该区域属于湿地，在涨水之后会淹没大范围区域。此种方法的基础在于水体指数，遥感数据可以对水体指数的波段进行计算，通过此种方法提取水体分布情况，不会受到空间分辨率的影响。

1.2 水体面积与水位测量

在湖泊水文分析中，面积和水位属于基础数据，主要采用时间观测获取数据，然而由于受到地理和经济因素影响，导致多数观测站无法获得实际水位数据。随着卫星技术的发展，提升了河流水位获取的便捷性，并且产生卫星测高数据集。在水量平衡分析中，湖泊水量变化属于重要参数。NASA所提供的陆地水储量变化数据的空间分辨率比较低。此次研究主要是应用Landsat和MODIS数据，检测青藏高原湖泊面积变化情况。结果能够看出，该湖泊面积为扩张趋势，综合数据和遥感水文模型，可以对纳木错水量平衡过程进行模拟。按照模拟结果能够看出，纳木错的水位上升5.82m。

2 典型湖库水质参数遥感监测

2.1 叶绿素浓度监测

叶绿素浓度可以反映出水体中的藻类生物与浮游生物情况，也能够对水体营养状态进行评价。由于水体光学特点复杂，且会随着季节和区域变化，同一个水体在不同季节的光学特性不同。当水体光学特性比较复杂时，无法建立模型反演水体组分浓度，特别是叶绿素的浓度。为了处理该问题，需要采用分类反演模型，针对不同类别的水体应用不同的反演算法，有助于提升反演模型的区域适用性，相应提升反演精度。然而由于水体应用不同的反演模型，从而造成边界发生反演结果跳跃问题，不满足水体空间分布渐变性特点。其次，水体种类不能对所有类型的水体进行覆盖，且存在光学特性的差异性，对分类反演方法的应用造成一定限制影响。

为了处理以上问题，需要应用软分类反演方法。此种方法是在先前分类基础上开展，基于光学特性对水体进行分类，并且对水体的质心光谱进行计算，标注出最佳反演算法，以此获取质心光谱的距离权重，权重会随着距离的拉大而上升。通过对不同类型水体的反演算法进行优化，可以明显提升反演的精度，还能够避免边界数值跳跃。

2.2 悬浮物浓度参数遥感检测

悬浮物主要是固体状态，且不溶于水的物质。在对地表水体质量进行评价时，悬浮物浓度属于重要评价参数，能够直接影响水体颜色和透明度等参数，还会对水体的初级生产力造成影响。对于水体悬浮物浓度的反演方法主要包括半解析法和经验法。此次研究以某地区遭受严重污染的湖泊为例进行分析，获取水体不同季节的光学特性参数，以此得出近红外波段黄色物质、叶绿素和悬浮物的吸收系数约等于0的结论，通过变形推导生物光学模型，能够获得悬浮物浓度反演方法，此种方法是半解析法。在应用此种方法时，只需要将近红外波段作为输入参数，就能够得到悬浮物的分布图。

3 地表水环境遥感监测系统

通过遥感监测的方法和模型，设计研发水环境遥感监测系统，该系统包含四大子系统，包含水质参数反演、水体图像处理、污染信息提取以及专题报告生成。其中，水质参数反演主要是通过预处理遥感图像，对水质参数进行反演，包括营养状态、悬浮物、黄色物质、浊度以及透明度等水质参数;图像处理主要是处理覆盖水体的遥感图像，能够实现云识别技术、辐射校正功能、面积测算功能以及大气校正功能等;污染信息提取主要是对水体污染物分布类型进行提取，可提取的污染物包括油污、赤潮和绿潮等;专题报告主要是按照定义模板，对水体污染物以及水质参数进行图表化统计，以此形成面向环境监测业务的报告。

水环境遥感监测系统能够基于典型遥感数据源，提供业务员操作模式。此种模式是利用原始遥感数据，能够自动形成水环境遥感监测报告，明显提升水环境的遥感监测效率，实现卫星遥感技术的业务化应用。

4 结论与展望

本文基于水环境遥感监测的技术难点，注重分析和研究关键技术和应用，建立了水体自动化遥感提取方法，这样能够确保水体提取的高效化和精度化，可以应用到多数湖泊水库水体提取中。通过应用长时序水量估算方法，建立典型湖泊的水位序列、面积序列以及水量序列，能够深入分析时间与空间变化的内在规律。通过叶绿素浓度反演法，明顯提升了反演模型的季节适用性和区域适用性。通过对某湖泊叶绿素浓度时间序列进行反演，能够建立高度水体悬浮物浓度反演方法，对湖泊悬浮物浓度进行反演，建立大范围遥感监测方法，主要关于水体透明度和营养状态的监测。通过水环境遥感监测的方法与模型，设计地表水环境遥感监测系统，明显提升了水环境监测效率，还能够实现卫星遥感技术的业务化应用。

在未来发展中，还应当不断优化和完善地表水环境遥感监测工作。对于数据源来说，不仅需要应用卫星遥感，还应当应用船载、塔基以及无人机遥感数据，通过智能移动终端监测和分析水环境。对于水环境监测方法来说，可以深入分析学习技术应用到水环境遥感监测的可行性。对于水环境遥感监测系统的具体应用来说，还应当建立共享型遥感监测产品，实现卫星遥感技术的业务化应用。

参考文献

[1]施玉格，王昭申，吴丽.地表水中化学需氧量、高锰酸盐指数和生化需氧量的实验室间检测比对分析[J].干旱环境监测，2019，33（03）：117-119+144.

[2]梁坤，杨彬，张涤非，贾文娟，高志新.沈阳市农村环境质量现状分析与对策——以浑南区S村为例[J].环境生态学，2019，1（04）：41-44.

[3]张继辉，王克勤，赵洋毅，王帅兵，闵惠琳.滇中重要水源区土地垦殖对集水区地表水质特征的影响[J].西南农业学报，2019，32（06）：1417-1425.

收稿日期：2019-12-14

作者简介：刘君（1981-），女，汉族，本科学历，中级工程师，研究方向为环境保护。