楊林華

（廣東景源環(huán)保有限公司，廣東 佛山 528200）

1 遙感技術(shù)基本概述

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理工作涉及面比較廣，是一個(gè)動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)期、大規(guī)模的工作，其管理工作有很多種，比如地方生態(tài)環(huán)境保護(hù)部門自查，或是上級(jí)生態(tài)環(huán)境主管部門檢查以及社會(huì)監(jiān)督。環(huán)境管理部門如果繼續(xù)采用常規(guī)的實(shí)地考察方法，不僅工作量大且時(shí)間短，很難獲得相關(guān)資料，還要花費(fèi)巨資進(jìn)行升級(jí)，尤其在邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于地域和裝備等原因，很難進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，其中遙感技術(shù)在環(huán)境生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用范圍在逐漸擴(kuò)大。遙感技術(shù)的工作原理是借助改變目標(biāo)的反射和輻射波探測(cè)與識(shí)別待測(cè)物體，準(zhǔn)確獲取一些地球表面地理空間數(shù)據(jù)信息的一種技術(shù)。遙感技術(shù)是基于現(xiàn)代物理學(xué)、空間學(xué)、地理科學(xué)以及計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)共同發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，實(shí)用性與探測(cè)性能較高，在人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射后，為遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)[2]。在當(dāng)前現(xiàn)代化遙感技術(shù)中已經(jīng)涉及到對(duì)物體數(shù)據(jù)信息的獲取、傳輸保存及處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，通過利用遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確對(duì)圖像進(jìn)行定量和定性分析，準(zhǔn)確掌握待測(cè)物體的實(shí)際情況，具有動(dòng)態(tài)、宏觀等綜合性特點(diǎn)，可以幫助工作人員快速準(zhǔn)確了解地理環(huán)境信息，因此在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮出顯著的作用。

2 常用的遙感技術(shù)

2.1 紅外遙感技術(shù)

紅外遙感技術(shù)主要是指僅限于使用紅外波的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，一般適用范圍為0.77～1 000 μm。水生態(tài)環(huán)境管理通過充分利用紅外遙感技術(shù)，可以對(duì)水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)內(nèi)容呈多樣化，例如包括水色、水溫、水質(zhì)或者水華，所以其可以為管理人員提供多樣化水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，因?yàn)檫b感技術(shù)在應(yīng)用期間對(duì)于各種不同水質(zhì)表現(xiàn)出較高敏感性，所以借助紅外遙感技術(shù)，可以及時(shí)掌握水體污染和多光譜反射率的關(guān)系，以達(dá)到水污染遙感反演的目的[3]。另外，紅外遙感技術(shù)可以發(fā)揮出多光譜信息和高分辨率特點(diǎn)，所以充分應(yīng)用可見光與近紅外波段的特點(diǎn)，可以科學(xué)地反演水環(huán)境污染的分布變化情況，從而能夠加強(qiáng)對(duì)水污染分布的監(jiān)測(cè)，有助于管理人員更加準(zhǔn)確地掌握相關(guān)信息。由此可見，光遙感技術(shù)作為一種常用的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要是利用各區(qū)域物體光譜反射率的差異原理，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行合理地識(shí)別和查詢?？梢姽夂头瓷浼t外技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，并且在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，合理配合傳感器多個(gè)譜段信息源的復(fù)合，可以改善圖像處理技術(shù)以及信息提取方法，從而增強(qiáng)污染物的識(shí)別功能。

2.2 微波遙感技術(shù)

微波遙感技術(shù)主要是指波長(zhǎng)范圍在1 mm～10 000 m的一種遙感技術(shù)，在應(yīng)用過程中，通過微波傳感器科學(xué)地判讀已識(shí)別的物質(zhì)，得到相應(yīng)的電磁輻射信息。因?yàn)樗w和陸地表現(xiàn)出的電磁輻射特征存在顯著差異，利用該技術(shù)可正確識(shí)別水體，并快速了解海岸線或區(qū)域洪水分布變化的情況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。

2.3 無人機(jī)遙感技術(shù)

雖然目前地球上的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量越來越多，但是在空間分辨率和可用性方面，衛(wèi)星傳感器的分辨率和可用性相對(duì)較低，導(dǎo)致在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的過程中無法準(zhǔn)確管理數(shù)據(jù)信息[4]。但是在使用衛(wèi)星傳感器時(shí)，如果能夠在極短時(shí)間內(nèi)返回周期，需要消耗較大的成本。與傳統(tǒng)衛(wèi)星傳感器相比，無人機(jī)能夠在低空飛行，因此可以避免天氣、云層等因素的影響，從而能更快、更準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)的圖像信息。簡(jiǎn)單來說，無人機(jī)遙感技術(shù)可以應(yīng)用于各種水質(zhì)、空氣以及突發(fā)事件的管理過程。無人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠有效獲取遙感數(shù)據(jù)，而且對(duì)于一些難以采集的區(qū)域，如水體、土壤等，也能實(shí)現(xiàn)有效地采集和監(jiān)測(cè)。

2.4 地基遙感技術(shù)

地基遙感主要是指在地面、低塔或者高塔等位置安裝傳感器，對(duì)地面有效探測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)具有明顯的便攜性，監(jiān)測(cè)效率與準(zhǔn)確度較高，所以在環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.5 高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)主要是獲取較為狹窄光譜連續(xù)圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)，在水環(huán)境檢測(cè)應(yīng)用上可以發(fā)揮重要優(yōu)勢(shì)[5]。與傳統(tǒng)遙感技術(shù)對(duì)比，高光譜遙感技術(shù)具備連續(xù)光譜的特征，可以全面展示監(jiān)測(cè)目標(biāo)各個(gè)細(xì)節(jié)的變化，以獲取準(zhǔn)確信息。

3 遙感技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境管理中的應(yīng)用研究

因?yàn)樗{(lán)藻水華和常規(guī)水體的光譜特征表現(xiàn)出顯著差別，當(dāng)水華達(dá)到700 nm后，光譜自身就會(huì)呈現(xiàn)出明顯的“陡坡效應(yīng)”，該效應(yīng)的具體表現(xiàn)是遙感監(jiān)測(cè)光譜的變化特征。通常水華富集程度表現(xiàn)越高，所對(duì)應(yīng)光譜的峰值也會(huì)逐漸增高，陡坡效應(yīng)表現(xiàn)得就越加明顯[6]。正常水體處在近紅外波段時(shí)，因?yàn)椴话{(lán)藻水華，所以遙感光譜反射率相對(duì)較低，無法表現(xiàn)出陡坡效應(yīng)，但能夠把陡坡效應(yīng)的表現(xiàn)情況，作為判斷水環(huán)境污染的依據(jù)。遙感技術(shù)應(yīng)用在藍(lán)藻水華管理監(jiān)測(cè)時(shí)，主要是對(duì)水華分布位置和面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水華分布一般會(huì)占據(jù)大部分水湖泊面積，所以其分布面積的具體程度，可以從一定程度上反映出水華污染程度，借助地面實(shí)測(cè)技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)并掌握藍(lán)藻細(xì)胞的密度，從而分析和了解水華的具體污染程度。在上述基礎(chǔ)上，利用歸一化植被指數(shù)，可以分析并了解藍(lán)藻水華的生長(zhǎng)狀態(tài)與實(shí)際覆蓋程度。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，只要兼?zhèn)浼t波段數(shù)據(jù)和近紅外波段數(shù)據(jù)，就可以對(duì)藍(lán)藻水華進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以太湖水域藍(lán)藻水華發(fā)生情況為例，從圖1的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻水華頻次分布情況與藍(lán)藻水華強(qiáng)度情況均能夠清晰顯示，所以能夠做到對(duì)重點(diǎn)污染區(qū)域的重點(diǎn)管理。

圖1 太湖藍(lán)藻水華污染示意圖

當(dāng)河流、湖泊等水質(zhì)遭到一定污染后，其所具有的物理特性、化學(xué)特性與生物特性均會(huì)發(fā)生一定變化。通常情況下，各類污染物在電磁波上均表現(xiàn)出不同的吸收或反射特性，個(gè)別化合物對(duì)于某類特定波長(zhǎng)電磁波的影響，還能夠形成特征熒光。因此，通過對(duì)水體中特定電磁波的吸收和反射進(jìn)行檢測(cè)，再由計(jì)算機(jī)和光電儀器進(jìn)行有效處理，就能大致了解水的污染程度和范圍。遙感水污染監(jiān)測(cè)主要是利用水物質(zhì)在光波和電磁波中的反射特性，并結(jié)合物質(zhì)自身的熱輻射特性，對(duì)水體中的物質(zhì)和化合物進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。對(duì)于化學(xué)污染物，可采用熒光特性探測(cè)方法對(duì)污水中的一些懸浮物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，利用紅外遙感技術(shù)可以合理地測(cè)量水溫、繪制水體等溫線圖，而且利用紫外攝影技術(shù)可以勘查地表油膜，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以有效追蹤油膜的移動(dòng)方向。

4 多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用研究

城市黑臭水作為水生態(tài)環(huán)境管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在對(duì)城市黑臭水監(jiān)測(cè)過程中，因?yàn)槌鞘薪ㄖ镙^多，使黑臭水分布呈現(xiàn)出復(fù)雜性與多樣化，如果使用傳統(tǒng)遙感技術(shù)進(jìn)行管理，難以取得理想效果。例如可見光遙感技術(shù)，在應(yīng)用時(shí)只可以通過“紅、綠、藍(lán)”三個(gè)波段，所以在監(jiān)測(cè)植被、水體、黑臭水污染程度時(shí)，難以收集準(zhǔn)確信息，無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且難以有效監(jiān)測(cè)城市河道的指標(biāo)[8]。而衛(wèi)星遙感技術(shù)實(shí)時(shí)性較差，精準(zhǔn)性較低，如果單獨(dú)使用該技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別細(xì)小河流的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，特別是黑臭水漂浮物、具體分布情況等，均難以得到有效監(jiān)測(cè)與管理。為了能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感技術(shù)應(yīng)用的不足，近幾年逐漸采用多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)的管理方案，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的有效管理與監(jiān)測(cè)。具體應(yīng)用如下：首先，多光譜遙感技術(shù)主要是通過具有多個(gè)波譜通道的傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)物成像的一種先進(jìn)技術(shù)，由于可以應(yīng)用多波段攝影機(jī)與掃描儀等設(shè)備完成成像，所以可以獲取更加豐富的信息，且可以促使遙感信息逐漸精細(xì)化，獲取良好的成像效果。在此基礎(chǔ)上，再配合無人機(jī)技術(shù)，可以使遙感監(jiān)測(cè)具備更高的靈活性，且聯(lián)合方案可以同時(shí)開拓5～6個(gè)通道，能夠解決傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取可見光信息量少的問題，并且獲取數(shù)據(jù)的靈活性與準(zhǔn)確性更高，可以清晰地顯示監(jiān)測(cè)水環(huán)境各個(gè)流域的生態(tài)污染情況，有助于管理人員對(duì)生態(tài)環(huán)境的管理[9]。

以某座城市黑臭水河流為例，針對(duì)當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，應(yīng)用無人機(jī)與多光譜遙感技術(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)管理，實(shí)際作業(yè)長(zhǎng)度12 km，設(shè)備選擇經(jīng)緯M210四旋翼無人機(jī)，在無人機(jī)上裝置MS600Pro6通道多光譜相機(jī)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)管理中，首先應(yīng)該獲取河道的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并操作無人機(jī)完成遙感攝影作業(yè)，做好影像輻射定標(biāo)工作，可通過攝影進(jìn)一步分析其中的DN值，以確定地物真實(shí)反應(yīng)率。此次飛行工作時(shí)間一共是130 m，因?yàn)樵诙喙庾V攝像作業(yè)期間，外界光線變化可能會(huì)對(duì)作業(yè)造成影響，所以選擇攝像時(shí)間應(yīng)從早上10點(diǎn)到下午三點(diǎn)[10]。當(dāng)所有數(shù)據(jù)獲取工作完成后，借助Yusense Map與專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將分析結(jié)果繪成圖并制作出報(bào)告，如此一來可以快速減輕數(shù)據(jù)處理工作量，實(shí)現(xiàn)了水生態(tài)環(huán)境的有效管理。

5 遙感技術(shù)在水環(huán)境檢測(cè)過程中的實(shí)際應(yīng)用案例分析

5.1 遙感技術(shù)在水體渾濁度檢測(cè)中的應(yīng)用分析

從表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)水體混濁度時(shí)，波段為800±100 nm時(shí)檢測(cè)效果最佳。當(dāng)混濁度為0度時(shí)，測(cè)量結(jié)果的價(jià)值不大。在實(shí)際檢測(cè)中需要調(diào)整固定的波段，保證能獲取水體的具體圖像信息，最終準(zhǔn)確掌握?qǐng)D像中出現(xiàn)波峰區(qū)域的水體渾濁度。20世紀(jì)中期就已經(jīng)出現(xiàn)了水體渾濁度的檢測(cè)，是使用非常傳統(tǒng)的樣本分析法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍非常復(fù)雜，檢測(cè)結(jié)果所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。而遙感技術(shù)應(yīng)用于水體渾濁度檢測(cè)是根據(jù)物體自身的光譜反射特征獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)，一般是根據(jù)光譜影像的差異進(jìn)行判斷和分析。有學(xué)者認(rèn)為，水體中懸浮物質(zhì)的多少直接影響光譜的衰減系數(shù)，極易穿透的波段從0.50 μm向紅色區(qū)域逐漸移動(dòng)?？傊?，水體渾濁度較高會(huì)導(dǎo)致入射光散射中的深度變淺，最終提高了相應(yīng)的反射率，更容易獲取水體渾濁度的數(shù)據(jù)信息。

表1 水體渾濁度及散射率之間的關(guān)系

5.2 遙感技術(shù)在水體熱污染檢測(cè)中的應(yīng)用分析

企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中，經(jīng)常會(huì)向水體排放廢熱或在日常生活中排放廢熱導(dǎo)致環(huán)境污染，影響整個(gè)水體的環(huán)境質(zhì)量。對(duì)水體中熱污染的監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)水體中各種污染物質(zhì)的種類、數(shù)目，再對(duì)水體進(jìn)行全面分析，并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息繪制成特定的曲線，從而能夠更加形象地表達(dá)出各種污染物質(zhì)及其具體數(shù)量。在此過程中，也有專家提出溫度分析法，但是該種方法與遙感技術(shù)方法存在較大差別，在檢測(cè)水體熱污染物時(shí)，不能準(zhǔn)確辨別污染元素。污染物種類不同會(huì)對(duì)水體熱污染造成影響，使水體自身的熱污染產(chǎn)生一些差別，一般會(huì)增加水體中的污染物數(shù)量，因而利用遙感技術(shù)所生成曲線的變化就更復(fù)雜。如果污染物的種類單一但是數(shù)目較多，曲線會(huì)呈現(xiàn)出特異性，水體熱污染的等級(jí)與整個(gè)遙感技術(shù)曲線的關(guān)系見圖2，熱污染級(jí)別與曲線的變化關(guān)系見表2?？傊?，在當(dāng)前檢測(cè)水體熱污染過程中，通過應(yīng)用遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確反映污染物等級(jí)，并根據(jù)數(shù)據(jù)所形成的遙感曲線，進(jìn)一步準(zhǔn)確地確定具體污染元素的種類、數(shù)量及水體的實(shí)際情況，遙感曲線特異性的誤差僅控制在2%以內(nèi)，而當(dāng)前誤差可以控制在≤1%的范圍，進(jìn)一步保證了遙感技術(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表2 熱污染等級(jí)與曲線變化的關(guān)系

5.3 高光譜技術(shù)用于探測(cè)水體深度的具體分析

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)波長(zhǎng)處于350～1 150 nm時(shí)水體的深度會(huì)逐漸增加，同時(shí)光譜反射率會(huì)下降。如果波長(zhǎng)超過上述范圍時(shí)，反射率會(huì)迅速下降，但是波長(zhǎng)如果在368～1 831 nm范圍內(nèi)，水體的深度與反射率之間存在指數(shù)關(guān)系，水體深度測(cè)量結(jié)果的誤差一般小于1 cm。如果水體深度超過10 cm之后，水體的反射率會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果可靠性降低。為了進(jìn)一步保證使用高光譜技術(shù)探測(cè)水體深度結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)波長(zhǎng)在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)圖進(jìn)行了分析（如圖2），可以看出指數(shù)的具體數(shù)值與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的誤差僅為0.29 cm，因此，可以通過波長(zhǎng)在433 dnm及周邊光譜進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確獲取相應(yīng)的水體深度數(shù)據(jù)。此外，相關(guān)工作人員可以根據(jù)水深度等數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確了解水體深度達(dá)到一定程度時(shí)所含有的污染物，為后期制定水體污染防治措施提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 波長(zhǎng)在433 nm處的指數(shù)和線性曲線以及相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)語

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，尤其是水生態(tài)環(huán)境問題，所以水生態(tài)環(huán)境管理已經(jīng)成為國(guó)家高度重視的一項(xiàng)工作。在水生態(tài)管理過程中，遙感技術(shù)能夠發(fā)揮出重要作用，所以管理部門應(yīng)正確了解并掌握遙感技術(shù)，并合理應(yīng)用，通過配合實(shí)際案例，確保遙感技術(shù)在水環(huán)境管理中發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高水生態(tài)環(huán)境管理效果，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。