水环境遥感监测系统的应用分析

肖江玥

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

随着经济社会的高速发展，人们对水资源的需求也日渐增多。工农业和生活废水日渐增加的排放量，带来了严重的水资源短缺与水污染问题。面对严峻的水环境恶化情况，建立准确、客观、动态、快速的水环境监测系统是有效开展水环境污染治理和环境保护工作的前提。只有全面地对水污染状况进行监测，正确评估水污染治理效果，才能有效改善水环境恶化问题。

目前国内的水环境监测已经从以人工采样布点监测为主的工作模式逐步转变成完善地面自动监测站点的组网建设，但因地面常规监测手段存在维护成本高、时空连续性差等缺点，仍然很难开展实时动态的大面积水域监测工作。水环境遥感监测技术拥有监测范围广、数据获取频率高、处理速度快、数据成本低等优点，可以很好的满足准确快速地进行周期性动态监测水体并开展大范围水体污染评估的需求，进而为控制和治理水环境提供一个具有多重优势的数据保障途径。本文概述了遥感技术在水环境监测方面的技术背景、应用方向和重点发展趋势，为全面开展系统性的水环境遥感监测研究提供参考。

1 遥感技术应用于水环境监测的技术背景

1.1 水环境遥感监测的基本原理

遥感技术是以非接触的方式，利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过探测仪器接收目标物的电磁波信息，从而分析并判别出目标物性质结构的技术。

应用遥感技术进行水环境监测的基本原理是基于水体中的悬浮物、藻类含量等反应污染程度的水体要素所对应的不同辐射特性，使用遥感器捕获并在遥感图像上呈现，通过对遥感图像上光谱特征的分析识别，获得水体的水质参数信息。同时，收集干净水体的光谱特征信息并与研究水体进行分析对比，得到研究水域中各类水质参数的含量与空间分布信息，再与对应的时间信息相结合，从而判断出水体污染物的时空分布特征，达到水环境动态监测的目的。常规处理步骤是遥感数据获取、定标辐射值、影像预处理、研究水域掩膜划分、建立水环境数据库、进行水质参数反演[1]。

1.2 水环境遥感监测常用平台与数据类型

目前水环境监测常用的数据获取平台以及数据分析方法已经逐步由传统的地面布点采样加实验室分析测定方式提升为融入遥感技术的多平台传感器协同作业加系统自动化数据处理模式。

常用的遥感平台按照工作平台与地球表面的距离可以分为地面、航空和航天遥感平台。航空遥感常见载体为固定翼飞机和无人机，具有较高的空间分辨率，可以根据实际需求灵活选择飞行时间和航线，适合水环境污染的应急遥感监测，无人机机载遥感器系统还具有低成本、操作简便、高时效性等优势。

航天遥感常用到的星载数据源有Landsat系列卫星、Spot系列卫星、搭载Modis遥感器的EOS AM-1卫星以及国产的高分系列卫星等，更适合于进行长期动态监测，但由于卫星本身存在重返周期，往往难以满足及时监测需求，一般不适用于水污染的应急监测。

地面遥感器最常用的设备即地物光谱仪，通过测量水体及水面下不同深度处的反射率光谱来分析水体组成成分，为散点式观测，存在宏观性差、数据获取频率低、人为因素干扰大等缺点。近年还发明出岸基高光谱监测仪，通过实现对近岸水面实时连续的反射率与水质参数浓度的同步测定来提升反演结果精度，可弥补传统地面遥感器在观测频次和精度上的不足[2]。

遥感技术根据不同工作波段可划分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感等。在水环境监测中，通常根据不同的监测对象采用合适的光谱波段来进行探测。目前常用到的遥感数据种类可根据数据的光谱分辨率分为多光谱遥感数据和高光谱遥感数据。

多光谱遥感是将地物辐射电磁波分割成若干个较窄的光谱波段，在同一时间获得目标物不同波段信息的技术。传统的多光谱遥感接收到的波段较少，无法全面地捕捉目标物的光谱特征。

高光谱遥感的发展则是遥感技术发展的又一项重大突破，凭借光谱分辨率高和图谱合一等技术优势，在水环境监测领域有着巨大的应用潜力。相对于多光谱遥感数据而言，高光谱遥感数据不仅提升了水体指标的反演精度，还能够完成水体要素的分类识别。因此，高光谱遥感技术的发展已成为遥感技术在水环境监测领域的一个重要研究方向。

1.3 水环境遥感监测水质参数反演方法

水质参数反演是遥感技术应用于水环境监测十分重要的环节，利用通过遥感技术获取到的水质参数光谱特征与实际的水体要素数值之间的相关性分析来反演得到具有明显光谱特性的水体要素在研究水域中的时空动态分布，最终形成该区域的水环境监测评价结果。目前常见的用于研究影响水体光学特性的典型水质参数有叶绿素a、悬浮物、可溶性有机物、透明度、总氮、总磷等。

水环境遥感监测数据常见的反演方法分为经验方法、半经验方法、分析方法、半分析方法和人工智能方法。经验方法是基于遥感数据和实验数据的相关性统计分析，通过统计学方法分析建立经验模型并反演水质参数。这种反演方法的理论算法简单易实现，但模型精度通常不高，且难以进行重复利用。半经验方法则是在经验方法的基础上，将遥感数据与同步测量的实际水质参数相结合，能够实现较高的反演精度，是目前最常采用的反演方法，但仍具有时间和空间上的局限性[3]。

分析方法是通过水中辐射传输模型来确定水体各组分与水体反射率光谱之间的关系，然后由水体反射率光谱反向计算得到水体各组分的含量[4]。半分析方法则是基于分析方法，在模型的推导过程中引入一些经验公式，其反演结果往往具有更高的精度和稳定性。人工智能方法是通过基于神经网络、遗传算法、支持向量机等人工智能算法来构建水质参数反演模型，具有快速自动化处理数据的独特优势，但其反演结果精度很大程度上是由提供训练样本的质量决定[5]。以上3种水质参数反演方法是未来主要研究方向。

1.4 水环境遥感监测的应用方向

遥感技术因其显著的技术优势，十分适用于开展水环境长期跟踪监测。通过对水体指标的定量分析，可以确定水体中主要污染物种类，并进行污染源定位、污染物分布及扩散情况分析，从而得出相应的水体污染程度评价结果。多应用于城市污水监测、水体富营养化监测、悬浮固定物质监测、热污染监测、追踪水体污染排放源等方面，为及时开展水污染防治工作提供有效的信息支撑。

2 空天地一体化水环境监测系统的概念

2.1 建立空天地一体化水环境监测系统的必要性

通过遥感技术实现水环境监测有很多手段，通过不同遥感平台获取到的不同种类的遥感数据都因自身技术原因存在着针对不同应用场景的适用性与优劣势。总体而言，地面遥感平台的监测数据较为分散；机载遥感影像的飞行受天气影响较大；星载遥感数据则在时间分辨率和空间分辨率上存在一定的应用局限性。因此，为全方位提升水环境遥感监测能力，有必要将高空、低空遥感与地面监测手段相结合，利用技术优势互补构建出可大范围应用推广的空天地一体化协同的水环境监测系统，实现多种类遥感数据源之间的相互检校验证，提高水环境监测的整体精度与系统稳定性，从而提升水环境的实时动态监测能力，更好地支撑水环境管理和决策。

空天地一体化水环境监测系统的基本研究路线是将单项遥感技术研究与实验验证相结合，形成稳定的反演算法模型，并通过集成多平台数据源建立综合测试体系，从而得到有指导意义的多源遥感数据监测系统。其中，单项技术研究包括星载、机载和地面监测平台的遥感数据获取、影像预处理以及协同水质参数反演等，且需要根据不同应用情况选取适用性更高的平台遥感器种类，例如针对大面积水域的遥感监测可以采用卫片、固定翼航空器影像和船载光谱仪观测的空天地协同作业形式，而城市区域中的小型河网水域则更适合使用卫片、无人机高光谱影像和岸基高光谱监测仪相结合的形式开展水环境遥感监测工作。在实际研究过程中，不仅需要进行针对遥感技术的研究，还涉及到软硬件系统集成等领域的研究，通过多学科协同合作，形成成熟的空天地一体化水环境遥感监测系统。

2.2 空天地一体化水环境监测系统的应用实例

近年来，空天地一体化的水环境遥感监测系统概念得到了一定程度的示范性应用，应用体系比较成熟的有太湖流域的水环境天地一体化监测体系的构建与应用。该监测体系以太湖流域为研究区域，在区域内已有环境监测能力的基础之上，充分结合地面常规监测与卫星遥感监测的技术优势，探索建成了由网络保障、星地监测、数据标准、分析评价、趋势预警等系统组成的水环境天地一体化监测体系。其中的星地同步监测系统将遥感卫片解析、水质自动监测站网、人工采样巡测等监测手段相结合，从点到面类推出全流域水环境现状，可基本实现水质监测、湖泛监测、蓝藻监测等一体化监测功能的业务化运行，全面提升了太湖流域水环境监测预警能力[6]。

由于太湖流域现有水文数据及水质监测站网布设较为充足，一种陆基水环境遥感方法也在太湖区域进行了实践。该研究以卫星、无人机、高光谱成像仪结合人工巡测和自动观测形成空天地一体化的遥感监测体系，使用高精度的高光谱成像仪数据来构建陆基遥感算法模型，有效补充和完善了传统断面水质监测的技术缺陷，反演精度可达到80%及以上[2]。

此外，还有以HJ-1卫星影像为主要遥感数据源，结合地面实测数据以及环境背景数据建立的湖北省水环境遥感监测示范系统。该示范系统是以东湖、梁子湖等10个湖泊为主要研究水域，由遥感数据预处理与水环境监测、水环境遥感数据库管理、水环境遥感可视化三个子系统构建而成的区域性水环境遥感监测系统，可实现卫星影像预处理(辐射定标、几何校正)、水域提取、水质参数反演、水环境监测评价、专题图制作以及动态展示等功能[7]。

以上案例都为运用空天地一体化遥感技术进行水环境监测系统的研究提供了大量经验与参考依据。空天地一体化的遥感技术在水环境监测中有着非常大的应用潜力，有助于实现全面监测水环境状况、周期性动态评估水生态变化，为切实做好水环境保护工作奠定坚实基础。

3 水环境遥感监测技术发展的难点与存在的不足

由于污染水体的光学特性比较复杂，遥感技术在水环境监测的应用发展仍存在一些技术难点有待突破，如研发适用于水环境监测的专用遥感器，提高采集数据的时空精度与处理效率；继续深入研究和广泛实验，构建针对更多种类水质参数的遥感反演算法，充分考虑可能影响反演结果的因素，不断优化反演模型，提升定量遥感精度。

空天地一体化水环境监测系统的发展目前也存在一些不足有待改进，如根据实际应用情况设计系统规范化集成方案，统一不同平台数据源获取信息的标准，真正实现多源数据协同作业；提升一体化系统在时间和空间上同步的精度与多源数据相关性强度；加强软硬件技术研发能力，实现系统自动运行业务化等。

面对遥感技术当前的主要问题与在水环境监测应用上的迫切需求，需要在不断改善现存技术缺陷的同时积极开展多学科交叉的创新性研发，将空天地一体化的理念进行有效实践，为解决水环境问题提供更加有力的技术支撑。

4 结 语

在工业发展、城市化推动的社会背景下，水环境问题逐渐凸显。近年来，遥感技术在水环境监测中的应用越来越广泛，在提高水环境监测效率的同时展示出了水环境遥感监测技术巨大的应用前景与研究价值。但由于水体光谱特性的复杂多变，目前遥感技术在水环境中的研究还存在很多问题，水环境遥感监测系统的应用也有待更深入的研究。总体而言，遥感技术在水环境监测方面的应用将朝着高空间高光谱分辨率数据与多平台系统集成的大方向发展，通过不断提升遥感影像质量、融合多源数据信息、完善数据分析方法、强化系统抗干扰能力，实现水环境信息的精准动态实时监测，全面推动水环境遥感监测系统的体系构建与应用发展。