多光谱遥感监测方法在内陆水体水质检测中的应用研究

【摘要】在水资源问题日渐严峻的形势下，我国在水体水质检测方面的研究力度不断加强，目前水质检测已经成为了社会发展中一个极为关键的问题，特别是内陆水体，它直接影响到居民的生产与生活，遥感检测技术是目前应用最为广泛的技术种类之一，它具有速度快、成本低的优势，因此非常适合在长期动态化的检测工作中应用。本文针对多光谱遥感检测方法在内陆水体水质检测中的应用进行几方面分析。

【关键词】多光谱遥感检测；内陆水体水质检测；应用研究

引言

水是生态系统中的核心部分，是生态系统得以稳定、健康发展的物质基础，在21世纪，社会可持续发展战略中，水资源的治理和维护是一项必须要坚持贯彻和执行的任务。水质检测是针对水资源中各种物质的含量进行分析，从中得出有害物质与有利物质的比例，进而划分出哪些是可以引用的水资源，哪些是需要进行处理的水资源。随着我国水质检测技术的发展，遥感技术得以出现，该技术在内陆水体水质检测评价中开始普及和应用，同时取得了良好的检测效果，该项技术的检测范围广泛，成本低廉，优势非常明显。

1、研究的意义

在生态系统中，水是最为关键的要素，它与地球环境中的其他要素共同奠定了人们生存与发展的基础。但是目前从世界范围来看，水体污染问题已经不容忽视，在未来的发展战略中，水质检测以及治理已经被列入了一个主要行列，水资源是有限的，它随着人们的破坏以及不合理利用会逐渐减少，目前我们所看到的是水体污染问题，但是如果不加以重视和质量，那么污染就会无休无止的蔓延，最终将会导致人类失去基本的生存条件。在这样的背景下，水质检测的重要越来越凸显，它作为评价水质以及水污染防止的主要依据，在水体污染越发严峻的情况下，必须要加大力度开展工作，体别是在内陆水体的检测上，必须要做到及时、准确。

从国内情况来看，我国各级地方环保部门、水流部门已经建立了有机联系，在水质检测上基本是采用定点剖面、长期监测的方式进行水质分析，这种方式虽然能够取得一定的效果，但是却受到人力、物力以及天气条件等众多因素的影响，很难保障检测数据的准确性与可靠性，同时这种检测方法的成本高，效率低。对于整个水体来说，这些检测点数据受到局限，很难进行整体的估算与防止措施的制定。在遥感技术出现之后，我国水体污染检测迎来了一个展现的时代，通过卫星或者是航空遥感技术，我国实现了大规模水质检测的设想，同时也能够动态监控以及定量分析，这极大的弥补了水面采样的弊端，可以更加快速的发现污染源头，及时进行控制和治理，能够有效针对污染源头进行分析，最终找到污染的原因，为下一步的工作提供了有利依据。多光谱遥感监测是遥感技术中的一种，在我国应用广泛，通过使用这项技术，我国水质检测工作质量得到了进一步的提升，为水资源保护、规划以及可持续发展提供给了巨大助力。

2、遥感监测技术原理

在水质环境检测中，遥感技术借助飞机或者是卫星上的传感器记录的总体辐射，也就是四种辐射的综合，可以表示为：L1=LP+LS+LV+Lb，在这个式子中，LP表示尚未达到水体表面的下行太阳以及太空辐射，因此被人们称之为路径辐射；LS表示水与大气之间的界面，但是大部这个层面上的辐射基本都会被水体发射回去，它包括扩了很多与水体表面相似的光谱信息；LV则是表示穿过气体与水界面能够达到水体内部的太阳以及天空辐射，它们与水中的有机物、无机物进行作用，并且这些辐射是无法达到水底的，在中途就会离开水体，这部分辐射被称之为水下体辐射，它们是提供水体内部组成成分以及特征最有价值。Lb则是能够透过水面中途返回的那部分辐射，它对人们了解水底情况有着非常大的帮助。但是实际情况下，人们很难区分LV和Lb，通常情况下，人们所研究的是水体中的有机物与无机物的组成成分，因此从传感器系统记录中如何提取出这部分的相关信息，是检测人员的主要任务。如果用公式表示：LV=L1-（LP+LS++Lb），从这些内容来看，技术人员需要对遥感书籍进行纠正，确保其精确性，其中包括大气纠正、表面太阳耀斑以及表面其他反射消除等方面的内容。

在对纯水本身进行分析之外，内陆水体中影响光谱反射率的物质主要有浮游植物，一般都是浮藻类；一部分死亡植物产生的有机碎屑、陆生以及湖底泥再次悬浮而产生的无机悬浮颗粒，这些颗粒又被成为非色素悬浮物；由黄腐酸、腐植酸等物质组成的溶解性有机物，一般被成为黄色物质。

3、多光谱遥感监测技术原理

作为遥感检测技术中重要的技术中形式，其在我国水质检测发挥着不可忽视的作用，多光谱遥感检测技术，是利用两个以上的波普通道传感器对地物進行同步成像的遥感技术，实现了电磁波信息的分段信息接受与记录。其特点表现为：根据影像形态与结构的差别进行地物半段，同时还能够依据光谱特性的差异对地物进行判断，从而有效的拓展了遥感技术的信息量。多光谱遥感数据，包括Landsat MSS、TM、SPOT HRV、IRS-1C、NOAA/AVHRR等数据。在这些数据中最先在内陆水体水质进行检测的是LandsatMSS数据，通过相关学者的研究发现内陆水体中的叶绿a浓度以及悬浮物是通过MSS数据进行检测的，但是因为其波段过宽，所以不适用于湖泊、水库等水域的悬浮物检测。如果从综合效益来看，TM数据是现阶段在应用最为广泛的多光谱遥感数据，它具有空间、实践以及光谱分辨率、数据可获得性特征各个方面特征。现阶段，世界范围内对于TM数据进行研究，将其在大量的内陆水质检测中应用进行了研究，并针对叶绿素a、悬浮物以及透明度等各方面进行了估算和测量，效果还是十分显著的。SPOT HRV数据、IRS-1C、NOAA/AVHRR数据通常都是在内陆水体检测中所应用。MSS数据从不同波长以及波段比值的组合是构成标准模型的关键内容，但是受到大气纠正法缺乏的限制，没有形成一个通用的模型。因为多光谱遥感数据存在分辨率低的问题，因此无法实现地物光谱特征方面针对性问题的解决，在水质参数多光谱技术的深入研究中，利用多光谱数据研究构造在时间与空间上算法的优势，进行可行性研究的问题开始受到关注。

4、多光谱遥感监测方法在内陆水体水质检测中的应用

4.1 检测对象分析

本文针对某湖泊作为实验区域，针对其水环境采用多光谱遥感技术进行各项指标的检测，包括叶绿素a与悬浮物的检测。

4.2 研究方法确定

将以往检测的经验作为依据，同时结合遥感技术的发展，最终确定了在研究方法。首先对试验区域进行了全面调查分析，GIS与GPS技术相结合，在采样区域进行了采样点布设，通过卫星遥感数据实现地面数据的获取。图1为监测点分布。

采用光谱测量方法针对该湖面以上的部分进行测量，测量过程中天气晴朗，水平保持平静，因此水面波动的影响不大。测量水体辐射数据的时候采用在50%的漫反射参考版，针对一个测量点都要进行数据的检测和记录，以10次为标准测量，水体光谱测量20次，天空光谱测量20次，遮挡直射太阳光测量10次，每一个采样点都要根据以上的方法进行数据采集，分为两组，并计算反射率时采用稳定性较好组测量数据。

4.3 数据处理与分析

4.3.1 水质参数数据的处理与分析

从实验室的分析情况来看，其中叶绿素a、SS，TN，TP、化学需氧量等参数值表面，水中的悬浮物质已经达到了3级，并且大部分集中在一起。在这些物质中，最不稳定的是叶绿素的浓度，范围在20.3～40.2之间，而从该湖各个采样点的水中的氮磷总量来看，几乎都超过了富营养化的界限，也就是说水体已经呈现出明显的富养化特征。从这些数值的情况来看，该湖水质无法达到3级标准。

通过对五个区域的水质进行分析，其水质情况如表1所示。其中可以看到磷与氮的系数高，为0.889。相对较低的物质是氮以及磷，其指标为0.675和0.414，从这个数值分析来看，其余叶绿素a与磷和氮的關联不大，但是本文所研究的对象，其水质属于多拍入口河流，导致水中氮磷超标的原因与人为因素有很大关联，从而使其高于叶绿素a的影响，其他四个水质参数与化学需氧量的关联性几乎为0。

4.3.2 实测水体光谱数据与水体水化数据获取和处理过程

本次案例湖水质检测的实际数据由2015年9月10日测得，从其地表水质量标准数据进行分析后发现，其中叶绿素a浓度、化学需氧量以及悬浮物浓度过高，水体质量达不到3级水平。具体来说，通常工业用水以及一般的鱼类生活区用水，在处理之后，可以达到上一级水质的要求，还是可以具有一定用途的。而从本次所研究的案例湖水质情况来看，磷氮总数过高，富氧化严重，处理之后想要达到上一级标准比较困难。本次所采用的光谱检测技术，利用FieldSpec HandHeld地物光谱仪，最大限度的提升了检测的准确性，该设备抗干扰性强，因此测得数值可以反映出案例湖水质的实际情况，在对这些数据进行分析处理，将其中异常数据排除，然后对这些数据进行分析，在分析中发现，在进行实际水体测量时，水体表观反射率与当时的天气、水面状况有直接联系。比如，在天空中运量较多的时候，蓝光波段的翻身就会受到影响，表现出异常现象，反胜率增加。如果水平存在波纹，也会导致水体反射率增加。这样一来就会增加数据处理的难度，降低测量的准确性，所以使用多光遥感检测技术的过程中，必须要关注这几个方面的因素，保障数据分析的准确性。

结束语：

水质监测已经成为了世界水资源可持续发展过程中一项不可缺少的环节，科学、及时、合理的进行水质监测，能够发现水体中存在的问题，并找到问题的源头，根据对水质中有机物、无机物成分的分析，制定治理的措施和途径，最终达到提升水质的目的。水是生命之源，是人类赖以生存的基本条件，如果失去了清洁的水源，那么人类根本谈不上发展，连生存都成了问题。本文基于遥感技术的应用，对多光谱遥感技术的应用进行了分析，希望能够对我国内陆水检测的开展尽一份绵薄之力。

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作者简介：戚卫伟，女，1983年4月，辽宁大连人，本科， 工程师，研究方向：水质监测。