卫星遥感技术在水污染监测方面应用现状

殷碧涛 万林波 张哲语

(武汉理工大学,湖北武汉 430070)

中国今年来的飞速发展带来的不仅有社会财富的大量积累,还有生态环境的不断破坏,水环境的严重破坏不仅制约社会发展更对人们的身心健康有极大的影响。使用卫星遥感技术做到水质污染早发现、早治理、全程监测对社会健康发展有重要意义。

1 中国传统水质监测方法与卫星遥感技术监测原理

1.1 传统监测手段存在的问题

监测水质的传统方式主要为在各地设立环境监测中心站,在各个湖泊、河段设立监测断面,在断点取样再进行化学分析,受天气等多方面因素影响,耗时耗力,同时因整个被监测流域通常跨越多个行政区域,导致各区段信息交流、整合难度大难以实现全流域整体污染情况的实时监测。另一方面,因地区差异,某些地区政府的工作人员出于自身利益及在位政绩等原因包庇地方污染企业,阻挠环保工作人员正常取样检测、对当地环保局施加压力、将环境污染情况不如实上报等人为因素都会导致整体监测结果失真。所以传统监测手段仍有不少弊病需要改进。

1.2 遥感技术监测原理

物质的波普特性可以反映出其自身的属性及状态,而水体的光谱特征主要由其所含的各种光学活性物质对电磁波的吸收、反射及散射所决定的。水体中的泥沙会导致水体浑浊,可见光的反射峰值主要出现在波长577-770nm的波段;富营养化水体(氮磷超标)中所包含大量藻类,藻类中的叶绿素等光合色素对蓝绿光的吸收能力弱;而富含有机物的水体因分解有机物需消耗大量氧气会导致水体发黑;水体热污染则会产生异常的红外辐射。通过遥感系统量测一定波长范围的水体的辐射值得到的水体的光谱特征是遥感监测水体水质的基础。遥感获取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[1]。

1.3 监测方法

在水质遥感监测的过程中常使用的方法有物理方法、经验方法、半经验方法三种。

1.3.1 物理方法

物理方法的理论依据来自于大气辐射传输理论和模型,需要使用遥感设备测得的反射率等数据和相关的光学性质系数,计算水中实际吸收系数和后向散射系数的比值,进而与水中各组分所有的特征吸收系数、后向散射系数进行联系,反演水体中组分含量,国内的邓孺孺按照物理方法的流程,对悬浮物进行了遥感反演,其中包含一次、二次的散射的水质反演模型[2]。但是目前这种方法使用的模型假设内容多,精度不高。

1.3.2 经验方法

经验方法是多光谱遥感数据在水质监测方面投入应用后发展起来的一种方法,和物理方法相似都是建立辐射传输模型。这类算法的经验关系式目前已被确定了下来,一般形式为

其中Y为遥感测量值;X为水质参数;A、B为待定系数。虽然经验法较物理法有所完善但是受水质参数和遥感数据之间的相关性影响,其精度仍然不高。

1.3.3 半经验法

在90年代以后,高光谱遥感技术开始在水质监测方面应用,半经验法随之发展起来。其主要根据机载或星载设备测量水质参数光谱特征来选择估算水质参数的最合理的波段或波段组合,近年来国内外学者使用此方法对对湖泊等水域的浑浊度、可见度的监测都取得了较高的监测精度。

2 中国卫星遥感应用的发展现状

自70年代以来,我国高度重视遥感技术发展与应用,对遥感技术的发展给予重点支持,跟踪国际技术前沿并努力创新,在遥感技术系统、遥感应用系统、G I S等方面均取得突出进步。

首先,建立了国家级资源环境宏观信息服务体系。该服务体系包括以中国l：25万土地利用数据为核心的国家资源环境空间数据库,两个部级服务系统,三个省级示范系统及五个县级服务系统,珠江三角洲地区“4 D”(数字高程模型DEM、数字正射影像库DOQ,数字专题地图库DR G和数字专题信息DT I)技术系统以及全国资源环境信息技术系统。

其次,建立了灾害遥感监测评估业务运行系统该。洪涝、干旱、林火和雪灾的宏观动态监测与评估系统,已具备针对中国范围内发生的多种自然灾害的宏观动态监测和成灾区的区域覆盖评估的能力;系统通过网络通信同其它子系统实现产品传送和数据共享,并以VSAT和INTERNET网络通信方式向应用部门提供防灾减灾信息服务。机载S A R数据实时传输系统,实现了3米SAR图像的实时网络远程传输、地面接收和处理;它可以针对3米SAR图像进行7种功能的实时处理。

在国家空间数据基础设施建设方面,中国有关部门已建成10个基础地理信息数字化生产基地,开展了信息共享与标准化研究,实现了地理信息产品的规模化生产。目前已建成中国l：400万、l：100万、1：25万摹础地理数据集。七大江河流域重点防范区l：l万和1：5万基础地理数据集[4]。在科技部的支持下,以推动空间信息技术及其产业发展为目标的国家级空间信息共享和服务平台“中国空间信息网”于1999年开始建设,现已初具雏形。

从1970年4月24日至今我国已成功发射和即将发射共10余类,近百颗自行研制的卫星。目前,我国已初步形成了气象、海洋、资源等多个系列的遥感卫星体系,遥感卫星发展正由试验阶段进入应用阶段,取得了长足进步。尽管如此,我国在遥感器性能、数据品种等方面与世界先进水平仍存在一定差距。

3 中国卫星遥感技术发展过程中存在的不足与问题

3.1 环境遥感监测应用关键技术研究薄弱

自进入21世纪以来,我国环境遥感技术得到了快速的发展,但环境遥感监测应用关键技术研究较为薄弱。我国环境遥感应用技术从数据处理、应用模型开发、参数反演、专题数据生产到业务应用系统开发仍然有许多关键技术未能解决。此外,现有环境遥感监测应用技术研究多表现为经验性和局部性,系统性和实用性较差,与国际先进的环境遥感应用研究水平和环境遥感监测实际需要存在很大差距,难以满足环境遥感监测业务化运行的大范围、多目标、多专题、定量化的需要。

3.2 环境遥感监测专用卫星载荷严重匮乏

目前我国没有专门用于环境保护的卫星有效载荷。风云气象卫星系列、海洋卫星系列、主要是针对大尺度天气情况、海洋水色遥感监测和预报,国土、矿产等资源调查而设计,这些卫星有效载荷虽然部分可用于环境监测,但是功能非常有限。环境一号A、B卫星有效载荷空间分辨率(30～300m)、时间分辨率(2～4d)、光谱分辨率不够高,光谱段设置不够合理,没有携带专门针对环境监测的卫星有效载荷。环境遥感监测专用卫星载荷的缺乏已经对环境管理的效能造成了严重制约。

3.3 应用系统建设滞后、业务化程度不高

我国有些卫星虽然在轨运行,但地面应用系统未建成或尚不健全,严重影响了卫星社会经济效益的发挥,造成了很大的资源浪费。经过多年的努力,环保部门初步形成了一套环境遥感监测与评估业务流程,但距离环境遥感监测业务化运行尚有较大差距。由于遥感技术普及程度不够高,技术人员对遥感技术比较陌生,使得遥感技术难以发挥应有的作用。

4 结语

虽然二十多年来中国卫星遥感技术有了长足的发展,但是与国际尖端水平相比仍然存在差距,在信息网络构建和卫星资源利用方面有待健全。随着新环保法应用及国家对污染治理工作的重视程度不断提升,中国相关方面的技术发展与应用将在短时间内取得大量突破性进展。

[1] 周艺,周伟奇,王世新,等.遥感技术在内陆水体水质监测中的应用[J].水科学进展,2004,15(3)：312-317.

[2] 李海元.面向水质监测的遥感影像反演关键技术研究[D].电子科技大学,2016-06.

[3] 刘灿德,何报寅.水质遥感监测研究进展[J].世界科技研究与发展,2005,(10)：41.

[4] 陈文召,李光明,徐竟成,等.水环境遥感监测技术的应用研究进展[J].中国环境监测,2008,(3)：6-11.