水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測

付 宇,韋玉春,王國祥

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇 南京 210046)

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水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測

付 宇,韋玉春,王國祥

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇 南京 210046)

遙感技術由于具有快速、宏觀、低成本和周期性的優(yōu)點,便于探測水質(zhì)的時空變化,已成為水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的重要手段。目前能夠直接進行遙感反演的水質(zhì)參數(shù)主要是懸浮物濃度、葉綠素 a濃度、可溶解性有機物等光學活性物質(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)測仍存在一些問題。今后,利用 3S技術將地面觀測和遙感觀測結合起來,可望推動水色遙感的實際應用。

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

水環(huán)境保護的基礎工作之一是水質(zhì)監(jiān)測,監(jiān)測項目一般包括水溫、pH、懸浮物 (SS)、溶解氧(DO)、生化需氧量 (BOD)、化學氧量 (COD)、葉綠素 a、有毒物質(zhì)等。常規(guī)水質(zhì)分析是實地測量或取水樣在實驗室分析,它可精確地測定出某一位置水體表層水質(zhì)的各項指標,但成本高、耗時長,無法給出這些水質(zhì)參數(shù)在空間和時間上的分布信息。水質(zhì)遙感監(jiān)測是通過研究水體反射光譜特征與水質(zhì)參數(shù)濃度之間的關系,建立水質(zhì)參數(shù)的遙感反演算法,進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,可以探測水質(zhì)參數(shù)在空間和時間上的變化,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)測的基礎。水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測首先需要建立水質(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,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

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

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,是衡量水體初級生產(chǎn)力 (水生植物的生物量)和富營養(yǎng)化作用的基本指標。葉綠素 a在藻類物質(zhì)中所占的比例比較穩(wěn)定,是藻類的主要色素,其濃度易于在實驗室測量。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。因為藻青蛋白的吸收峰在 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)射引起的拉曼效應激發(fā)出的能量熒光化,在波長 685 nm附近有明顯的熒光峰,葉綠素 a的吸收在該處達到最小。685～715 nm熒光峰是含藻類水體最顯著的光譜特征,通常被認為是判定水體是否含有藻類葉綠素 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濃度之間的關系模型。目前通過各種研究已經(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(見表 1)。

表1 近年來國內(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會使背景光學特性發(fā)生顯著變化,導致藍波段范圍內(nèi)葉綠素 a的光譜吸收特性會被 CDOM的吸收掩蓋。夏季水體中懸浮物濃度和葉綠素 a濃度可能會有很大的相關性,進而影響到葉綠素 a最佳遙感反演波段的選擇和遙感反演算法的精度。這些因素進一步增加了水體葉綠素 a濃度遙感的復雜性。

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),如各類礦物微粒,含鋁、鐵、硅水合氧化物等無機物質(zhì),以及腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等有機大分子物質(zhì),前者往往稱為懸浮泥沙或無機懸浮物,后者往往稱為有機懸浮物。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差異明顯。隨著懸浮物濃度的增加,水體在可見光及近紅外波段范圍的反射率增加,同時反射峰值波長向長波方向移動,反射峰形態(tài)變得更寬。對可見光遙感而言,不同懸浮泥沙濃度往往在 580～680 nm波段出現(xiàn)峰值,該波段范圍對水體中懸浮泥沙反映最敏感,是遙感監(jiān)測水體渾濁度的最佳波段,被NOAA、風云氣象衛(wèi)星及海洋衛(wèi)星選擇用來建立反演模型。研究表明,500～600 nm波段適合用來監(jiān)測懸浮物,700～900 nm波段反射率對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,它是無機懸浮物和有機懸浮物濃度之和。應用遙感方法測定水體懸浮物濃度的關鍵問題是建立水體反射率與懸浮物濃度之間的定量關系。國內(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,實際應用時需要具體分析(見表 2)。

表_2_近年來國內(nèi)典型水體的懸浮物濃度遙感反演模型

1.3 可溶有機物 (CDOM)濃度的遙感

水體中的可溶性有機物最早稱為黃質(zhì),在 20世紀 30年代就開始了研究,后改用現(xiàn)在的名稱——有色可溶性有機物。CDOM是一個很重要的生物光學參數(shù),影響著浮游植物的光合作用,并往往與溶解有機碳 (DOC)具有較好的相關性,多被用來表示水體中的碳的變化。在全球變暖的研究中,它也是個有意義的指標。CDOM的光學性質(zhì)穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為對光的吸收,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 90年代以來,國外學者對內(nèi)陸水體中CDOM的光學吸收特性和遙感進行了許多研究。研究集中在水質(zhì)參數(shù)遙感反演時如何消除 CDOM的干擾和遙感探測 CDOM濃度的方法等方面。國際上對 CDOM濃度提取方法有:直接提取濃度信息;計算在某一特征波段的吸收系數(shù),用吸收系數(shù)來表示濃度。前者考慮到 CDOM檢測的復雜性和化學分析檢測的現(xiàn)狀,以及水色遙感技術在水環(huán)境監(jiān)測中的實際應用,通常視可溶性有機碳 (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等具有很好的相關性。

目前,我國已先后對海河、渤海灣、薊運河、大連海、長春南湖、于橋水庫、珠江、蘇南大運河、滇池、太湖、巢湖、鄱陽湖、長江三峽等大型水體進行了有機物污染、油污染、富營養(yǎng)化等遙感研究,利用水體熱污染原理先后對湘江、大連海、海河、閩江、黃浦江等進行了紅外遙感分析。

2 反演方法與技術

遙感的本質(zhì)是反演和監(jiān)測。遙感傳感器收集到各種數(shù)據(jù)后,通過適當?shù)奶幚韥順嫿ㄟb感數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)之間的關系,這個過程為遙感反演。反演的模型經(jīng)過檢驗和驗證后,可用于遙感監(jiān)測。針對不同水域、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)測是難點,也是當前工作的重點。

常用的遙感反演方法分為分析方法、半分析方法和經(jīng)驗方法。分析方法以輻射傳輸模型為基礎,利用遙感反射率計算水體的吸收系數(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)生高精度的反演結果。但是由于模型的假設和參數(shù)取值的復雜性,常常導致較低精度的模型外推結果。半分析方法是利用已知的水質(zhì)參數(shù)光譜特征,通過統(tǒng)計方法選擇最佳波段或波段組合作為遙感指標來估算水質(zhì)參數(shù)的濃度,這是目前常用的方法。經(jīng)驗方法通過直接建立遙感數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)濃度值之間的統(tǒng)計關系模型,其反演結果的精度較高,區(qū)域性強,存在的問題是水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間的事實相關性可能不能保證。

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)關系往往難以實際應用。而神經(jīng)網(wǎng)絡反演模型是一種非常有效的反演策略,可模擬復雜的關系,充分利用各種遙感傳感器的優(yōu)點,有望提高反演精度。在具有充分的大量的調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎上,區(qū)域化的神經(jīng)網(wǎng)絡模型不失為一個較好的反演方法。

3 問題與展望

目前,遙感在內(nèi)陸水體環(huán)境監(jiān)測中得到了較多的應用,但仍存在一些問題。

(1)遙感傳感器的分辨率是首要的問題。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,空間分辨率影響著可識別的區(qū)域大小,時間分辨率影響著遙感數(shù)據(jù)在監(jiān)測中的可用性,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均滿足水質(zhì)參數(shù)遙感反演的遙感數(shù)據(jù)。隨著我國環(huán)境一號小衛(wèi)星的發(fā)射,遙感數(shù)據(jù)的部分問題有望能夠得到解決。

(2)大氣對遙感圖像輻亮度的影響。在輻射傳輸?shù)倪^程中,大氣成分的自然波動會造成遙感圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度里的各種失真。雖然很多學者提出了不同的大氣校正模型,但對于一幅圖像,其對應的當時的大氣物理和化學數(shù)據(jù)幾乎永遠是變化的且難以得到,所以,遙感圖像的大氣校正仍然是個難題。針對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組分對輻射值的單獨貢獻。還需要進一步系統(tǒng)深入地研究水體中各組分的內(nèi)在光學特性及其差異,充分挖掘遙感數(shù)據(jù)中的信息。

(4)當前的水質(zhì)參數(shù)研究多集中在葉綠素 a、懸浮物、水溫和 CDOM,對于富營養(yǎng)化評價的關鍵指標總氮、總磷的遙感反演研究較少,且比較困難。

(5)相對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,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)測發(fā)展緩慢,而且精度不很理想。

(6)雖然通過測量的水體中葉綠素 a濃度,各種光學性質(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)評價、分類和管理 (主要是遙感制圖),而不能替代精確的現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測程序。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)測往往精度不高,仍然需要大量的現(xiàn)場驗證工作。

水質(zhì)參數(shù)的遙感反演和遙感監(jiān)測是一個復雜的過程,僅僅采用遙感一種手段是不夠的,重要的是如何揚長避短,發(fā)揮遙感的優(yōu)勢。利用 3S手段并結合物聯(lián)網(wǎng)技術,將遙感觀測、GPS空間定位、斷面監(jiān)測、在線監(jiān)測相結合,通過 GIS的空間分析技術,通過地學分析,并充分利用積累的歷史數(shù)據(jù)來加大信息挖掘的深度,可望會取得較大的進展,從而為我國江河湖海的治理規(guī)劃和管理提供更科學的依據(jù)。

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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

國家自然科學基金資助項目“湖泊藻類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研究計劃資助項目(07KJB420062)。

付宇 (1986—),女,碩士,從事遙感與 GIS應用研究。

(本欄目編輯 鄧愛萍)