衛(wèi)星遙感技術(shù)在水污染監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用現(xiàn)狀

殷碧濤 萬(wàn)林波 張哲語(yǔ)

(武漢理工大學(xué),湖北武漢 430070)

中國(guó)今年來(lái)的飛速發(fā)展帶來(lái)的不僅有社會(huì)財(cái)富的大量積累,還有生態(tài)環(huán)境的不斷破壞,水環(huán)境的嚴(yán)重破壞不僅制約社會(huì)發(fā)展更對(duì)人們的身心健康有極大的影響。使用衛(wèi)星遙感技術(shù)做到水質(zhì)污染早發(fā)現(xiàn)、早治理、全程監(jiān)測(cè)對(duì)社會(huì)健康發(fā)展有重要意義。

1 中國(guó)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法與衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)原理

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在的問(wèn)題

監(jiān)測(cè)水質(zhì)的傳統(tǒng)方式主要為在各地設(shè)立環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,在各個(gè)湖泊、河段設(shè)立監(jiān)測(cè)斷面,在斷點(diǎn)取樣再進(jìn)行化學(xué)分析,受天氣等多方面因素影響,耗時(shí)耗力,同時(shí)因整個(gè)被監(jiān)測(cè)流域通常跨越多個(gè)行政區(qū)域,導(dǎo)致各區(qū)段信息交流、整合難度大難以實(shí)現(xiàn)全流域整體污染情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另一方面,因地區(qū)差異,某些地區(qū)政府的工作人員出于自身利益及在位政績(jī)等原因包庇地方污染企業(yè),阻撓環(huán)保工作人員正常取樣檢測(cè)、對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)保局施加壓力、將環(huán)境污染情況不如實(shí)上報(bào)等人為因素都會(huì)導(dǎo)致整體監(jiān)測(cè)結(jié)果失真。所以傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段仍有不少弊病需要改進(jìn)。

1.2 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)原理

物質(zhì)的波普特性可以反映出其自身的屬性及狀態(tài),而水體的光譜特征主要由其所含的各種光學(xué)活性物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收、反射及散射所決定的。水體中的泥沙會(huì)導(dǎo)致水體渾濁,可見(jiàn)光的反射峰值主要出現(xiàn)在波長(zhǎng)577-770nm的波段;富營(yíng)養(yǎng)化水體(氮磷超標(biāo))中所包含大量藻類,藻類中的葉綠素等光合色素對(duì)藍(lán)綠光的吸收能力弱;而富含有機(jī)物的水體因分解有機(jī)物需消耗大量氧氣會(huì)導(dǎo)致水體發(fā)黑;水體熱污染則會(huì)產(chǎn)生異常的紅外輻射。通過(guò)遙感系統(tǒng)量測(cè)一定波長(zhǎng)范圍的水體的輻射值得到的水體的光譜特征是遙感監(jiān)測(cè)水體水質(zhì)的基礎(chǔ)。遙感獲取水質(zhì)參數(shù)的方法是通過(guò)分析水體吸收和散射太陽(yáng)輻射能形成的光譜特征實(shí)現(xiàn)[1]。

1.3 監(jiān)測(cè)方法

在水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)的過(guò)程中常使用的方法有物理方法、經(jīng)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法三種。

1.3.1 物理方法

物理方法的理論依據(jù)來(lái)自于大氣輻射傳輸理論和模型,需要使用遙感設(shè)備測(cè)得的反射率等數(shù)據(jù)和相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)系數(shù),計(jì)算水中實(shí)際吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)的比值,進(jìn)而與水中各組分所有的特征吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)進(jìn)行聯(lián)系,反演水體中組分含量,國(guó)內(nèi)的鄧孺孺按照物理方法的流程,對(duì)懸浮物進(jìn)行了遙感反演,其中包含一次、二次的散射的水質(zhì)反演模型[2]。但是目前這種方法使用的模型假設(shè)內(nèi)容多,精度不高。

1.3.2 經(jīng)驗(yàn)方法

經(jīng)驗(yàn)方法是多光譜遙感數(shù)據(jù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面投入應(yīng)用后發(fā)展起來(lái)的一種方法,和物理方法相似都是建立輻射傳輸模型。這類算法的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式目前已被確定了下來(lái),一般形式為

其中Y為遙感測(cè)量值;X為水質(zhì)參數(shù);A、B為待定系數(shù)。雖然經(jīng)驗(yàn)法較物理法有所完善但是受水質(zhì)參數(shù)和遙感數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性影響,其精度仍然不高。

1.3.3 半經(jīng)驗(yàn)法

在90年代以后,高光譜遙感技術(shù)開(kāi)始在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用,半經(jīng)驗(yàn)法隨之發(fā)展起來(lái)。其主要根據(jù)機(jī)載或星載設(shè)備測(cè)量水質(zhì)參數(shù)光譜特征來(lái)選擇估算水質(zhì)參數(shù)的最合理的波段或波段組合,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用此方法對(duì)對(duì)湖泊等水域的渾濁度、可見(jiàn)度的監(jiān)測(cè)都取得了較高的監(jiān)測(cè)精度。

2 中國(guó)衛(wèi)星遙感應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

自70年代以來(lái),我國(guó)高度重視遙感技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,對(duì)遙感技術(shù)的發(fā)展給予重點(diǎn)支持,跟蹤國(guó)際技術(shù)前沿并努力創(chuàng)新,在遙感技術(shù)系統(tǒng)、遙感應(yīng)用系統(tǒng)、G I S等方面均取得突出進(jìn)步。

首先,建立了國(guó)家級(jí)資源環(huán)境宏觀信息服務(wù)體系。該服務(wù)體系包括以中國(guó)l：25萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)為核心的國(guó)家資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫(kù),兩個(gè)部級(jí)服務(wù)系統(tǒng),三個(gè)省級(jí)示范系統(tǒng)及五個(gè)縣級(jí)服務(wù)系統(tǒng),珠江三角洲地區(qū)“4 D”(數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像庫(kù)DOQ,數(shù)字專題地圖庫(kù)DR G和數(shù)字專題信息DT I)技術(shù)系統(tǒng)以及全國(guó)資源環(huán)境信息技術(shù)系統(tǒng)。

其次,建立了災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)該。洪澇、干旱、林火和雪災(zāi)的宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng),已具備針對(duì)中國(guó)范圍內(nèi)發(fā)生的多種自然災(zāi)害的宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和成災(zāi)區(qū)的區(qū)域覆蓋評(píng)估的能力;系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信同其它子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品傳送和數(shù)據(jù)共享,并以VSAT和INTERNET網(wǎng)絡(luò)通信方式向應(yīng)用部門(mén)提供防災(zāi)減災(zāi)信息服務(wù)。機(jī)載S A R數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了3米SAR圖像的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸、地面接收和處理;它可以針對(duì)3米SAR圖像進(jìn)行7種功能的實(shí)時(shí)處理。

在國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面,中國(guó)有關(guān)部門(mén)已建成10個(gè)基礎(chǔ)地理信息數(shù)字化生產(chǎn)基地,開(kāi)展了信息共享與標(biāo)準(zhǔn)化研究,實(shí)現(xiàn)了地理信息產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。目前已建成中國(guó)l：400萬(wàn)、l：100萬(wàn)、1：25萬(wàn)摹礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集。七大江河流域重點(diǎn)防范區(qū)l：l萬(wàn)和1：5萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集[4]。在科技部的支持下,以推動(dòng)空間信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo)的國(guó)家級(jí)空間信息共享和服務(wù)平臺(tái)“中國(guó)空間信息網(wǎng)”于1999年開(kāi)始建設(shè),現(xiàn)已初具雛形。

從1970年4月24日至今我國(guó)已成功發(fā)射和即將發(fā)射共10余類,近百顆自行研制的衛(wèi)星。目前,我國(guó)已初步形成了氣象、海洋、資源等多個(gè)系列的遙感衛(wèi)星體系,遙感衛(wèi)星發(fā)展正由試驗(yàn)階段進(jìn)入應(yīng)用階段,取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。盡管如此,我國(guó)在遙感器性能、數(shù)據(jù)品種等方面與世界先進(jìn)水平仍存在一定差距。

3 中國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在的不足與問(wèn)題

3.1 環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究薄弱

自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)環(huán)境遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展,但環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究較為薄弱。我國(guó)環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)從數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用模型開(kāi)發(fā)、參數(shù)反演、專題數(shù)據(jù)生產(chǎn)到業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)仍然有許多關(guān)鍵技術(shù)未能解決。此外,現(xiàn)有環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)研究多表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)性和局部性,系統(tǒng)性和實(shí)用性較差,與國(guó)際先進(jìn)的環(huán)境遙感應(yīng)用研究水平和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)際需要存在很大差距,難以滿足環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的大范圍、多目標(biāo)、多專題、定量化的需要。

3.2 環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星載荷嚴(yán)重匱乏

目前我國(guó)沒(méi)有專門(mén)用于環(huán)境保護(hù)的衛(wèi)星有效載荷。風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、主要是針對(duì)大尺度天氣情況、海洋水色遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),國(guó)土、礦產(chǎn)等資源調(diào)查而設(shè)計(jì),這些衛(wèi)星有效載荷雖然部分可用于環(huán)境監(jiān)測(cè),但是功能非常有限。環(huán)境一號(hào)A、B衛(wèi)星有效載荷空間分辨率(30～300m)、時(shí)間分辨率(2～4d)、光譜分辨率不夠高,光譜段設(shè)置不夠合理,沒(méi)有攜帶專門(mén)針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星有效載荷。環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星載荷的缺乏已經(jīng)對(duì)環(huán)境管理的效能造成了嚴(yán)重制約。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)滯后、業(yè)務(wù)化程度不高

我國(guó)有些衛(wèi)星雖然在軌運(yùn)行,但地面應(yīng)用系統(tǒng)未建成或尚不健全,嚴(yán)重影響了衛(wèi)星社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮,造成了很大的資源浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)多年的努力,環(huán)保部門(mén)初步形成了一套環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)流程,但距離環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行尚有較大差距。由于遙感技術(shù)普及程度不夠高,技術(shù)人員對(duì)遙感技術(shù)比較陌生,使得遙感技術(shù)難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然二十多年來(lái)中國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,但是與國(guó)際尖端水平相比仍然存在差距,在信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和衛(wèi)星資源利用方面有待健全。隨著新環(huán)保法應(yīng)用及國(guó)家對(duì)污染治理工作的重視程度不斷提升,中國(guó)相關(guān)方面的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用將在短時(shí)間內(nèi)取得大量突破性進(jìn)展。

[1] 周藝,周偉奇,王世新,等.遙感技術(shù)在內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(3)：312-317.

[2] 李海元.面向水質(zhì)監(jiān)測(cè)的遙感影像反演關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué),2016-06.

[3] 劉燦德,何報(bào)寅.水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,(10)：41.

[4] 陳文召,李光明,徐竟成,等.水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2008,(3)：6-11.