淺析遙感反演技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

孫李一楠

（哈爾濱師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025）

一、引言

水資源匱乏已成為一個(gè)全球面臨的難題，也成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，甚至在很多國(guó)家連居民的基本生活用水都難以保證。因此，各國(guó)專家都在致力于水資源的開(kāi)發(fā)、探索中，尤其是地下水資源的勘探及海水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、凈化方面。正是基于這種實(shí)際的需要，水質(zhì)領(lǐng)域的研究者也在運(yùn)用新的技術(shù)手段探索水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法。

研究者對(duì)地下水質(zhì)及海水水質(zhì)參數(shù)的研究，是為了滿足不同用戶對(duì)水質(zhì)的要求。通過(guò)對(duì)地下水演變及成因進(jìn)行分析、研究，可以找到解決水資源短缺的辦法，實(shí)現(xiàn)水資源的持續(xù)利用。遙感技術(shù)在水資源的勘探及水質(zhì)檢測(cè)方面為工作者提供了技術(shù)支持及保障。當(dāng)前，遙感反演技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，并為解決人類水資源匱乏作出了巨大貢獻(xiàn)，尤其是在深層地下水資源的勘探，海水水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)上。

二、傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著工業(yè)的發(fā)展及人類生活、生產(chǎn)形成的廢水越來(lái)越多，只靠古老的、自然的水循環(huán)已難以解決水資源的污染問(wèn)題。同時(shí)，再采用傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)采樣分析的方法，將無(wú)法滿足用戶對(duì)水質(zhì)的需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的采樣分析方法，是在不同的河段進(jìn)行采樣，然后將采樣放置在容器內(nèi)靜置，并通過(guò)物理的、化學(xué)的方法分離、監(jiān)測(cè)水質(zhì)，分析水中所含有的各種成分，得出水質(zhì)參數(shù)及指標(biāo)。

這種監(jiān)測(cè)方法會(huì)受到采樣點(diǎn)空間分布密度的限制，不能客觀、全面地反映需要監(jiān)測(cè)的水域的真實(shí)情況。在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)、成本也比較高、效率低下，有時(shí)得出的結(jié)果也不盡人意。隨著人們對(duì)水質(zhì)要求的不斷提高及要求的多樣化，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已略顯無(wú)能為力?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，為水質(zhì)的監(jiān)測(cè)提供了新的手段、方法，尤其是遙感技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)上的運(yùn)用，為水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)提供了更加高效的方法。

三、遙感反演技術(shù)的概述

當(dāng)今各國(guó)已不在滿足于地球上的競(jìng)爭(zhēng)、資源的爭(zhēng)奪，已將其擴(kuò)展到了外太空。衛(wèi)星的發(fā)射就是很好的證明。各國(guó)之所以搶先發(fā)射衛(wèi)星，戰(zhàn)領(lǐng)宇宙空間，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)衛(wèi)星可以為人類返回很多地球表面的數(shù)據(jù)信息，而不僅僅是為了網(wǎng)絡(luò)通訊。比如通過(guò)衛(wèi)星返回的圖片，人類可以對(duì)我們所生活的地球有一個(gè)更全面的了解。礦產(chǎn)資源的分布情況、地形地貌情況、水資源的分布情況等，還可以通過(guò)遙感反演技術(shù)更清楚、更高效、更準(zhǔn)確地了解地球上某一流域水質(zhì)參數(shù)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，及時(shí)了解水質(zhì)情況，并根據(jù)用戶需要為其提供水資源。

隨著遙感科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水質(zhì)研究者試圖將偏振作為遙感的另一維信息源加以利用。光的偏振在大氣與海洋系統(tǒng)中形成了豐富的數(shù)據(jù)信息。研究者可以根據(jù)水面反射光的偏振效應(yīng)、反射光在布儒斯特角時(shí)的規(guī)律、水體散射介質(zhì)對(duì)入射光的偏振狀態(tài)的改變等信息得出水體物質(zhì)的組成。因此，偏振信息的遙感反演方法可以作為一種新的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，這種基于遙感反演技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)水質(zhì)領(lǐng)域的研究將具有劃時(shí)代的意義。

針對(duì)用水戶不同的需要，研究者對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)往往也會(huì)采用不同的方法。常用的水質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)方法主要有：綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類法、灰色關(guān)聯(lián)度法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、多元回歸模型、邏輯斯諦曲線模型、主成分分析法、集對(duì)分析法、投影尋蹤模型法、物元分析與可拓集合法等，雖然研究者為我們呈現(xiàn)了很多水質(zhì)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)的方法，但是由于水環(huán)境的不確定性，在水質(zhì)管理的實(shí)踐中，能夠廣泛應(yīng)用的方法還是比較少的。利用遙感衛(wèi)星，可以對(duì)水質(zhì)的時(shí)空分布及變化情況進(jìn)行定性甚至定量的監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、成本低，因此在我國(guó)已經(jīng)將這一技術(shù)應(yīng)用到長(zhǎng)江、黃浦江、閩江等內(nèi)陸水域的監(jiān)測(cè)中，然而很多技術(shù)的使用仍然在探索、完善中。

四、遙感反演技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用原理

遙感反演技術(shù)其實(shí)利用的是不同物質(zhì)反射光的波長(zhǎng)不同的原理。水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)就是根據(jù)被污染水體所呈現(xiàn)的光譜特征與清潔水體的不同，并可根據(jù)呈現(xiàn)的光譜特征判斷污染物質(zhì)。因?yàn)樘?yáng)光入射到物體的表面，經(jīng)過(guò)物質(zhì)的選擇性吸收與散射，形成不同的吸收光譜。水體的光譜敏感通道主要集中在0.35～0.90um之間。當(dāng)水體被污染后，就會(huì)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，水體中的浮游植物增多，浮游植物的葉綠素對(duì)近紅外波段具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，當(dāng)葉綠素濃度不同時(shí)，在0.43～0.70um光譜波段會(huì)出現(xiàn)較明顯的差異，因此近紅外波段與紅光波段的比值可以用來(lái)估算水體中葉綠素的濃度變化。

對(duì)于水中含有的其他懸浮顆粒，同樣可以運(yùn)用不同物質(zhì)對(duì)太陽(yáng)光吸收反射的光譜波段的不同，分析水質(zhì)中所含有的物質(zhì)的成分及數(shù)量，以便更好地掌握水質(zhì)的參數(shù)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果水中懸浮的泥沙增加，將會(huì)增加太陽(yáng)光的反射率，并使光譜曲線的反射峰往長(zhǎng)波方向移動(dòng)，尤其是可見(jiàn)光波段中的紅光波段。

目前在內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較廣泛的多光譜數(shù)據(jù)之一是運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)用廣泛的Landsat衛(wèi)星。Landsat衛(wèi)星成功運(yùn)用近紅外波段與紅光波段的比值（TM4/TM3），提取了濃度為10～200mg/L的葉綠素（R2>0.92），同時(shí)這一比值還可以用來(lái)估算水體中葉綠素濃度的變化，可以運(yùn)用三波段模型、兩波段模型、反射峰位置法、一階微分法等方法估算水質(zhì)葉綠素a的濃度。如果缺乏衛(wèi)星同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則可以利用水體本身的遙感光譜信息建立水質(zhì)參數(shù)遙感模型。

五、結(jié)束語(yǔ)

水資源的短缺及用水戶對(duì)水質(zhì)參數(shù)提出的不同需求，促使水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門改變傳統(tǒng)的分段采樣的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，探索運(yùn)用衛(wèi)星遙感反演技術(shù)對(duì)地下水資源勘探及地表水水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。隨著遙感反演技術(shù)的成熟，我國(guó)的水質(zhì)分析與研究領(lǐng)域也正在蓬勃發(fā)展，各種利用衛(wèi)星遙感反演技術(shù)建立的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型不斷出現(xiàn)，盡管現(xiàn)在已經(jīng)形成了多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法，但由于水環(huán)境是一個(gè)特殊的循環(huán)系統(tǒng)，具有很大的不確定性，目前能夠廣泛應(yīng)用的模型還不多，且須要根據(jù)水質(zhì)的實(shí)際情況不斷地修改、調(diào)整模型。為了能更準(zhǔn)確地反映水資源的保有量、水質(zhì)參數(shù)情況及為用水戶提供符合其需要的水質(zhì)，水質(zhì)研究者要樹(shù)立科學(xué)的態(tài)度，為水質(zhì)參數(shù)有效的分析提供科學(xué)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立推進(jìn)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)、分析的研究模型，促進(jìn)水資源循環(huán)利用，解決水資源短缺問(wèn)題。

［1］宋瑜，宋曉東等.基于定量遙感反演的內(nèi)陸水體藻類監(jiān)測(cè)［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，（4）.

［2］李云亮，張運(yùn)林，李俊生，等.不同方法估算太湖葉綠素a 濃度對(duì)比研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，（3）.