高光谱遥感技术在水环境监测中的应用探讨

何婷

【摘要】：本文从高光谱技术和遥感技术及其优势谈起，重点探讨了高光谱遥感技术应用于水环境监测的优势所在，介绍了目前在水环境监测作业中收集高光谱数据的常用手段以及高光谱遥感技术应用水环境监测的实例。

【关键词】：高光谱；遥感技术；水环境；应用

1 高光谱遥感技术

高光谱即高光谱分辨率，指的是由许多段窄电磁波波段连接而成的连续的光谱曲线，每一小段电磁波波段通常小于十纳米。遥感是指，在对探测目标的特性进行探测时，探测仪器不直接与探测目标相接触，而是通过接收、记录、分析探测目标的电磁波特性信息来判断探测目标的特征性质及其变化。

高光谱遥感技术兴起于二十世纪八十年代，是一种较为新型的观测技术。与传统的遥感技术相比，高光谱遥感技术具备许多优越性。

第一，高光谱由更多的波段组成，数据量随着波段数的增加呈指数性增长。第二，相邻波段间相关性高，光谱曲线完整、连续。能够探测到宽光谱遥感探测不到的物质。第三，高光谱波段具备高分辨率特性，可以反映物质的细微特征，探测数据更为精细。第四，可以提供空间域和光谱域双重信息，另外，地面实测的光谱曲线可以和成像光谱仪得到的光谱曲线相类比。

2 高光谱遥感技术在环境监测领域的运用

遥感技术可以及时有效的监测环境变化，而高光谱数据以其优越性提高了变化监测的精度。目前主要将高光谱遥感技术应用于生态、大气、地质、水环境等领域。

对大气污染源分布、热污染的监测、污染源周遭扩散条件、污染源扩散影响范围等等的调查都可以用高光谱遥感技术实现。例如：将遥感仪器放置于卫星上，我们就能从卫星的影像上清晰地看到具有热红外波段的焚烧点，实现对全国焚烧点的监测。

高光谱遥感凭借其纳米级的光谱分辨率被应用于生态领域，主要研究方向是植被识别、叶面指数计算、植被指数提取、生物量估算分析方面。

在地质领域，人们可以利用高光谱遥感获取岩石和矿物的吸收反射等数据来辨别矿物岩石的种类并对地质环境进行填图勘察。

3 在水环境监测中的应用

3.1 水环境遥感监测原理

藻类，溶解性有机物，化学物质，水中悬浮物，油类物质，热释放物，病原体等等，都是作为水环境评估依据的参数。不同物质的光谱特征不同，例如，由黄色物质、藻类、藻青蛋白、叶绿素a等将会依次吸收波长分别为400～ 500 nm、560～ 590 nm、624 nm及675 nm的波长引起内水体反射波谱。不同的水质由于含有以上水中物质的成分不同，会在遥感图像中反映出不同的色段和变化。根据这一特性，就可以利用遥感技术收集水环境的光谱数据并分析出水环境特征。被污染的水质具有独特的光谱特征并区别于清洁水质。

3.2 检测仪器

高光谱数据的获取可以通过两种设备仪器实现：非成像光谱仪和成像光谱仪。

非成像光譜仪常见的有便携式超光谱仪和野外光谱仪等，地物的光谱反射率是以图形等形式记录而非影像形式。非成像光谱仪主要用于表面校准机载成像光谱仪测量水质参数，以及在野外对水体光谱反射曲线的测量。成像光谱仪将图像与地物光谱测量结合，“图谱合一”，成像光谱仪也叫高光谱成像仪。成像光谱仪的使用一般有三种方式：一是搭载在航天飞行器中，二是以小型飞机作为搭载平台，三是把成像光谱仪放置于地面。这三种方式都可以作为水环境检测的手段，在实际工作中根据具体情况考虑研究经费、水环境面积和观测是否需要移动等因素对这些手段作出选择或者搭配。

3.3 实际应用

在水环境监测中，利用高光谱遥感技术收集探测目标的光谱特性后，主要进行以下几方面的分析：根据水体光谱反射率来计算水环境中的泥沙含量可行性和最佳波段；探测水体深度可行性；对波谱数据进行相关性分析，评估内陆水体污染程度；通过水体的光谱特征分析判断水环境的污染类型。回归分析和预测是环境遥感监测中最常用的分析方法。

PHI成像光谱图像可以对赤潮生物优势物种进行识别；高光谱图像能够反映悬浮物含量、叶绿素富集度、水体深度等水体的特征。赤潮水体与正常海水之间，不同优势藻类之间的赤潮光谱特征均存在显著差异，成像光谱技术在检测赤潮方面可以大展身手。

以下是将高光谱遥感技术应用于现实生活中水体环境检测的真实事例，通过这些例子，我们能够更加直观的感受高光谱遥感技术在水环境检测领域的实际应用。

例如：美国“ 9.11”爆炸后，USGS用AVIRIS成像光谱仪对世贸中心废墟及其附近地区遥感成像，制作而成水体沉积物分布图。[1]有国外研究者用交叉相关算法探测海水的若丹明（一种红色荧光染料）的浓度。[2]我国的大型监测站正在使用成像光谱仪对海洋灾害（赤潮、海面溢油、河口污染等）进行监测，并且建立了应用模块。有研究者在太湖、滇池进行了水环境监测和动态跟踪研究，他们通过水面超光谱测试、成像光谱仪航空成像以及卫星资料，获得大量可靠资料，对水面反射率与污染物浓度进行相关分析，得到获取叶绿素a浓度和总悬浮物浓度信息的最佳光谱通道。在863西部金睛行动中，我国研究者进行了水体光谱反射率计算泥沙含量的可行性和最佳波段选择研究以及高光谱遥感识别水污染程度和水体深度的方法研究。[3]

总结

将高光谱遥感技术应用于水环境监测为更好地完成监测工作提供了强大保障。目前我国的许多研究者，已经身体力行地将这一技术应用于了水体检测中，取得了较好的应用效果，高光谱图像技术在水环境监测领域的优势毋庸置疑。在未来，高光谱遥感技术在水环境监测中的应用前景十分广阔，挖掘新型遥感数据、水质检测模型空间拓展等领域还有十分巨大的研究潜力。

【参考文献】：

[1] http：//geology.cr.usgs.gov/pub/open- file- reports/ofr- 01-0429/imspec.html[EB/OL].

[2] Danaher S， O'Mongain E， Walsh J.A new cross- correlation al-gorithm and the detection of rhodamine- B dye in sea water[ J].INT.J. Remote Sensing，1992，13（9）：1743- 1755.

[3] 万余庆，张凤丽，闫永忠.高光谱遥感技术在水环境中的应用研究[J].国土资源遥感， 2003，（3）：10- 14.

[4] 李东升，殷悦.高光谱遥感成像技术及在水环境监测中的应用.《工程技术：文摘版》.2016