多光谱遥感技术在城市黑臭水体分析中的应用

城市黑臭水体污染问题已成为城市环境治理的重要挑战，而多光谱遥感技术作为一种高效的监测手段，为城市黑臭水体的分析提供了新的视角和方法。本文综合多项研究成果，探讨了多光谱遥感技术在城市黑臭水体分析中的应用。多光谱遥感技术能够获取水体的高分辨率遥感影像数据，通过对不同波段的反射率进行分析，揭示水体中不同成分的空间分布和变化规律。利用多光谱遥感技术，可以有效识别城市黑臭水体的来源和分布，探测水体中的藻类和有机污染物等有害成分，从而为城市黑臭水体的监测和治理提供科学依据。

一、引言

传统的城市黑臭水体监测手段主要依靠人工取样和实地调查，存在监测范围有限、成本高昂、周期长等问题。因此，急需一种高效、经济、可持续的监测手段来解决城市黑臭水体治理中的难题。

多光谱遥感技术作为一种非接触式、远程获取信息的技术，在城市环境监测和水质评价中显示出了巨大的潜力。多光谱遥感技术能够获取水体的高分辨率影像数据，并通过分析不同波段的反射率来识别水体中的不同成分，如叶绿素、溶解有机物等，从而实现对城市黑臭水体的快速、准确监测。

二、水质遥感监测技术的原理和方法

（一）水质遥感监测技术

遥感是一种无需直接接触就能对物体或自然现象进行远程感知的一种检测方法，它主要是利用不同类型的传感器，利用不同的传感器，在不同的空间、空间、空间等不同的平台上，采集反映地面特性的各种数据，经过传输、转换和处理，提取出有效的信息，以达到对物体空间形态、位置、属性、变化以及与周围环境之间的联系等方面的研究。

（二）水质遥感监测原理

1.水体的光谱特征

当太阳光照在表面上时，很小的一部分（3.5%）会被表面反射回到空气中，而更多的光线会进入水中。在水体中，大多数光线会被水体所吸收，一部分会被水体中的悬浮物（如泥沙、有机物等）所反射，另一小部分则会透过底部，被底层所吸收、反射。被悬浮物和底部反射的射线，一部分返回水面，折回空气。因此，在对水体进行遥感监测时，其所受到的辐射主要包括水面反射光、悬浮物反射光、水底反射光和天空散射光。

2.遥感影像水体提取一般方法

（1）传统方法

谱间关系法利用光谱数据对不同波段水体及其它地物的光谱特性进行分析，利用不同波段的光谱信息，构建具有区分水体和其它地物特性的逻辑判别公式，例如，将8波段多光谱影像中2～3波段的光谱数据、4～5波段的光谱数据以及4～5波段的光谱数据进行观测分析，提取水体参数。该方法融合了多个波段的光谱信息，优于单一波段阈值方法，但也存在着普适性不强、易误判建筑物等、对影像有特殊要求等问题。

（2）分类器分类后提取法

分类器分类后提取法的基本思想是对影像中的各类地物进行分类，然后以所划分的水域为对象进行分类。其中，有监督的分类算法得到了广泛的应用，如决策树、SVM、BP神经网络等用于目标的分类。

三、实验数据

本文以永和河（24个）、车陂涌（20个）和黄龙带（12个）进行水体采样，通过对56个采样点进行同步观测，获得56个采样点的同步光谱数据，并利用 GPS技术对样点的位置进行观测。观测站位的平均水深在0.5-20米之间，这一地区的水域基本可以看作是一种光学深水，因此可以不考虑海底的影响。水样采集后置于褐色玻璃瓶中，密闭冷藏，10小时后送广州检验中心进行测定。采样和测量工作在广东省珠江环保监测中心进行，范围涵盖取样、保存和测定。

四、结果分析

（一）黑臭水体关键水质指标分析

根据统计分析结果，实验区黑臭水体的溶解氧（DO）平均值为4.21 mg/L，标准差为2.91，显著低于正常水体的最小值。此外，黑臭水体中的有机污染指标（如NH-N、TP、TN、COD、BOD）表现出明显偏高的特征，与以往研究相比存在显著差异。特别地，NH-N、TP、TN、COD等指标的含量明显高于正常水体，与藻类繁殖导致的黑臭水体相比也有显著增加。

（二）黑臭水体光谱特征分析

在400-550 nm波段，随着波长的增大，遥感反射率逐渐增大，而在正常和重度污染水域，其反射率有明显增大的趋势。在550-580 nm的区域，黑臭水体的遥感反射率出现峰值，其峰值宽度比普通水域要大，但相对较小，且形态较为平缓。与此形成对照的是，在570 nm处仅出现一条明显的反射峰值，而混浊水在580-710 nm与810 nm处出现了两个显著的黄波段和红色波段。

（三）黑臭水体关键指标与光谱相关性分析

根据Pearson公式计算5种水质指标与反射光谱的相关系数，以寻找水质指标的最佳敏感波段。结果显示，TN、TP、NH-N、COD、BOD5与水体遥感反射率呈负相关，且这些指标与水体光谱的相关性变化趋势一致。然而，第六种指标与遥感反射率的相关性较低，表明单一波段的遥感反射率不适宜用于模型构建。

五、总结

多光谱遥感技术在城市黑臭水体分析中的应用是一项重要的环境监测手段。本研究通过水质遥感监测技术，结合实验数据，对城市黑臭水体进行了全面分析，主要包括水质遥感监测技术原理和方法、水体的光谱特征、实验数据以及结果分析。水质遥感监测技术利用遥感影像数据获取水体的光谱信息，通过分析水体的光学特性来获取水质参数。

作者单位：伟志股份公司