付 宇,韋玉春,王國(guó)祥

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210046)

·信息應(yīng)用·

水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測(cè)

付 宇,韋玉春,王國(guó)祥

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210046)

遙感技術(shù)由于具有快速、宏觀、低成本和周期性的優(yōu)點(diǎn),便于探測(cè)水質(zhì)的時(shí)空變化,已成為水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的重要手段。目前能夠直接進(jìn)行遙感反演的水質(zhì)參數(shù)主要是懸浮物濃度、葉綠素 a濃度、可溶解性有機(jī)物等光學(xué)活性物質(zhì),并已經(jīng)建立了許多反演模型。但是這些模型直接用于水質(zhì)的遙感監(jiān)測(cè)仍存在一些問(wèn)題。今后,利用 3S技術(shù)將地面觀測(cè)和遙感觀測(cè)結(jié)合起來(lái),可望推動(dòng)水色遙感的實(shí)際應(yīng)用。

水質(zhì)參數(shù);水質(zhì)反演;水質(zhì)監(jiān)測(cè);遙感

水環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)工作之一是水質(zhì)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括水溫、pH、懸浮物 (SS)、溶解氧(DO)、生化需氧量 (BOD)、化學(xué)氧量 (COD)、葉綠素 a、有毒物質(zhì)等。常規(guī)水質(zhì)分析是實(shí)地測(cè)量或取水樣在實(shí)驗(yàn)室分析,它可精確地測(cè)定出某一位置水體表層水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo),但成本高、耗時(shí)長(zhǎng),無(wú)法給出這些水質(zhì)參數(shù)在空間和時(shí)間上的分布信息。水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)是通過(guò)研究水體反射光譜特征與水質(zhì)參數(shù)濃度之間的關(guān)系,建立水質(zhì)參數(shù)的遙感反演算法,進(jìn)而利用遙感圖像估算水質(zhì)參數(shù)的濃度,它具有快速、宏觀、低成本和周期性等優(yōu)點(diǎn),可以探測(cè)水質(zhì)參數(shù)在空間和時(shí)間上的變化,還能發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物的遷移特征。

遙感反演是遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)首先需要建立水質(zhì)參數(shù)的遙感反演模型。遙感分析使用的數(shù)據(jù)來(lái)源包括地面遙感、航空遙感和航天遙感 3種。其中,地面遙感是航空和航天遙感工作的基礎(chǔ),航空和航天遙感為遙感圖像。

1 水質(zhì)參數(shù)遙感研究現(xiàn)狀

當(dāng)前,借助遙感手段,科研人員已經(jīng)能夠進(jìn)行較高精度的水域識(shí)別,進(jìn)行一定精度的水質(zhì)參數(shù)遙感反演和制圖。一般認(rèn)為,按照水質(zhì)參數(shù)的光學(xué)特性,目前能夠直接進(jìn)行遙感反演的水質(zhì)參數(shù)主要有懸浮物、葉綠素 a、可溶解性有機(jī)物 (CDOM)等水體中的光學(xué)活性物質(zhì)。同時(shí),借助于紅外和近紅外遙感,可以反演水體的溫度。水體中的非光學(xué)活性物質(zhì)沒(méi)有直接的光學(xué)特性,例如總氮、總磷、DO、COD、BOD5等,無(wú)法直接進(jìn)行遙感反演,往往需要利用水體中不同物質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行間接的遙感分析。

1.1 葉綠素 a濃度的遙感

葉綠素 a濃度是水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)之一。水體中的葉綠素 a濃度反映了浮游植物的分布狀況,是衡量水體初級(jí)生產(chǎn)力 (水生植物的生物量)和富營(yíng)養(yǎng)化作用的基本指標(biāo)。葉綠素 a在藻類(lèi)物質(zhì)中所占的比例比較穩(wěn)定,是藻類(lèi)的主要色素,其濃度易于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。隨著水體中葉綠素 a濃度的不同,其在 430～700 nm的光譜波段會(huì)選擇性地出現(xiàn)較明顯的差異。葉綠素 a在 440 nm和 670 nm附近有吸收峰,在 550～570 nm有一反射峰。因?yàn)樵迩嗟鞍椎奈辗逶?624 nm處,所以 630 nm附近出現(xiàn)反射率谷值或呈肩狀。由于浮游植物分子吸收光后再發(fā)射引起的拉曼效應(yīng)激發(fā)出的能量熒光化,在波長(zhǎng) 685 nm附近有明顯的熒光峰,葉綠素 a的吸收在該處達(dá)到最小。685～715 nm熒光峰是含藻類(lèi)水體最顯著的光譜特征,通常被認(rèn)為是判定水體是否含有藻類(lèi)葉綠素 a的依據(jù)。

葉綠素 a濃度的遙感主要利用水體反射光譜與葉綠素 a濃度之間的關(guān)系模型。目前通過(guò)各種研究已經(jīng)建立了許多反演模型,但即使是同一水體,模型的形式和參數(shù)在不同季節(jié)之間也存在較大的差異(見(jiàn)表 1)。

表1 近年來(lái)國(guó)內(nèi)太湖水體的葉綠素 a濃度遙感反演模型

大洋水體中的葉綠素 a濃度遙感反演模型比較成熟,而且精度較高。內(nèi)陸水體,特別是渾濁水體中,大量懸浮物和 CDOM會(huì)使背景光學(xué)特性發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致藍(lán)波段范圍內(nèi)葉綠素 a的光譜吸收特性會(huì)被 CDOM的吸收掩蓋。夏季水體中懸浮物濃度和葉綠素 a濃度可能會(huì)有很大的相關(guān)性,進(jìn)而影響到葉綠素 a最佳遙感反演波段的選擇和遙感反演算法的精度。這些因素進(jìn)一步增加了水體葉綠素 a濃度遙感的復(fù)雜性。

1.2 懸浮物濃度的遙感

懸浮物指水體中固體狀的不溶解物質(zhì),如各類(lèi)礦物微粒,含鋁、鐵、硅水合氧化物等無(wú)機(jī)物質(zhì),以及腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機(jī)大分子物質(zhì),前者往往稱(chēng)為懸浮泥沙或無(wú)機(jī)懸浮物,后者往往稱(chēng)為有機(jī)懸浮物。水體中的懸浮物濃度是重要的水質(zhì)參數(shù)之一,影響著水體的透明度、渾濁度、水色等光學(xué)性質(zhì)。不同水域不同季節(jié),水體中的懸浮物成分、粒徑分布和濃度差異較大。

自然環(huán)境下清水和濁水的反射光譜曲線(xiàn)差異明顯。隨著懸浮物濃度的增加,水體在可見(jiàn)光及近紅外波段范圍的反射率增加,同時(shí)反射峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng),反射峰形態(tài)變得更寬。對(duì)可見(jiàn)光遙感而言,不同懸浮泥沙濃度往往在 580～680 nm波段出現(xiàn)峰值,該波段范圍對(duì)水體中懸浮泥沙反映最敏感,是遙感監(jiān)測(cè)水體渾濁度的最佳波段,被NOAA、風(fēng)云氣象衛(wèi)星及海洋衛(wèi)星選擇用來(lái)建立反演模型。研究表明,500～600 nm波段適合用來(lái)監(jiān)測(cè)懸浮物,700～900 nm波段反射率對(duì)懸浮物濃度變化敏感,是遙感估算懸浮物濃度的最佳波段。

遙感中往往使用總懸浮物作為指標(biāo),它是無(wú)機(jī)懸浮物和有機(jī)懸浮物濃度之和。應(yīng)用遙感方法測(cè)定水體懸浮物濃度的關(guān)鍵問(wèn)題是建立水體反射率與懸浮物濃度之間的定量關(guān)系。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了許多水體懸浮物的遙感反演模型,這些模型因水體、季節(jié)有較大的不同,實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要具體分析(見(jiàn)表 2)。

表_2_近年來(lái)國(guó)內(nèi)典型水體的懸浮物濃度遙感反演模型

1.3 可溶有機(jī)物 (CDOM)濃度的遙感

水體中的可溶性有機(jī)物最早稱(chēng)為黃質(zhì),在 20世紀(jì) 30年代就開(kāi)始了研究,后改用現(xiàn)在的名稱(chēng)——有色可溶性有機(jī)物。CDOM是一個(gè)很重要的生物光學(xué)參數(shù),影響著浮游植物的光合作用,并往往與溶解有機(jī)碳 (DOC)具有較好的相關(guān)性,多被用來(lái)表示水體中的碳的變化。在全球變暖的研究中,它也是個(gè)有意義的指標(biāo)。CDOM的光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為對(duì)光的吸收,通常利用 CDOM在440 nm處的吸收系數(shù)表示其濃度的高低。

20世紀(jì) 90年代以來(lái),國(guó)外學(xué)者對(duì)內(nèi)陸水體中CDOM的光學(xué)吸收特性和遙感進(jìn)行了許多研究。研究集中在水質(zhì)參數(shù)遙感反演時(shí)如何消除 CDOM的干擾和遙感探測(cè) CDOM濃度的方法等方面。國(guó)際上對(duì) CDOM濃度提取方法有:直接提取濃度信息;計(jì)算在某一特征波段的吸收系數(shù),用吸收系數(shù)來(lái)表示濃度。前者考慮到 CDOM檢測(cè)的復(fù)雜性和化學(xué)分析檢測(cè)的現(xiàn)狀,以及水色遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用,通常視可溶性有機(jī)碳 (DOC)為 CDOM的一種替代物。研究表明,DOC濃度與波段組合 R716/R670、R706/R670、R670/R412等具有很好的相關(guān)性。

目前,我國(guó)已先后對(duì)海河、渤海灣、薊運(yùn)河、大連海、長(zhǎng)春南湖、于橋水庫(kù)、珠江、蘇南大運(yùn)河、滇池、太湖、巢湖、鄱陽(yáng)湖、長(zhǎng)江三峽等大型水體進(jìn)行了有機(jī)物污染、油污染、富營(yíng)養(yǎng)化等遙感研究,利用水體熱污染原理先后對(duì)湘江、大連海、海河、閩江、黃浦江等進(jìn)行了紅外遙感分析。

2 反演方法與技術(shù)

遙感的本質(zhì)是反演和監(jiān)測(cè)。遙感傳感器收集到各種數(shù)據(jù)后,通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)構(gòu)建遙感數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系,這個(gè)過(guò)程為遙感反演。反演的模型經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)和驗(yàn)證后,可用于遙感監(jiān)測(cè)。針對(duì)不同水域、不同季節(jié)的水質(zhì)參數(shù)特征,如何建立合適的反演模型并用于遙感監(jiān)測(cè)是難點(diǎn),也是當(dāng)前工作的重點(diǎn)。

常用的遙感反演方法分為分析方法、半分析方法和經(jīng)驗(yàn)方法。分析方法以輻射傳輸模型為基礎(chǔ),利用遙感反射率計(jì)算水體的吸收系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值,并與水體中各組分的特征吸收系數(shù)、后向散射系數(shù)相聯(lián)系,進(jìn)而反演水質(zhì)參數(shù)的濃度。這種方法具有普遍性,可以產(chǎn)生高精度的反演結(jié)果。但是由于模型的假設(shè)和參數(shù)取值的復(fù)雜性,常常導(dǎo)致較低精度的模型外推結(jié)果。半分析方法是利用已知的水質(zhì)參數(shù)光譜特征,通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法選擇最佳波段或波段組合作為遙感指標(biāo)來(lái)估算水質(zhì)參數(shù)的濃度,這是目前常用的方法。經(jīng)驗(yàn)方法通過(guò)直接建立遙感數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)濃度值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型,其反演結(jié)果的精度較高,區(qū)域性強(qiáng),存在的問(wèn)題是水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間的事實(shí)相關(guān)性可能不能保證。

由于水體中各種組成物質(zhì)的相互影響,常規(guī)反演方法所建立的波段與組分之間的函數(shù)關(guān)系往往難以實(shí)際應(yīng)用。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演模型是一種非常有效的反演策略,可模擬復(fù)雜的關(guān)系,充分利用各種遙感傳感器的優(yōu)點(diǎn),有望提高反演精度。在具有充分的大量的調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,區(qū)域化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不失為一個(gè)較好的反演方法。

3 問(wèn)題與展望

目前,遙感在內(nèi)陸水體環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到了較多的應(yīng)用,但仍存在一些問(wèn)題。

(1)遙感傳感器的分辨率是首要的問(wèn)題。其中,傳感器的輻射分辨率影響著水質(zhì)參數(shù)可分辨的數(shù)量級(jí),空間分辨率影響著可識(shí)別的區(qū)域大小,時(shí)間分辨率影響著遙感數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)中的可用性,而光譜分辨率影響著水質(zhì)參數(shù)的反演精度。很難找到分辨率指標(biāo)均滿(mǎn)足水質(zhì)參數(shù)遙感反演的遙感數(shù)據(jù)。隨著我國(guó)環(huán)境一號(hào)小衛(wèi)星的發(fā)射,遙感數(shù)據(jù)的部分問(wèn)題有望能夠得到解決。

(2)大氣對(duì)遙感圖像輻亮度的影響。在輻射傳輸?shù)倪^(guò)程中,大氣成分的自然波動(dòng)會(huì)造成遙感圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度里的各種失真。雖然很多學(xué)者提出了不同的大氣校正模型,但對(duì)于一幅圖像,其對(duì)應(yīng)的當(dāng)時(shí)的大氣物理和化學(xué)數(shù)據(jù)幾乎永遠(yuǎn)是變化的且難以得到,所以,遙感圖像的大氣校正仍然是個(gè)難題。針對(duì)水體的高光譜圖像的大氣校正仍然缺乏通用的高精度的解決方案。

(3)遙感圖像中的光譜值是水體中不同物質(zhì)組成的綜合信息,尚不能精確地確定水體中各種光學(xué)組分對(duì)輻射值的單獨(dú)貢獻(xiàn)。還需要進(jìn)一步系統(tǒng)深入地研究水體中各組分的內(nèi)在光學(xué)特性及其差異,充分挖掘遙感數(shù)據(jù)中的信息。

(4)當(dāng)前的水質(zhì)參數(shù)研究多集中在葉綠素 a、懸浮物、水溫和 CDOM,對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)總氮、總磷的遙感反演研究較少,且比較困難。

(5)相對(duì)于大洋水體較高精度的水質(zhì)參數(shù)遙感反演和遙感監(jiān)測(cè),內(nèi)陸水體,特別是渾濁水體的水質(zhì)由于影響因素眾多,水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展緩慢,而且精度不很理想。

(6)雖然通過(guò)測(cè)量的水體中葉綠素 a濃度,各種光學(xué)性質(zhì)及光譜數(shù)據(jù)可以建立起較高精度的遙感反演模型,但是,這些模型往往僅適用于宏觀的水質(zhì)評(píng)價(jià)、分類(lèi)和管理 (主要是遙感制圖),而不能替代精確的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)程序。由于自然地理環(huán)境的差異和水環(huán)境不同,所建立的反演模型用于水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)往往精度不高,仍然需要大量的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證工作。

水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,僅僅采用遙感一種手段是不夠的,重要的是如何揚(yáng)長(zhǎng)避短,發(fā)揮遙感的優(yōu)勢(shì)。利用 3S手段并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將遙感觀測(cè)、GPS空間定位、斷面監(jiān)測(cè)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合,通過(guò) GIS的空間分析技術(shù),通過(guò)地學(xué)分析,并充分利用積累的歷史數(shù)據(jù)來(lái)加大信息挖掘的深度,可望會(huì)取得較大的進(jìn)展,從而為我國(guó)江河湖海的治理規(guī)劃和管理提供更科學(xué)的依據(jù)。

[1]尹改,王橋,鄭丙輝,等.國(guó)家環(huán)保總局對(duì)中國(guó)資源衛(wèi)星的需求與分析 (上)[J].中國(guó)航天,1999(9):3-7.

[2]張淵智,聶躍平,藺啟忠,等.表面水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究 [J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2000,15(4):214-219.

[3]疏小舟,尹球,匡定波.內(nèi)陸水體藻類(lèi)葉綠素濃度與反射光譜特征的關(guān)系[J].遙感學(xué)報(bào),2000,4(1):41-45.

[4]楊一鵬,王橋,王文杰,等.水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].地理與地理信息科學(xué),2004,20(6):6-12.

[5]蔡偉,余俊清,李紅娟.遙感技術(shù)在湖泊環(huán)境變化研究中的應(yīng)用和展望[J].鹽湖研究,2005,13(4):14-20.

[6]呂恒,江南,李新國(guó).內(nèi)陸湖泊的水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(2):185-191.

[7]喻歡,林波.遙感技術(shù)在湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(7):152-155.

[8]于德浩,王艷紅,鄧正棟,等.內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)給水排水,2008,24(22):12-16.

[9]馬榮華,唐軍武,段洪濤,等.湖泊水色遙感研究進(jìn)展 [J].湖泊科學(xué),2009,21(2):143-158.

Retrieval andM on itoring ofWater Quality Parameters based on Remote Sensing Data

FU Yu,WEI Yu-chun,WANG Guo-xiang
(Key Lab of Virtual Geographic Environment,Ministry of Education,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu 210046,China)

Rem ote sensing technology has becom e an importantway of m onitoring water quality param eters because of its advantages such as fast,regional,global,low-cost and periodic.N ow,the w ater quality param eters retrieved by rem ote sensing are m ainly optically active substances in w ater such as the concentration of suspended solids,chlorophyll-a and colored dissolved organic m atter.A lthough m any retrieval m odels of w ater quality param eters based on rem ote sensing data have been established,they still have som e problem s w hen be used in rem ote sensing m onitoring of w ater quality directly.Com bination of ground observation and rem ote sensing observations by3S technology w ill be a useful way to prom ote the practical application of w ater color rem ote sensing.

w ater param eters;w ater quality inversion;w ater quality m onitoring;rem ote sensing

X 87

B

1674-6732(2010)-06-0027-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.009

2010-04-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“湖泊藻類(lèi)不同色素組分的高光譜定量反演研究”(40771152),江蘇省普通高校自然科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(07KJB420062)。

付宇 (1986—),女,碩士,從事遙感與 GIS應(yīng)用研究。

(本欄目編輯 鄧愛(ài)萍)