肖江玥

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求也日漸增多。工農(nóng)業(yè)和生活廢水日漸增加的排放量，帶來(lái)了嚴(yán)重的水資源短缺與水污染問題。面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境惡化情況，建立準(zhǔn)確、客觀、動(dòng)態(tài)、快速的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是有效開展水環(huán)境污染治理和環(huán)境保護(hù)工作的前提。只有全面地對(duì)水污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，正確評(píng)估水污染治理效果，才能有效改善水環(huán)境惡化問題。

目前國(guó)內(nèi)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)已經(jīng)從以人工采樣布點(diǎn)監(jiān)測(cè)為主的工作模式逐步轉(zhuǎn)變成完善地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的組網(wǎng)建設(shè)，但因地面常規(guī)監(jiān)測(cè)手段存在維護(hù)成本高、時(shí)空連續(xù)性差等缺點(diǎn)，仍然很難開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的大面積水域監(jiān)測(cè)工作。水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)擁有監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)獲取頻率高、處理速度快、數(shù)據(jù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的滿足準(zhǔn)確快速地進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水體并開展大范圍水體污染評(píng)估的需求，進(jìn)而為控制和治理水環(huán)境提供一個(gè)具有多重優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)保障途徑。本文概述了遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)背景、應(yīng)用方向和重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)，為全面開展系統(tǒng)性的水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)研究提供參考。

1 遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)背景

1.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的基本原理

遙感技術(shù)是以非接觸的方式，利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過探測(cè)儀器接收目標(biāo)物的電磁波信息，從而分析并判別出目標(biāo)物性質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本原理是基于水體中的懸浮物、藻類含量等反應(yīng)污染程度的水體要素所對(duì)應(yīng)的不同輻射特性，使用遙感器捕獲并在遙感圖像上呈現(xiàn)，通過對(duì)遙感圖像上光譜特征的分析識(shí)別，獲得水體的水質(zhì)參數(shù)信息。同時(shí)，收集干凈水體的光譜特征信息并與研究水體進(jìn)行分析對(duì)比，得到研究水域中各類水質(zhì)參數(shù)的含量與空間分布信息，再與對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息相結(jié)合，從而判斷出水體污染物的時(shí)空分布特征，達(dá)到水環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。常規(guī)處理步驟是遙感數(shù)據(jù)獲取、定標(biāo)輻射值、影像預(yù)處理、研究水域掩膜劃分、建立水環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演[1]。

1.2 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)常用平臺(tái)與數(shù)據(jù)類型

目前水環(huán)境監(jiān)測(cè)常用的數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)以及數(shù)據(jù)分析方法已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)的地面布點(diǎn)采樣加實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定方式提升為融入遙感技術(shù)的多平臺(tái)傳感器協(xié)同作業(yè)加系統(tǒng)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理模式。

常用的遙感平臺(tái)按照工作平臺(tái)與地球表面的距離可以分為地面、航空和航天遙感平臺(tái)。航空遙感常見載體為固定翼飛機(jī)和無(wú)人機(jī)，具有較高的空間分辨率，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇飛行時(shí)間和航線，適合水環(huán)境污染的應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)機(jī)載遙感器系統(tǒng)還具有低成本、操作簡(jiǎn)便、高時(shí)效性等優(yōu)勢(shì)。

航天遙感常用到的星載數(shù)據(jù)源有Landsat系列衛(wèi)星、Spot系列衛(wèi)星、搭載Modis遙感器的EOS AM-1衛(wèi)星以及國(guó)產(chǎn)的高分系列衛(wèi)星等，更適合于進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但由于衛(wèi)星本身存在重返周期，往往難以滿足及時(shí)監(jiān)測(cè)需求，一般不適用于水污染的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

地面遙感器最常用的設(shè)備即地物光譜儀，通過測(cè)量水體及水面下不同深度處的反射率光譜來(lái)分析水體組成成分，為散點(diǎn)式觀測(cè)，存在宏觀性差、數(shù)據(jù)獲取頻率低、人為因素干擾大等缺點(diǎn)。近年還發(fā)明出岸基高光譜監(jiān)測(cè)儀，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸水面實(shí)時(shí)連續(xù)的反射率與水質(zhì)參數(shù)濃度的同步測(cè)定來(lái)提升反演結(jié)果精度，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面遙感器在觀測(cè)頻次和精度上的不足[2]。

遙感技術(shù)根據(jù)不同工作波段可劃分為紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感、微波遙感等。在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，通常根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象采用合適的光譜波段來(lái)進(jìn)行探測(cè)。目前常用到的遙感數(shù)據(jù)種類可根據(jù)數(shù)據(jù)的光譜分辨率分為多光譜遙感數(shù)據(jù)和高光譜遙感數(shù)據(jù)。

多光譜遙感是將地物輻射電磁波分割成若干個(gè)較窄的光譜波段，在同一時(shí)間獲得目標(biāo)物不同波段信息的技術(shù)。傳統(tǒng)的多光譜遙感接收到的波段較少，無(wú)法全面地捕捉目標(biāo)物的光譜特征。

高光譜遙感的發(fā)展則是遙感技術(shù)發(fā)展的又一項(xiàng)重大突破，憑借光譜分辨率高和圖譜合一等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。相對(duì)于多光譜遙感數(shù)據(jù)而言，高光譜遙感數(shù)據(jù)不僅提升了水體指標(biāo)的反演精度，還能夠完成水體要素的分類識(shí)別。因此，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展已成為遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

1.3 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)反演方法

水質(zhì)參數(shù)反演是遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)十分重要的環(huán)節(jié)，利用通過遙感技術(shù)獲取到的水質(zhì)參數(shù)光譜特征與實(shí)際的水體要素?cái)?shù)值之間的相關(guān)性分析來(lái)反演得到具有明顯光譜特性的水體要素在研究水域中的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布，最終形成該區(qū)域的水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果。目前常見的用于研究影響水體光學(xué)特性的典型水質(zhì)參數(shù)有葉綠素a、懸浮物、可溶性有機(jī)物、透明度、總氮、總磷等。

水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)常見的反演方法分為經(jīng)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法、分析方法、半分析方法和人工智能方法。經(jīng)驗(yàn)方法是基于遙感數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒎囱菟|(zhì)參數(shù)。這種反演方法的理論算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但模型精度通常不高，且難以進(jìn)行重復(fù)利用。半經(jīng)驗(yàn)方法則是在經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，將遙感數(shù)據(jù)與同步測(cè)量的實(shí)際水質(zhì)參數(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的反演精度，是目前最常采用的反演方法，但仍具有時(shí)間和空間上的局限性[3]。

分析方法是通過水中輻射傳輸模型來(lái)確定水體各組分與水體反射率光譜之間的關(guān)系，然后由水體反射率光譜反向計(jì)算得到水體各組分的含量[4]。半分析方法則是基于分析方法，在模型的推導(dǎo)過程中引入一些經(jīng)驗(yàn)公式，其反演結(jié)果往往具有更高的精度和穩(wěn)定性。人工智能方法是通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)等人工智能算法來(lái)構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)反演模型，具有快速自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其反演結(jié)果精度很大程度上是由提供訓(xùn)練樣本的質(zhì)量決定[5]。以上3種水質(zhì)參數(shù)反演方法是未來(lái)主要研究方向。

1.4 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用方向

遙感技術(shù)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，十分適用于開展水環(huán)境長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。通過對(duì)水體指標(biāo)的定量分析，可以確定水體中主要污染物種類，并進(jìn)行污染源定位、污染物分布及擴(kuò)散情況分析，從而得出相應(yīng)的水體污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果。多應(yīng)用于城市污水監(jiān)測(cè)、水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)、懸浮固定物質(zhì)監(jiān)測(cè)、熱污染監(jiān)測(cè)、追蹤水體污染排放源等方面，為及時(shí)開展水污染防治工作提供有效的信息支撐。

2 空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念

2.1 建立空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)有很多手段，通過不同遙感平臺(tái)獲取到的不同種類的遙感數(shù)據(jù)都因自身技術(shù)原因存在著針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的適用性與優(yōu)劣勢(shì)?？傮w而言，地面遙感平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為分散；機(jī)載遙感影像的飛行受天氣影響較大；星載遙感數(shù)據(jù)則在時(shí)間分辨率和空間分辨率上存在一定的應(yīng)用局限性。因此，為全方位提升水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)能力，有必要將高空、低空遙感與地面監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)構(gòu)建出可大范圍應(yīng)用推廣的空天地一體化協(xié)同的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類遙感數(shù)據(jù)源之間的相互檢校驗(yàn)證，提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的整體精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提升水環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力，更好地支撐水環(huán)境管理和決策。

空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本研究路線是將單項(xiàng)遙感技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，形成穩(wěn)定的反演算法模型，并通過集成多平臺(tái)數(shù)據(jù)源建立綜合測(cè)試體系，從而得到有指導(dǎo)意義的多源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，單項(xiàng)技術(shù)研究包括星載、機(jī)載和地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)的遙感數(shù)據(jù)獲取、影像預(yù)處理以及協(xié)同水質(zhì)參數(shù)反演等，且需要根據(jù)不同應(yīng)用情況選取適用性更高的平臺(tái)遙感器種類，例如針對(duì)大面積水域的遙感監(jiān)測(cè)可以采用衛(wèi)片、固定翼航空器影像和船載光譜儀觀測(cè)的空天地協(xié)同作業(yè)形式，而城市區(qū)域中的小型河網(wǎng)水域則更適合使用衛(wèi)片、無(wú)人機(jī)高光譜影像和岸基高光譜監(jiān)測(cè)儀相結(jié)合的形式開展水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)工作。在實(shí)際研究過程中，不僅需要進(jìn)行針對(duì)遙感技術(shù)的研究，還涉及到軟硬件系統(tǒng)集成等領(lǐng)域的研究，通過多學(xué)科協(xié)同合作，形成成熟的空天地一體化水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

近年來(lái)，空天地一體化的水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概念得到了一定程度的示范性應(yīng)用，應(yīng)用體系比較成熟的有太湖流域的水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建與應(yīng)用。該監(jiān)測(cè)體系以太湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在區(qū)域內(nèi)已有環(huán)境監(jiān)測(cè)能力的基礎(chǔ)之上，充分結(jié)合地面常規(guī)監(jiān)測(cè)與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探索建成了由網(wǎng)絡(luò)保障、星地監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、分析評(píng)價(jià)、趨勢(shì)預(yù)警等系統(tǒng)組成的水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系。其中的星地同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將遙感衛(wèi)片解析、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、人工采樣巡測(cè)等監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，從點(diǎn)到面類推出全流域水環(huán)境現(xiàn)狀，可基本實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、湖泛監(jiān)測(cè)、藍(lán)藻監(jiān)測(cè)等一體化監(jiān)測(cè)功能的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，全面提升了太湖流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警能力[6]。

由于太湖流域現(xiàn)有水文數(shù)據(jù)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)較為充足，一種陸基水環(huán)境遙感方法也在太湖區(qū)域進(jìn)行了實(shí)踐。該研究以衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、高光譜成像儀結(jié)合人工巡測(cè)和自動(dòng)觀測(cè)形成空天地一體化的遙感監(jiān)測(cè)體系，使用高精度的高光譜成像儀數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建陸基遙感算法模型，有效補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)的技術(shù)缺陷，反演精度可達(dá)到80%及以上[2]。

此外，還有以HJ-1衛(wèi)星影像為主要遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及環(huán)境背景數(shù)據(jù)建立的湖北省水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)。該示范系統(tǒng)是以東湖、梁子湖等10個(gè)湖泊為主要研究水域，由遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫(kù)管理、水環(huán)境遙感可視化三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建而成的區(qū)域性水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像預(yù)處理(輻射定標(biāo)、幾何校正)、水域提取、水質(zhì)參數(shù)反演、水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、專題圖制作以及動(dòng)態(tài)展示等功能[7]。

以上案例都為運(yùn)用空天地一體化遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供了大量經(jīng)驗(yàn)與參考依據(jù)?？仗斓匾惑w化的遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著非常大的應(yīng)用潛力，有助于實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)水環(huán)境狀況、周期性動(dòng)態(tài)評(píng)估水生態(tài)變化，為切實(shí)做好水環(huán)境保護(hù)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)與存在的不足

由于污染水體的光學(xué)特性比較復(fù)雜，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用發(fā)展仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)有待突破，如研發(fā)適用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的專用遙感器，提高采集數(shù)據(jù)的時(shí)空精度與處理效率；繼續(xù)深入研究和廣泛實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建針對(duì)更多種類水質(zhì)參數(shù)的遙感反演算法，充分考慮可能影響反演結(jié)果的因素，不斷優(yōu)化反演模型，提升定量遙感精度。

空天地一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展目前也存在一些不足有待改進(jìn)，如根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)范化集成方案，統(tǒng)一不同平臺(tái)數(shù)據(jù)源獲取信息的標(biāo)準(zhǔn)，真正實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)協(xié)同作業(yè)；提升一體化系統(tǒng)在時(shí)間和空間上同步的精度與多源數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)度；加強(qiáng)軟硬件技術(shù)研發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行業(yè)務(wù)化等。

面對(duì)遙感技術(shù)當(dāng)前的主要問題與在水環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用上的迫切需求，需要在不斷改善現(xiàn)存技術(shù)缺陷的同時(shí)積極開展多學(xué)科交叉的創(chuàng)新性研發(fā)，將空天地一體化的理念進(jìn)行有效實(shí)踐，為解決水環(huán)境問題提供更加有力的技術(shù)支撐。

4 結(jié) 語(yǔ)

在工業(yè)發(fā)展、城市化推動(dòng)的社會(huì)背景下，水環(huán)境問題逐漸凸顯。近年來(lái)，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)展示出了水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)巨大的應(yīng)用前景與研究?jī)r(jià)值。但由于水體光譜特性的復(fù)雜多變，目前遙感技術(shù)在水環(huán)境中的研究還存在很多問題，水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也有待更深入的研究。總體而言，遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用將朝著高空間高光譜分辨率數(shù)據(jù)與多平臺(tái)系統(tǒng)集成的大方向發(fā)展，通過不斷提升遙感影像質(zhì)量、融合多源數(shù)據(jù)信息、完善數(shù)據(jù)分析方法、強(qiáng)化系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境信息的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全面推動(dòng)水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系構(gòu)建與應(yīng)用發(fā)展。