高分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于流域水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的探索與實(shí)踐

●文| 北京空間機(jī)電研究所 江澄

一、引言

水是生命之源，是自然環(huán)境中最重要的生態(tài)要素之一，水質(zhì)狀況直接關(guān)系到人類與社會(huì)的生存和發(fā)展。尤其對(duì)于水資源匱乏、又亟待發(fā)展經(jīng)濟(jì)的人口大國(guó)中國(guó)而言，更具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。

常規(guī)水環(huán)境監(jiān)測(cè)需要在水域布置大量的人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析才能得到準(zhǔn)確水質(zhì)或其他水環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布信息，這種人工取樣-實(shí)驗(yàn)室分析的方法受人力、物力、財(cái)力、天氣和水文條件的限制，難以長(zhǎng)時(shí)間跟蹤監(jiān)測(cè)，且只能知悉監(jiān)測(cè)斷面上的水質(zhì)或水環(huán)境狀況，對(duì)于整個(gè)流域而言，這些數(shù)據(jù)只具有局部和典型樣本點(diǎn)的代表意義，不能滿足實(shí)時(shí)、大尺度的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)要求[1]。

遙感技術(shù)具有快速、大范圍和周期性的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)常規(guī)定時(shí)、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的不足，節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力，具有常規(guī)水體監(jiān)測(cè)不可比擬的優(yōu)越性，已經(jīng)成為水環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及藍(lán)藻、水華預(yù)測(cè)和預(yù)警不可缺少的手段之一[2]。

二、探索基石

近年來(lái)，高分系列衛(wèi)星作為我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)成果，逐步改變了我國(guó)廣泛采購(gòu)國(guó)外商用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，也使得民用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)入了亞米級(jí)時(shí)代，有力地支撐了我國(guó)遙感衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

作為空間光學(xué)遙感器研制的國(guó)家主力軍，北京空間機(jī)電研究所承擔(dān)了74%的高分辨率對(duì)地觀測(cè)遙感器的研制任務(wù)。研制過(guò)程中，過(guò)程數(shù)據(jù)的積累在一定程度上決定了遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的能力，從而直接決定應(yīng)用能力，尤其針對(duì)信號(hào)弱、物理機(jī)制復(fù)雜的水環(huán)境，數(shù)據(jù)-應(yīng)用鏈路中的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的應(yīng)用效果[3-4]。正是由于過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)于水環(huán)境應(yīng)用產(chǎn)品的重要性，基于高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)這一基石，并結(jié)合航空遙感數(shù)據(jù)和地面測(cè)量數(shù)據(jù)，北京空間機(jī)電研究所展開了針對(duì)流域水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的探索。

表1 流域水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)所用數(shù)據(jù)

三、遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水環(huán)境成果

面向流域水環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急、預(yù)警的服務(wù)需求，以高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)為主要信息源，輔助航空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面測(cè)量系統(tǒng)，形成遙感監(jiān)測(cè)及應(yīng)急預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 流域水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

通過(guò)多個(gè)應(yīng)用示范項(xiàng)目的落地，北京空間機(jī)電研究所已具備高分衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)多個(gè)分辨率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分幅的水環(huán)境遙感專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力，且高分產(chǎn)品具備應(yīng)急情況下小于等于7天的更新能力。

研制的無(wú)人機(jī)載多光譜成像系統(tǒng)專為流域水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)而量身打造，其質(zhì)量小于3kg，集成了穩(wěn)定平臺(tái)、控制器及存儲(chǔ)器于一體。通過(guò)航空遙感系統(tǒng)的配備，具備突發(fā)事件的應(yīng)急服務(wù)能力。航空遙感系統(tǒng)采用無(wú)人旋翼機(jī)作為低空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，由安全傘降無(wú)人旋翼機(jī)、多光譜相機(jī)、無(wú)線數(shù)傳子系統(tǒng)、地面保障子系統(tǒng)等組成，具有部署靈活、起降占地小、地形條件要求低、空中可以懸停、攝影測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

遙感技術(shù)應(yīng)用于水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低和便于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染遷移特征。

水質(zhì)預(yù)警的原理是根據(jù)警兆變動(dòng)來(lái)預(yù)報(bào)警情，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，判斷是否有警情，然后根據(jù)預(yù)報(bào)的警度以及對(duì)警源的分析，生成相應(yīng)的影響措施，通過(guò)各種管理措施來(lái)排除警患[5]。

因此，在構(gòu)建水環(huán)境預(yù)警體系時(shí)，首先要對(duì)區(qū)域水環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)查，分析評(píng)價(jià)區(qū)域水環(huán)境現(xiàn)狀；然后，根據(jù)一定的原則和方法建立水環(huán)境預(yù)警指標(biāo)體系；根據(jù)指標(biāo)體系，選擇合理的評(píng)價(jià)方法和數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型對(duì)區(qū)域水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)；最后根據(jù)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果確定警戒級(jí)別和不同警戒級(jí)別下的各項(xiàng)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上判斷是否有警情。

通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的精細(xì)化“打磨”，有效解決了應(yīng)用單位生態(tài)資源監(jiān)測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)誤差大等關(guān)鍵性問(wèn)題，已經(jīng)在廊坊市、海河水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、巨鹿縣等多個(gè)單位進(jìn)行了推廣應(yīng)用，切實(shí)為應(yīng)用單位提供了準(zhǔn)確、高效、低成本的遙感數(shù)據(jù)信息，為資源調(diào)查、環(huán)境污染與應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作提供了科學(xué)的決策依據(jù)，提升了精細(xì)化管理水平。

圖2 高分二號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)太湖下游水質(zhì)參數(shù)分布情況（顏色表征濃度，越接近紅色表示濃度越高）

圖3 針對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)載多光譜相機(jī)

圖4 無(wú)人機(jī)載多光譜成像試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)，在海河流域于橋水庫(kù)周邊開展了天空地聯(lián)合遙感試驗(yàn)。利用高分一號(hào)16m數(shù)據(jù)，結(jié)合航空多光譜數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)區(qū)及上游桑干河流域水質(zhì)參數(shù)反演，并基于反演的葉綠素濃度、總氮含量和懸浮泥沙含量，生成了于橋水庫(kù)藻類爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)圖、水質(zhì)分類圖和于橋水庫(kù)渾濁度分布圖。圖5為于橋水庫(kù)藻類爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)圖,藍(lán)色表示低風(fēng)險(xiǎn)藍(lán)藻爆發(fā)區(qū)域，綠色表示高風(fēng)險(xiǎn)藍(lán)藻爆發(fā)區(qū)域。圖6為于橋水庫(kù)水質(zhì)分類圖，綠色表示I類水質(zhì)，橙色表示II-III類水質(zhì)，紅色表示IV-V類水質(zhì)。圖7為桑干河渾濁度分布圖，顏色表征渾濁度，越接近藍(lán)色表示渾濁度越高。

圖7 桑干河渾濁度分布圖

北京空間機(jī)電研究所與海河流域水資源保護(hù)局以海河流域作為合作中心，建立了“流域環(huán)境遙感信息應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，聯(lián)合開展合作研究成果的推廣，實(shí)現(xiàn)研究成果的業(yè)務(wù)化、商業(yè)化。

四、總結(jié)

當(dāng)前水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)依然面臨眾多問(wèn)題，在清醒認(rèn)識(shí)遙感技術(shù)服務(wù)局限性的前提下，持續(xù)發(fā)展區(qū)域性大氣校正算法，提高校正精度，扎實(shí)研究遙感定量化模型，提高反演精度，并不斷深化尺度轉(zhuǎn)換對(duì)水質(zhì)/水色遙感的影響研究。在技術(shù)能力的強(qiáng)有力保障下，用戶才能用好數(shù)據(jù)，遙感應(yīng)用市場(chǎng)才能活躍。

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