遥感技术在水生态环境管理中的应用分析

杨林华

（广东景源环保有限公司，广东 佛山 528200）

1 遥感技术基本概述

水生态环境监测和管理工作涉及面比较广，是一个动态、长期、大规模的工作，其管理工作有很多种，比如地方生态环境保护部门自查，或是上级生态环境主管部门检查以及社会监督。环境管理部门如果继续采用常规的实地考察方法，不仅工作量大且时间短，很难获得相关资料，还要花费巨资进行升级，尤其在边远地区，由于地域和装备等原因，很难进行有效的监督和管理[1]。

随着经济的快速发展，进一步促进了科学技术的飞速发展，其中遥感技术在环境生态建设中的应用范围在逐渐扩大。遥感技术的工作原理是借助改变目标的反射和辐射波探测与识别待测物体，准确获取一些地球表面地理空间数据信息的一种技术。遥感技术是基于现代物理学、空间学、地理科学以及计算机等多种技术共同发展的一项技术，实用性与探测性能较高，在人造地球卫星成功发射后，为遥感技术的发展与应用奠定了重要基础[2]。在当前现代化遥感技术中已经涉及到对物体数据信息的获取、传输保存及处理等多个环节，通过利用遥感技术可以准确对图像进行定量和定性分析，准确掌握待测物体的实际情况，具有动态、宏观等综合性特点，可以帮助工作人员快速准确了解地理环境信息，因此在生态环境监测中发挥出显著的作用。

2 常用的遥感技术

2.1 红外遥感技术

红外遥感技术主要是指仅限于使用红外波的遥感监测技术，一般适用范围为0.77～1 000 μm。水生态环境管理通过充分利用红外遥感技术，可以对水环境进行科学监测，且监测内容呈多样化，例如包括水色、水温、水质或者水华，所以其可以为管理人员提供多样化水环境监测数据信息。同时，因为遥感技术在应用期间对于各种不同水质表现出较高敏感性，所以借助红外遥感技术，可以及时掌握水体污染和多光谱反射率的关系，以达到水污染遥感反演的目的[3]。另外，红外遥感技术可以发挥出多光谱信息和高分辨率特点，所以充分应用可见光与近红外波段的特点，可以科学地反演水环境污染的分布变化情况，从而能够加强对水污染分布的监测，有助于管理人员更加准确地掌握相关信息。由此可见，光遥感技术作为一种常用的环境监测技术，主要是利用各区域物体光谱反射率的差异原理，对目标物进行合理地识别和查询。可见光和反射红外技术在国内发展已经逐渐成熟，并且在进行环境监测过程中，合理配合传感器多个谱段信息源的复合，可以改善图像处理技术以及信息提取方法，从而增强污染物的识别功能。

2.2 微波遥感技术

微波遥感技术主要是指波长范围在1 mm～10 000 m的一种遥感技术，在应用过程中，通过微波传感器科学地判读已识别的物质，得到相应的电磁辐射信息。因为水体和陆地表现出的电磁辐射特征存在显著差异，利用该技术可正确识别水体，并快速了解海岸线或区域洪水分布变化的情况，实现科学管理。

2.3 无人机遥感技术

虽然目前地球上的观测卫星数量越来越多，但是在空间分辨率和可用性方面，卫星传感器的分辨率和可用性相对较低，导致在实际监测环境变化的过程中无法准确管理数据信息[4]。但是在使用卫星传感器时，如果能够在极短时间内返回周期，需要消耗较大的成本。与传统卫星传感器相比，无人机能够在低空飞行，因此可以避免天气、云层等因素的影响，从而能更快、更准确地获取相应的图像信息。简单来说，无人机遥感技术可以应用于各种水质、空气以及突发事件的管理过程。无人机遥感技术不仅能够有效获取遥感数据，而且对于一些难以采集的区域，如水体、土壤等，也能实现有效地采集和监测。

2.4 地基遥感技术

地基遥感主要是指在地面、低塔或者高塔等位置安装传感器，对地面有效探测的一项技术，因为该技术具有明显的便携性，监测效率与准确度较高，所以在环境监测中得到了广泛应用。

2.5 高光谱遥感技术

高光谱遥感技术主要是获取较为狭窄光谱连续图像数据的技术，在水环境检测应用上可以发挥重要优势[5]。与传统遥感技术对比，高光谱遥感技术具备连续光谱的特征，可以全面展示监测目标各个细节的变化，以获取准确信息。

3 遥感技术在水生态环境管理中的应用研究

因为蓝藻水华和常规水体的光谱特征表现出显著差别，当水华达到700 nm后，光谱自身就会呈现出明显的“陡坡效应”，该效应的具体表现是遥感监测光谱的变化特征。通常水华富集程度表现越高，所对应光谱的峰值也会逐渐增高，陡坡效应表现得就越加明显[6]。正常水体处在近红外波段时，因为不包含蓝藻水华，所以遥感光谱反射率相对较低，无法表现出陡坡效应，但能够把陡坡效应的表现情况，作为判断水环境污染的依据。遥感技术应用在蓝藻水华管理监测时，主要是对水华分布位置和面积进行监测，水华分布一般会占据大部分水湖泊面积，所以其分布面积的具体程度，可以从一定程度上反映出水华污染程度，借助地面实测技术，可以监测并掌握蓝藻细胞的密度，从而分析和了解水华的具体污染程度。在上述基础上，利用归一化植被指数，可以分析并了解蓝藻水华的生长状态与实际覆盖程度。因此，在实际应用过程中，只要兼备红波段数据和近红外波段数据，就可以对蓝藻水华进行动态实时监测。以太湖水域蓝藻水华发生情况为例，从图1的分布情况可以发现，蓝藻水华频次分布情况与蓝藻水华强度情况均能够清晰显示，所以能够做到对重点污染区域的重点管理。

图1 太湖蓝藻水华污染示意图

当河流、湖泊等水质遭到一定污染后，其所具有的物理特性、化学特性与生物特性均会发生一定变化。通常情况下，各类污染物在电磁波上均表现出不同的吸收或反射特性，个别化合物对于某类特定波长电磁波的影响，还能够形成特征荧光。因此，通过对水体中特定电磁波的吸收和反射进行检测，再由计算机和光电仪器进行有效处理，就能大致了解水的污染程度和范围。遥感水污染监测主要是利用水物质在光波和电磁波中的反射特性，并结合物质自身的热辐射特性，对水体中的物质和化合物进行监测[7]。对于化学污染物，可采用荧光特性探测方法对污水中的一些悬浮物进行实时检测。另外，利用红外遥感技术可以合理地测量水温、绘制水体等温线图，而且利用紫外摄影技术可以勘查地表油膜，利用卫星遥感技术可以有效追踪油膜的移动方向。

4 多光谱遥感技术联合无人机遥感技术的应用研究

城市黑臭水作为水生态环境管理的一项重要内容，在对城市黑臭水监测过程中，因为城市建筑物较多，使黑臭水分布呈现出复杂性与多样化，如果使用传统遥感技术进行管理，难以取得理想效果。例如可见光遥感技术，在应用时只可以通过“红、绿、蓝”三个波段，所以在监测植被、水体、黑臭水污染程度时，难以收集准确信息，无法保证数据的准确性，且难以有效监测城市河道的指标[8]。而卫星遥感技术实时性较差，精准性较低，如果单独使用该技术无法实现对个别细小河流的准确监测，特别是黑臭水漂浮物、具体分布情况等，均难以得到有效监测与管理。为了能够有效弥补传统遥感技术应用的不足，近几年逐渐采用多光谱遥感技术联合无人机遥感技术监测的管理方案，实现水生态环境的有效管理与监测。具体应用如下：首先，多光谱遥感技术主要是通过具有多个波谱通道的传感器对监测物成像的一种先进技术，由于可以应用多波段摄影机与扫描仪等设备完成成像，所以可以获取更加丰富的信息，且可以促使遥感信息逐渐精细化，获取良好的成像效果。在此基础上，再配合无人机技术，可以使遥感监测具备更高的灵活性，且联合方案可以同时开拓5～6个通道，能够解决传统遥感监测技术获取可见光信息量少的问题，并且获取数据的灵活性与准确性更高，可以清晰地显示监测水环境各个流域的生态污染情况，有助于管理人员对生态环境的管理[9]。

以某座城市黑臭水河流为例，针对当地水生态环境，应用无人机与多光谱遥感技术联合监测管理，实际作业长度12 km，设备选择经纬M210四旋翼无人机，在无人机上装置MS600Pro6通道多光谱相机。在实际监测管理中，首先应该获取河道的各项数据，并操作无人机完成遥感摄影作业，做好影像辐射定标工作，可通过摄影进一步分析其中的DN值，以确定地物真实反应率。此次飞行工作时间一共是130 m，因为在多光谱摄像作业期间，外界光线变化可能会对作业造成影响，所以选择摄像时间应从早上10点到下午三点[10]。当所有数据获取工作完成后，借助Yusense Map与专业软件对数据进行分析处理，然后将分析结果绘成图并制作出报告，如此一来可以快速减轻数据处理工作量，实现了水生态环境的有效管理。

5 遥感技术在水环境检测过程中的实际应用案例分析

5.1 遥感技术在水体浑浊度检测中的应用分析

从表1的数据可以发现，使用传统技术检测水体混浊度时，波段为800±100 nm时检测效果最佳。当混浊度为0度时，测量结果的价值不大。在实际检测中需要调整固定的波段，保证能获取水体的具体图像信息，最终准确掌握图像中出现波峰区域的水体浑浊度。20世纪中期就已经出现了水体浑浊度的检测，是使用非常传统的样本分析法进行测量，测量范围非常复杂，检测结果所需的时间也较长。而遥感技术应用于水体浑浊度检测是根据物体自身的光谱反射特征获取水体浑浊度的数据，一般是根据光谱影像的差异进行判断和分析。有学者认为，水体中悬浮物质的多少直接影响光谱的衰减系数，极易穿透的波段从0.50 μm向红色区域逐渐移动。总之，水体浑浊度较高会导致入射光散射中的深度变浅，最终提高了相应的反射率，更容易获取水体浑浊度的数据信息。

表1 水体浑浊度及散射率之间的关系

5.2 遥感技术在水体热污染检测中的应用分析

企业在生产经营过程中，经常会向水体排放废热或在日常生活中排放废热导致环境污染，影响整个水体的环境质量。对水体中热污染的监测主要是监测水体中各种污染物质的种类、数目，再对水体进行全面分析，并将监测的数据信息绘制成特定的曲线，从而能够更加形象地表达出各种污染物质及其具体数量。在此过程中，也有专家提出温度分析法，但是该种方法与遥感技术方法存在较大差别，在检测水体热污染物时，不能准确辨别污染元素。污染物种类不同会对水体热污染造成影响，使水体自身的热污染产生一些差别，一般会增加水体中的污染物数量，因而利用遥感技术所生成曲线的变化就更复杂。如果污染物的种类单一但是数目较多，曲线会呈现出特异性，水体热污染的等级与整个遥感技术曲线的关系见图2，热污染级别与曲线的变化关系见表2。总之，在当前检测水体热污染过程中，通过应用遥感技术可以准确反映污染物等级，并根据数据所形成的遥感曲线，进一步准确地确定具体污染元素的种类、数量及水体的实际情况，遥感曲线特异性的误差仅控制在2%以内，而当前误差可以控制在≤1%的范围，进一步保证了遥感技术测量结果的准确度。

表2 热污染等级与曲线变化的关系

5.3 高光谱技术用于探测水体深度的具体分析

根据相关实验得出，当波长处于350～1 150 nm时水体的深度会逐渐增加，同时光谱反射率会下降。如果波长超过上述范围时，反射率会迅速下降，但是波长如果在368～1 831 nm范围内，水体的深度与反射率之间存在指数关系，水体深度测量结果的误差一般小于1 cm。如果水体深度超过10 cm之后，水体的反射率会逐渐下降，导致测量结果可靠性降低。为了进一步保证使用高光谱技术探测水体深度结果的准确性，对波长在433 nm处的指数和线性曲线以及相应的测量数据图进行了分析（如图2），可以看出指数的具体数值与实际测量结果之间的误差仅为0.29 cm，因此，可以通过波长在433 dnm及周边光谱进行综合分析，准确获取相应的水体深度数据。此外，相关工作人员可以根据水深度等数据信息，准确了解水体深度达到一定程度时所含有的污染物，为后期制定水体污染防治措施提供数据支持。

图2 波长在433 nm处的指数和线性曲线以及相应的测量数据图

6 结语

随着工业化进程的加快，生态环境问题越来越严重，尤其是水生态环境问题，所以水生态环境管理已经成为国家高度重视的一项工作。在水生态管理过程中，遥感技术能够发挥出重要作用，所以管理部门应正确了解并掌握遥感技术，并合理应用，通过配合实际案例，确保遥感技术在水环境管理中发挥其最大优势，进一步提高水生态环境管理效果，有效保护生态环境。