《遥感技术是对地观测综合技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遥感技术是对地观测综合技术（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、遥感技术在水质监测中的应用与发展1011021028王晶环境工程摘要：由于传统监测方法有耗费大量人力物力，野外工作条件差，无法长期观察 监测且监测区域有限等缺点，现在出现的遥感技术越来越受欢迎，遥感水质监测 具有周期性长、监测区域面积范围大，能够观察到水质的动态变化，满足于现今 监测技术的要求。并且水质遥感监测是通过被测物的光与热的反应，让传感器接 收到，在一定的光谱范围内将其转化为应有的光谱图，为人们所利用，常用的监 测物有叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物质等。并且国内外对遥感监测技术的 研究也越来越多，是一个热点。若是其发展的好，将会为监测技术开辟新的一片 天地。关键词：遥感监测监测方法监
2、测数据叶绿素、悬浮物的监测0.引言随着社会与科技的发展，人们的生活水平有了很大的提高，但是随着工业技 术大突飞猛进，环境风险越来越大，出现了水污染、大气污染、土壤污染、生物 多样性遭到破坏等等，目前人们又急需治理与保护环境。中国面临着严重的水问 题，水体污染导致水质量急剧下降，因此水环境的治理迫在眉睫。传统的水质监 测与分析方法是通过布点采样分析进行的，此方法要依靠高精度的仪器和高水平 的分析技术，同时对采取的样品也有很大的要求，即样品种类多、难以保存、需 要在短时间内分析等。将耗费很大的人力物力，更不必说采样的时间和地点受气 象水文等因素抑制，野外工作环境差，无法产期观察。并且常规的水质监测
3、只能 监测断面上的水质状况，对于整个水体而言，这些测样点只有局部和典型的代表 意义。因此传统的水质监测不能满足对水质大范围实时的观察需求。TMDL1（最大日负荷总量）计算所有潜在污染物质（包括点源、面源、误差 界限中的），这些潜在污染物质目前不会影响水体的生态系统。提高水质的管理， 现今用的遥感技术就是这方面的。随着遥感技术的发展，特别是洪涝灾害、水资 源于水环境、旱情监测、土壤侵蚀调查、河口河道和湖泊、水库泥沙淤积调查， 还有大型工程选址与环境效益评估方面都有很大的贡献，笔者着重写遥感对水 环境的监测。其为对地观测综合技术，是一种应用探测仪，不需要与探测目标直 接接触，而是通过探测目标的电磁
4、波谱来分析其特征性质与变化的综合性技术。地标特征与水体参数因影响光的反射、吸收和后向散射通过遥感系统记录的光谱 信号反应出来。水体水质遥感监测利用经验、半经验或者分析的方法，选择合适 的遥感波段数据，建立水质参数遥感估测模型反演水体中水质参数浓度。以多空 间分辨率、多时相的遥感图与数据使人们能够分析环境和自然资源的时空变化规 律，能发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物的迁徙特征，收集大量信息 并且成本低、适时、迅速、持久；能让大面积的同步观测成为现实；可以在短时 间内对同一地区进行重复探测，实现对地物的动态监测；其数据具有很强的综合 性、可比性和经济性。这种技术的发展应用有利于环保部门对水
5、环境的监测以及 其突然状况的长期的在线的观测，具有科学性与有效性。一、水质遥感监测基本理论1.1原理遥感定量估测水体水质参数的方法是通过分析水体吸收和散射太阳辐射能 形成的光谱特征实现的，这些光谱特征体现在水体因为各组分及其含量的不同造 成其对特定波长光的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在遥 感图像中体现出来。地水质遥感技术从定性到定量过程进行了发展，现阶段度研 究各种水体的光谱特征。在水体中可见波段与近红外波段是最常用的波段（缺少 与微波波段的水体研究），因此纯净水体、自然水体、污染水体在上述波段中将 直接影响遥感灵敏度。遥感水质监测的参数主要有水体透明度，悬浮颗粒物，叶 绿
6、素a浓度，溶解性有机物，水体的光谱特性，表层水温，藻类种类、浓度及分 布等，其他还有病原体、油类。其中研究最多的是藻类与悬浮性颗粒的光谱反应， 对于纯净水体在可见光与近红外波段的光谱特性研究的比较成熟。水污染可分 为泥沙污染、石油污染、废水污染、热污染和水体富营养化囹。利用航空热 红外扫描图像确定热电厂排水口处水体的热污染；利用SAR图像确定海面油污 染的范围及用红外扫描仪确定油膜的厚度；利用TM图像确定水生物（藻类）、赤 潮的范围等等都是遥感技术应用的例子。下图1为遥感图像处理分析的过程。原始遥感图像前处理图像大气校正数据融合图像几何校正彩色空间变化处理后图像统计模型运算T 后处理 实测参数
7、校正各种专题图产品图1遥感图像处理过程简图1.2监测过程根据水质参数选择遥感数据，获得同期内的地面监测的水质分析数据。现今 广泛使用的遥感图象波段较宽，所反映的往往是综合信息，加之太阳光、大气等 影响，遥感信息表现的不甚明显，要对遥感数据进行一系列校正和转换将原始数 字图像格式转换为辐射值或反射率值。然后根据经验选择不同波段或波段组合的 数据与同步观测的地面数据进行统计分析、检验后得到模型方程（见图2）6。图2遥感监测水质步骤简图二、水质监测的方法2.1常规遥感的水质监测遥感的本质是反演，通过传感器收集大量的水体信息，对收集的信息处理后得出与水质参数的关系。常规的遥感水质反演方法有：分析方法、
8、经验法、半经 验法（见表1）。表一分析方法、经验法、半经验的区别口分析方法经验法半经验法原理以辐射传输模型为基础，利 用遥感反射率计算水中实际吸 收系数与后向散射系数的比值， 与水中各组分的特征吸收系数、 后向散射系数相联系，反演组分 含量通过建立遥感数据与地面监测的水质参数值之间的统计关系外推出水质参数值将已知的水质参数 光谱特征与统计模型相 结合，选择最佳的波段 或波段组合作为相关变 量估算出水质参数值的 方法优缺点八、此方法对于多波段反演特别有用，且具有普遍适用性。但由于理论基础尚不成熟， 模型 的假设使预测值不能满足需要。由于水质参数与 遥感数据之间的事实 相关性不能保证，所以 该种方
9、法结果缺乏物 理依据。受特定的时间与区域影响。2.2神经网络法神经网络法模仿人类的大脑进行数据的接受、处理、贮存、传输的过程，能 实现多个水质参数的同时反演，是一种高度复杂的非线性动力学系统。由于水体 中各种杂质对于光谱的相互影响是一个不确切的内容，而人工神经网络是一个黑 箱模型，可以模拟这种不确定性，所以神经网络可以监测多种水体参数而不是单 一的，更加符合实际需求。但是此方法在构建和训练时需要大量的时间，并且模 型的设计与训练方法需要有经验操作，无法从原理上解释个输入变量与输出变量 之间的关系，也就是说，神经网络法无法从原理对水体富营养化的主导因子进行 解释8。2005年石爱业用各自相应的神
10、经网络进行处理，然后对神经网络输出的 结果做归一化处理，再利用D-S证据理论进行数据融合，最终给出水质的识别 结果。此方法能提高水质识别的可信度。2006年提出了一种基于知识和遥感图 像相结合的神经网络水质反演模型，具有更高的反演准确性。据研究得知对总悬 浮物浓度估测来说，神经网络模型的平均相对误差为18.97%，经验模型的平均 相对误差为28.01%；对无机悬浮物浓度估测来说，神经网络模型的平均相对误 差为20.4%，经验模型的平均相对误差为43.65%。因此，无论是估算总悬浮物 浓度，还是无机悬浮物浓度，无论从建模样本的建模精度，还是测试样本的误差 分析，神经网络模型都优于经验模型。三、当
11、前应用于湖泊监测的数据源航空遥感数据（多光谱遥感数据）：航空遥感机动灵活，可根据需要选择空 间分辨率和传感器，能根据天气选择飞行时间，是卫星遥感所不能代替的。并且 高分辨率对表面水质参数具有更高的反演能力10。光谱卫星数据：从宏观上监测水质，卫星遥感毫无疑问是十分有效的技术， 但是由于其分辨率不是很高还是受到了限制，在新型高分辨星载成像光谱仪的上 天，光谱卫星数据将得到新的发展mi。雷达卫星数据：穿透能力强，不受光照、气候条件的限制并且空间分辨率较 高。高光谱遥感数据12:是指利用很多很窄的电磁波段从感兴趣的物体中获取 有关数据。其可以分离成几十个甚至数百个很窄的波段来接收信息，每个波段宽 度
12、均小于10nm，所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱 的覆盖范围从可见光到热红外的全部电磁辐射波谱范围。而常规的遥感传感器只 有几个或者十几个波段，在电磁波段上不连续。因此此方法具有高分辨率、波谱 连续性强的优点，越来越受到重视。但是由于其数据分析、缺乏通用的成像光谱 仪处理系统进行成像光谱数据存储、分析，因而限制了其发展。表二常使用的数据源数据源一般情况最好适用波段和水质指标备注TMTM5的 17波 段都可透明度、Chl-a、CDOM、TSM均有可适用； 清水时，可见光反射率低，TM3反射率低； 多藻时TM3、4反射率高；水华时TM4、5对于这样多维的大量的信息，应当7个波
13、段数据作为7个变量，通过主成分以用于 水质识 别，14 波段(可 见光到 红外线) 提供的 信息最 多。很高；泥沙时TM3反射率很高，其它的波 段也相应提高TM2与SD和Chl-a相关好， TM3与浑浊度相关好，TM3/ TM2比值是估 计总悬浮物和透明度有效指标。水体中兰藻 增加。对悬浮物的判读最佳波段产生了影 响。虽然TM3与悬浮物之间有一定相关性， 但TM4与悬浮物也存在很好的相关。分析，将显著且独立的信 息尽可能少地提取出来， 作合成图像。TM对于水质 遥感不足：TM1、2、3相 关性较好，因为这三个波 段处在可见光范围内，某 些地物有可见光区的反射 一致性，如泥沙。SPOT由于SP
14、OT光谱 分辨率 更低，因 此用SPOT进行 水质遥 感研究 的人并 不多。650750nm反射率最高，悬浮物浓度01 200mg/L之间，反射率反映1%30%，而6 00nm以上黄色物质吸收几乎为0，不对悬浮 物光谱构成影响，因此650750nm对于悬 浮物来说，是一个很好的波段，而SPOT2 位于这个波段之内，也相当于TM3。SPOT 1(500590nm)对悬浮物也有所表现，而SP OT3表现不明显。而SPOT3/SPOT1和SPO T3/SPOT2效果要比单波段要好，正确率在 65%。SPOT各波段在高浑 浊度时呈饱和反射：SPOT 1 和 SPOT2 在 500mg/L 时 就饱和了
15、，原因可能是镜 面反射的结果，因此高浑 浊度时SPOT不太适用。MODIS1、2、8、9以及1314、15、16波段均可用 水质遥感，可以解释浑浊度和TSM以及Ch l-aMERISMERIS7/9 与 Chl-a 相关好，9/12 与 TMS 相 关性好，以705为中心的波段与Chl-a相关 最好。Catherine Ostlur2cd 等在 CASI 上模 拟MERIS适用波段建立水质模型。MERIS发射比较晚，在其 发射之前，有人用航空光 谱仪模拟MERIS的适用波 段，效果较好。AVHRR蓝藻Chl-a使水体近红外反射率明显上 升，基于这一光谱特征及蓝藻的飘浮特征， 可用NOAA监测水华的分布。7001100n m对于纯水是下降区，对于水华则是高反射区，正CH2的波段范围。另外CH7(4304 80nm)、CH8(480530nm)，CH9(530580 nm)也有一定适用性。航空传感器为了研究RS水质的可行性，芬兰赫尔辛基 大学空间技术实验室与芬兰环境研究所在1 993-1998年，进行4次航空遥感和地面采样 调查，这也是欧盟支持的SALMON项目的 一部分。AISA、CASI就是SALMON计划 中的机载传感器。Catherine Ostlurcd等用C ASI 的 6 7 8 9 10 1
