地表水環(huán)境遙感監(jiān)測關鍵技術與系統(tǒng)

摘要：本文主要是圍繞地表水環(huán)境遙感檢測展開討論，全面介紹了水環(huán)境檢測的關鍵技術和系統(tǒng)，建立改進雙峰法的水體分布遙感提取方法，并以具體地區(qū)為例進行分析，采用不同方法建立解析方法，從根本上提升反演方法的區(qū)域和積極適用性，希望能夠?qū)ο嚓P人員起到參考性價值。

關鍵詞：地表水環(huán)境;遙感監(jiān)測;關鍵技術;系統(tǒng)

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）02-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.089

Abstract：The research is mainly focused on the remote sensing detection of surface water environment，a comprehensive introduction to the key technologies and systems of water environmental detection，the establishment of an improved bimodal method for remote sensing extraction of water distribution，and the analysis of specific regions as examples.The analytical method fundamentally improves the area and positive applicability of the inversion method， hoping to be of reference value to relevant personnel.

Key words：Surface water environment;Remote sensing monitoring;Key technology;System

在我國社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，水體污染問題日益嚴重。國家高度重視中國水環(huán)境保護與治理工作，并且出臺了一系列政策法規(guī)。國務院所發(fā)布的水污染防治計劃，給出了詳細的治理時間。在治理水環(huán)境污染問題時，首先應當檢測污染問題，所采用的水質(zhì)檢測方法主要包括水樣采集、送檢以及測量水質(zhì)參數(shù)。傳統(tǒng)材料檢測方法對各類水質(zhì)參數(shù)類別進行測量，精度比較高，然而此種方法只可以測量有限數(shù)據(jù)，并且間隔時間比較長，需要投入大量的人力物力，無法應用于大范圍檢測當中。隨著在線水質(zhì)檢測技術的發(fā)展，通過檢測站，對水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進行測量，然而這種方法的不足在于成本投入比較大，或許需要進行檢修和維護，無法應用于大范圍檢測當中。相比于傳統(tǒng)檢測方法來說，衛(wèi)星遙感能夠降低檢測成本，還能夠?qū)Υ蠓秶鷥?nèi)的流水體水質(zhì)進行檢測，明確污染物的遷移規(guī)律和時空分布特點。以電磁波的波長，可以將衛(wèi)星遙感分為微波遙感、紅外遙感以及光學遙感。由于地表水環(huán)境遙感檢測的技術難度比較大，所以需要針對各領域進行技術研發(fā)，實現(xiàn)水體水文的自動化檢測，建立水環(huán)境遙感檢測系統(tǒng)。

1 水體水文要素遙感檢測

1.1 自動化提取水體分布情況

水環(huán)境遙感檢測工作中，劃分水體分布地區(qū)屬于重要工作，能夠為后續(xù)水體污染治理提供便捷性。按照水體在短波紅外波段反射率比較低的特點，可以采用該波段建立水體特征光譜指數(shù)，通過閾值分割提取水體。閾值分割方法需要檢測人員明確最佳數(shù)值，由于不同觀測角度、大氣條件以及觀測條件存在差異性，導致閾值波動比較大，無法為不同水體明確合適的閾值。正是由于存在以上問題，所以需要提出改進方法，即分布自動化提取方法。此種方法能夠自動化提取水體分布情況，還能夠簡化算法復雜性，避免使用輔助性數(shù)據(jù)，能夠應用于序列大批量數(shù)據(jù)自動化提取當中。通過此種方法，對某水庫水體分布情況進行自動化提取，獲得水體分布頻率。通過分析得到的內(nèi)容，能夠看出該水庫南側(cè)和北側(cè)的水體分布變化大，主要是由于該區(qū)域?qū)儆跐竦?，在漲水之后會淹沒大范圍區(qū)域。此種方法的基礎在于水體指數(shù)，遙感數(shù)據(jù)可以對水體指數(shù)的波段進行計算，通過此種方法提取水體分布情況，不會受到空間分辨率的影響。

1.2 水體面積與水位測量

在湖泊水文分析中，面積和水位屬于基礎數(shù)據(jù)，主要采用時間觀測獲取數(shù)據(jù)，然而由于受到地理和經(jīng)濟因素影響，導致多數(shù)觀測站無法獲得實際水位數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，提升了河流水位獲取的便捷性，并且產(chǎn)生衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)集。在水量平衡分析中，湖泊水量變化屬于重要參數(shù)。NASA所提供的陸地水儲量變化數(shù)據(jù)的空間分辨率比較低。此次研究主要是應用Landsat和MODIS數(shù)據(jù)，檢測青藏高原湖泊面積變化情況。結果能夠看出，該湖泊面積為擴張趨勢，綜合數(shù)據(jù)和遙感水文模型，可以對納木錯水量平衡過程進行模擬。按照模擬結果能夠看出，納木錯的水位上升5.82m。

2 典型湖庫水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測

2.1 葉綠素濃度監(jiān)測

葉綠素濃度可以反映出水體中的藻類生物與浮游生物情況，也能夠?qū)λw營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。由于水體光學特點復雜，且會隨著季節(jié)和區(qū)域變化，同一個水體在不同季節(jié)的光學特性不同。當水體光學特性比較復雜時，無法建立模型反演水體組分濃度，特別是葉綠素的濃度。為了處理該問題，需要采用分類反演模型，針對不同類別的水體應用不同的反演算法，有助于提升反演模型的區(qū)域適用性，相應提升反演精度。然而由于水體應用不同的反演模型，從而造成邊界發(fā)生反演結果跳躍問題，不滿足水體空間分布漸變性特點。其次，水體種類不能對所有類型的水體進行覆蓋，且存在光學特性的差異性，對分類反演方法的應用造成一定限制影響。

為了處理以上問題，需要應用軟分類反演方法。此種方法是在先前分類基礎上開展，基于光學特性對水體進行分類，并且對水體的質(zhì)心光譜進行計算，標注出最佳反演算法，以此獲取質(zhì)心光譜的距離權重，權重會隨著距離的拉大而上升。通過對不同類型水體的反演算法進行優(yōu)化，可以明顯提升反演的精度，還能夠避免邊界數(shù)值跳躍。

2.2 懸浮物濃度參數(shù)遙感檢測

懸浮物主要是固體狀態(tài)，且不溶于水的物質(zhì)。在對地表水體質(zhì)量進行評價時，懸浮物濃度屬于重要評價參數(shù)，能夠直接影響水體顏色和透明度等參數(shù)，還會對水體的初級生產(chǎn)力造成影響。對于水體懸浮物濃度的反演方法主要包括半解析法和經(jīng)驗法。此次研究以某地區(qū)遭受嚴重污染的湖泊為例進行分析，獲取水體不同季節(jié)的光學特性參數(shù)，以此得出近紅外波段黃色物質(zhì)、葉綠素和懸浮物的吸收系數(shù)約等于0的結論，通過變形推導生物光學模型，能夠獲得懸浮物濃度反演方法，此種方法是半解析法。在應用此種方法時，只需要將近紅外波段作為輸入?yún)?shù)，就能夠得到懸浮物的分布圖。

3 地表水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)

通過遙感監(jiān)測的方法和模型，設計研發(fā)水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含四大子系統(tǒng)，包含水質(zhì)參數(shù)反演、水體圖像處理、污染信息提取以及專題報告生成。其中，水質(zhì)參數(shù)反演主要是通過預處理遙感圖像，對水質(zhì)參數(shù)進行反演，包括營養(yǎng)狀態(tài)、懸浮物、黃色物質(zhì)、濁度以及透明度等水質(zhì)參數(shù);圖像處理主要是處理覆蓋水體的遙感圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)云識別技術、輻射校正功能、面積測算功能以及大氣校正功能等;污染信息提取主要是對水體污染物分布類型進行提取，可提取的污染物包括油污、赤潮和綠潮等;專題報告主要是按照定義模板，對水體污染物以及水質(zhì)參數(shù)進行圖表化統(tǒng)計，以此形成面向環(huán)境監(jiān)測業(yè)務的報告。

水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)能夠基于典型遙感數(shù)據(jù)源，提供業(yè)務員操作模式。此種模式是利用原始遙感數(shù)據(jù)，能夠自動形成水環(huán)境遙感監(jiān)測報告，明顯提升水環(huán)境的遙感監(jiān)測效率，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感技術的業(yè)務化應用。

4 結論與展望

本文基于水環(huán)境遙感監(jiān)測的技術難點，注重分析和研究關鍵技術和應用，建立了水體自動化遙感提取方法，這樣能夠確保水體提取的高效化和精度化，可以應用到多數(shù)湖泊水庫水體提取中。通過應用長時序水量估算方法，建立典型湖泊的水位序列、面積序列以及水量序列，能夠深入分析時間與空間變化的內(nèi)在規(guī)律。通過葉綠素濃度反演法，明顯提升了反演模型的季節(jié)適用性和區(qū)域適用性。通過對某湖泊葉綠素濃度時間序列進行反演，能夠建立高度水體懸浮物濃度反演方法，對湖泊懸浮物濃度進行反演，建立大范圍遙感監(jiān)測方法，主要關于水體透明度和營養(yǎng)狀態(tài)的監(jiān)測。通過水環(huán)境遙感監(jiān)測的方法與模型，設計地表水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，明顯提升了水環(huán)境監(jiān)測效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星遙感技術的業(yè)務化應用。

在未來發(fā)展中，還應當不斷優(yōu)化和完善地表水環(huán)境遙感監(jiān)測工作。對于數(shù)據(jù)源來說，不僅需要應用衛(wèi)星遙感，還應當應用船載、塔基以及無人機遙感數(shù)據(jù)，通過智能移動終端監(jiān)測和分析水環(huán)境。對于水環(huán)境監(jiān)測方法來說，可以深入分析學習技術應用到水環(huán)境遙感監(jiān)測的可行性。對于水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的具體應用來說，還應當建立共享型遙感監(jiān)測產(chǎn)品，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感技術的業(yè)務化應用。

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收稿日期：2019-12-14

作者簡介：劉君（1981-），女，漢族，本科學歷，中級工程師，研究方向為環(huán)境保護。