高光谱遥感技术在水环境监测中的应用研究

杨淼　罗天志

摘要：高光谱遥感技术利用特殊的高光谱分辨率，实现对于水体样本中的污染程度和泥沙含量的有效识别，从而高效、准确地监测水环境的状态。经过长期的实验研究证明，高光谱的图像数据能够直接反映水体的状态和特征，其中包括叶绿素的富集程度、悬浮物的含量和基本构成以及水体的深度等等。根据水体内不同物质吸收和反射的波长不同，利用高光谱能够清晰地判断水体当中的物质及其含量，这在环境监测工作中起到了决定性作用。本文从分析高光谱遥感技术在环境监测领域的应用入手，具体研究其在水环境监测工作中发挥的作用，并通过部分实例分析高光谱遥感技术的实际应用方法和实践效果，从而促进水环境监测行业的进一步发展。

关键词：应用研究；水环境监测；高光谱遥感技术；绿色发展

伴随着现代社会经济发展速度的不断加快，人们在物质生活质量持续提高的同时，也逐渐开始关心自然环境的污染问题。在过去长期的以经济发展为主的生产模式下，我国的自然环境遭到严重的、不可逆转的破坏，其中水环境的破坏问题最为严重。如今全球气候变暖日渐严重，干旱现象频发，使得人们意识到环境保护和绿色发展的重要性。在水环境的治理和防护过程中，水环境的监测是最为基础的环节之一，只有保证水环境监测工作及时、准确，才能够有针对性地设计水污染治理方案。高光谱遥感技术的应用，使得水环境监测工作的工作效率和工作质量都得到了大幅度的提升，因此想要更深入地完善水环境监测工作体系，就必须重视起高光谱遥感技术的应用[1]。

1    高光谱遥感技术在环境监测行业的应用分析

遥感技术本身能够实现高效的环境变化检测，高光谱数据则以其数据精度的优越性，大大地提升了监测精度。当前高光谱遥感技术在环境监测领域的应用主要在水环境、大气、生态和地质四个部分。对于大气污染的污染源分布、污染源周围的扩散条件、监测热污染源，以及污染扩散能够影响的范围等数据的监测和调查，都能够通过高光谱遥感技术直接实现，比如把遥感仪器设置到卫星上，就能够通过卫星成像清楚地看到地球上处于红外波段的焚烧点，从而对全国的焚烧点进行实时监测。与此同时，高光谱遥感技术凭借其能够分辨纳米级的光谱分辨率，被广泛应用到生态环保领域，进行植被指数的提取、植被识别、生物量估算以及叶面指数计算等研究。除此之外，在地质行业，人们还可以利用高光谱遥感技术，获取矿物以及岩石的反射和吸收等等数据，从而辨别岩石矿物的种类，并且对检测地的实际地质环境进行勘探。

2    高光谱遥感技术在水环境监测工作中的实际应用

2.1 水环境监测中利用高光谱遥感技术的基本原理

在水环境的评估和监测工作当中，水体中的油类物质、溶解性有机物和不同类型的藻类等，都是对水环境情况进行评估的关键参考数据。根据不同种类物质吸收的波长以及其光谱特征的不同，利用高光谱遥感技术，可以有效地测得不同的物质类型及含量。比如，叶绿素a、藻青蛋白、藻类以及黄色物质，分别会吸收675 nm、625 nm、550～600 nm，以及450～500 nm的波长，从而引起水体反射波谱的不同呈现效果。由于不同的水环境中所含有的物质成分不同，因此在抽样检测时会产生不同的色段和色谱变化。根据这一基本特性，就可以利用高光谱遥感技术，收集水环境的相关光谱数据，从而分析出水环境的整体特征。由于被污染的水环境具有相对特殊的光谱数据，因此在分析时能够根据这一特殊性判断水环境是否被污染[2]。

对于水环境的监测工作而言，高光谱遥感技术能够有效测得水体的污染情况，因为水体中不同污染物质及其含量，通常与某些特定波长的反射率有着较强的关联性，因此高光谱能够较为直观且全面地反映出水体当中的污染物成分。但是水体中的物质与单一波长的相关反射率却较差，污染物与波长之间的关联效果，也取决于水体的污染程度和污染物的主要性质。因此在利用高光谱遥感技术进行监测时，需要尽可能用多组不同波长进行检测，根据高光谱呈现的效果不同，分析水体的主要污染物类型以及整体的污染程度。虽然目前部分应用高光谱遥感技术测量出的水环境数据的正确性还有待进一步证实，但是高光谱遥感技术在水环境监测工作中的应用效果不容忽视。

2.2 高光谱遥感技术应用的相关检测仪器

高光谱遥感技术的应用，主要通过成像光谱仪和非成像光谱仪获取高光谱的相关数据，从而进行统一的研究分析。

成像光谱仪也被称为高光谱成像仪，是将数据影像与光谱的测量相结合，实现光谱测量和图像绘制同步进行的智能设备。成像光谱仪有三种基本的使用方式：首先，是能够搭载在卫星当中实现实时监控；其次，是能够利用小型飞机的搭载进行灵活的监测；最后，则是可以将成像光谱仪放到地面上进行固定监测。这三种不同的使用方式都被广泛应用到了水环境监测的工作过程中，在实际的水环境监测工作开展时，往往需要根据实际的经费预算、观测需求以及水环境面积，对成像光谱仪进行搭配组合应用，从而达到监测效果。

非成像光谱仪当中，应用范围最广的是野外光谱仪以及便携式超光谱仪两种设备。非成像光谱仪的主要特点是通过图形的形式对高光谱的反射率进行记录，而不是利用影像进行记录。非成像光谱仪在应用过程中主要负责在野外环境中，测量并记录水体的光谱反射曲线。与此同时，非成像光谱仪还能够辅助成像光谱仪的工作，当需要利用机载成像光谱仪进行作业时，非成像光谱仪可以担任校准工作，从而保证测量工作的精确度和有效性。

3    高光谱遥感技术在水环境监测中的应用

在水环境监测工作的开展过程中，通常利用高光谱遥感技術，对需要探测地区的水环境光谱特征进行统一的检测和绘制。之后对谱面数据进行深入的分析：根据水体整体的光谱特征，分析该地区水环境的主要污染类型；根据水体对于不同组别的光谱反射率变化趋势，分析计算水环境当中的泥沙含量最佳波段和可行性；分析水体的波谱数据，评估水体实际的污染程度；辅助判断水体深度是否存在勘测的可行性。在根据光谱数据进行分析的过程中，回归分析和预测分析是应用范围最广，也是最为直接的分析方法[3]。

在当前阶段高光谱遥感技术的应用过程当中，扫描式的光谱图像不仅可以展示水环境当中各种物质及含量，还能够清晰、直接地反映水环境中的水体深度、叶绿素富集程度以及悬浮物含量等水体特征。正常海水和赤潮水体在光谱图像方面的反射率特征和光谱趋势等之间有着较大的差异。而且，不同优势藻类的赤潮水体，彼此之间的光谱特性往往也不同。因此利用高光谱遥感技术，不仅能够对一般的水环境进行分析，还能够在赤潮研究方面进行应用。

高光谱遥感技术在水环境监测工作当中的实际应用，可以通过如下几个实例进行展现：

第一是在2002年，对芦河流经陕西省靖边县城区河段进行高光谱测试和野外调查，测试结果如表1所示。

经过对测量结果的分析，能够得出不同区域的水体污染程度。同时经过野外调查结果得出，污染程度越高的河段，其色彩更加趨向于浅灰绿色。

第二是对于我国的环境监测领域，目前我国较为大型、技术比较成熟的水环境监测站，已经开始全面使用成像光谱仪，对赤潮水体以及河口污染等海水环境污染问题进行全面的监测，同时建立了对应的应用板块。还有部分研究人员利用高光谱遥感技术，以太湖等地区的水环境为例，进行动态跟踪和水环境的实时监测。研究人员使用成像光谱仪的航空成像获得了大量的水环境实时数据，同时结合实验地区的卫星资料，获得了关于滇池和太湖等地区的大量可靠的水环境研究资料，并且通过对水体的实际污染浓度与水面反射率之间关系研究，得到测量水环境中叶绿素a浓度，以及测量悬浮物类型的最佳光谱通道[4]。

4    结语

总而言之，在开展水环境监测工作时利用高光谱遥感技术，不仅加快了测定工作的效率，还有效保证了水环境监测工作的精确性。目前我国已经有越来越多的研究人员，参与到了高光谱遥感技术在水环境监测方面的实际应用研究当中，现阶段高光谱遥感技术已经取得了较为良好的应用效果，在水环境监测方面应用高光谱遥感技术已经成为必然的趋势。在未来更加深入的发展过程中，高光谱遥感技术会更为广泛地应用到水环境的监测和治理工作当中，甚至还会在拓展水质监测的模型空间，以及挖掘新型的遥感数据等方面发挥更大的作用。在科学技术不断深入发展的信息时代，高光谱遥感技术必然会向着更加智能、准确的方向发展，我国的环境监测工作也会变得更加高效。

参考文献

[1] 冯天时，庞治国，江威，等.高光谱遥感技术及其水利应用进展[J].地球信息科学学报，2021，23（9）：1646-1661.

[2] 王东豪.高光谱遥感技术监测内陆水体氮磷中的应用[J].山西建筑，2019，45（2）：167-169.

[3] 赵少华，张峰，王桥，等.高光谱遥感技术在国家环保领域中的应用[J].光谱学与光谱分析，2013，33（12）：3343-3348.

[4] 孟庆庆.水环境监测中遥感技术的应用探讨[J].环境与发展，2020，32（7）：79，81.