水污染遥感监测研究进展

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1、宁波大学硕士研究生 2009 / 2010 学年第一学期期末考试答题纸考试科目： 实验生态学 课程编号： 07G13104A 考卷类型：（A/B）姓名： 贾超艳 学号： 0911091007 阅卷教师： 陆开宏 成绩： 84 水污染遥感监测研究进展摘要：水污染对人类社会的危害是十分严重的，因此，对其进行监测非常重要。该文综述水污染遥感监测研究的发展状况，阐述水质遥感监测的机理，遥感已成为我们用以监测水环境的依据，而其在水污染监测中的应用也是一先进的技术途径。关键词：水污染；遥感；监测；水质参数The study on application of remote sensing in deter

2、mining water pollutionAbstract: The dangers of water pollution on human society is very serious，so it is very important to monitorThe development of monitoring water quality applying remote sensing techniques is reviewedThe main topic discussed is principlesRemote sensing has become the basis for th

3、e monitoring of water environment，and its application in monitoring of water pollution is also a advanced technology methodKey words: water pollution；Remote Sensing；monitoring；water quality parameters1 引言随着工农业生产的发展，江河湖海的各种水体受污染的程度不断加重。它们包括生活废水污染、泥沙等悬浮固体污染、石油污染、重金属污染、富营养化污染和热污染等1。它们对人类社会的危害是十分严重的。因此，

4、对这些污染进行监测非常重要。中国环境监测总站提供的资料表明，近10年来，我国的水污染成分发生了显著变化：无机污染减少，有机污染上升；工业污染下降，生活污染和面源污染增加。总之目前，我国水环境面临三大问题：主要污染物排放量远远超过水环境容量；江河湖泊普遍遭受污染；生态用水缺乏,水环境恶化加剧。水污染的现状可以表明，我国水环境污染形势严峻。因此，加大保护水资源的力度，提高水环境监测效率的工作势必行2。自从1972年Landsat-1发射以来，遥感不仅在陆地资源环境领域中得到了广泛的应用，对水环境参数的提取也得到了发展，如早在20世纪70年代初，Klemas et al3就提出了用MSS遥感数据估算

5、Delaw ane Bay海湾悬浮泥沙含量的线性统计模型。水环境遥感监测的应用范围较广，从水环境评价、环境污染事件（溢油、赤潮等）监测、水体热污染到水体悬浮物质、浑浊度、叶绿素、黄色物质等识别和监测。目前在水环境参数研究和应用中比较成熟的是水体中悬浮物质和叶绿素浓度的提取4-8，利用遥感技术开展水体热污染、赤潮和溢油等环境污染、环境灾害的监测也取得了一定的效果9-11。随着遥感技术的进步，遥感监测在水环境等领域的应用已引起环境保护等部门较广泛的重视。国内外通过各方面的努力实践认为，各种水体污染在遥感图像上都有不同程度的反映（除有的不清晰外）。因此目前，遥感已成为我们用以监测水环境的依据，而其在

6、水环境监测中的应用也是一先进的技术途径。2水污染遥感监测原理和方法水污染的遥感监测是基于污染水的光谱效应。由于溶解或悬浮于水中的污染成分、浓度不同，使水体颜色、密度、透明度和温度等产生差异，导致水体反射能量的变化，而在遥感图像上反映为色调、灰阶、形态、纹理等特征的差别，根据这些影像显示，一般可以识别污染源、污染范围、面积和浓度。对于水环境遥感分析而言，消除大气的影响是很重要的。在过去的20多年，发展了许多大气校正模型。以辐射传输理论为基础的大气校正模型能得出比较精确的结果，但其计算比较复杂，并且需要卫星过境时的大气参数。对于大多数的研究而言，要获得这些大气参数是不可能的。因此我们利用一种不需外

7、部输入的简单方法内部平均相对反射率法进行图像的大气校正， 即将图像各波段的每个像元除以该波段整个图像灰度值的平均值， 得到视反射率图像。该方法消除了大气程辐射和部分地形的影响12，得到的相对反射率与真实反射率具有相似的波谱特征。2.1 水质遥感监测原理遥感就是远离地表，借助于电磁波来收集、获取地表的地学、生物学、资源环境等过程和现象的科学技术。遥感技术所记录的信息称为遥感信息。从本质上讲，是指以光线或电磁波为载体，经介质传输而由航空和航天遥感平台所收集到的信息，是电磁波辐射与地表物质相互作用的产物，是地圈、生物圈等基础科学的反映，同时也是信息载体在其传输路径上受各种介质影响的结果。遥感信息具有

8、空间、波谱和强度三种特性。遥感信息是水环境监测的依据。水质参数的确定是水质监测的重要目的和任务，也是水质评价与水污染防治的主要依据。确定水质参数的常规方法是在研究水域布置大量的观测点，经过大量的采样，室内理化检测、分析才能得到。这个过程受人力、物力和气候、地形、水文等条件的限制，难以实现连续或快速地跟踪调查与分析。根据某些水质参数所代表的物质引起水体表面及内部电磁辐射特性的改变，因而可以通过接收和记录电磁波的遥感技术量测水体电磁辐射特性，进而解译并识别污染物含量即确定水质参数13。随着对物质电磁辐射特性研究的深入、算法的改进以及遥感技术本身的革新，通过遥感监测确定的水质参数种类逐渐增加，包括悬

9、浮颗粒物、水质透明度、叶绿素a浓度、溶解性有机物、水中入射与出射光的垂直衰减系数及一些综合污染指标如营养状态指数等14。通过水质参数反演监测水质污染状况是研究和解决水体污染的一种常用方式。在水质监测模型研究过程中，很多参数随时间改变现象严重，为了高精度的评价水质，常常需要连续观测以动态获得一定区域内的所需参数，而传统的方法费时、费力且只能以少量的水样研究较小的水域，传统数据收集部门受到了极大的压力，传统地面观测站网的密度远不能满足模型对数据的要求。而遥感（RS)方法是一种费用较低的数据收集技术。遥感监测水体水质参数正是基于水体中所含不同成分的光学特性不同，寻找不同成分的特征波段，并根据传感器所

10、接收到的信息，反演水体中不同成分的浓度及其空间分布等信息15。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的2。遥感在内陆水体研究中的应用从最初的单纯的水域识别逐渐发展到对水质参数进行遥感监测、制图和预测。随着遥感技术的不断发展和对水质参数光谱特征及算法研究的不断深入，遥感监测水质逐渐从定性发展到定量，并且通过遥感可监测的水质参数种类逐渐增加，包括叶绿素浓度、悬浮物浓度、黄色物质浓度等，反演精度也不断地提高。地物的波谱特性反映地物本身的属性和状态，不同的地物，波谱特性不同。水体的光谱特征是由其中的各种光学活性物质对光辐射的吸收和散射性质决定的。通过遥感系统量测一定

11、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的16 。国内外学者利用经验方法开展了很多内陆水体水质遥感监测，在特定的水域研究中取得了一定的成功17。但由于水质参数与遥感数据之间的事实相关性不能保证，算法的精度通常不高且具有时间和空间特殊性。2.2 遥感技术在海水水灾监测中的应用利用MSS、TM传感器上可见光近红外波段的多光谱扫描仪，可以监测陆源污染水体的迁移，扩散等变化，同时还可以监测石油污染，在可见光波段可测出油污染海区海面的光谱反射比清洁区的海面大，用红光波段可以监测油膜，用蓝光波段可以区分油

12、膜和航迹。在赤潮监测方面可见红外多光谱辐射计可给出赤潮发生全过程的位置、范围、水色类型，海面磷酸浓度变化及赤潮扩散、漂移方向等信息。利用微波遥感的SAR图像可以全天候对海洋进行监测。从接收的SAR图像上可以及时地发现海洋中较大面积的污染，同时还可以监测突发性的溢油事件。用连续的SAR图像可以对石油的污染范围和扩散方向进行跟踪监测。对海洋遥感定量分析精度的关键仍是光谱的分辨率，面对当前海洋的排污、赤潮、溢油等污染事件不断发生，人们都希望通过高光谱技术的应用、对海洋环境中各种物质的成份进行定量分析。因此许多国家把图像光谱合一的高光谱技术作为新一代卫星的生长点。3 结束语遥感监测的项目增多、分辨率提

13、高、解译性能增强，逐渐占据环境监测网络的重要地位。为了发挥遥感技术在环境保护领域中的作用，结合国内外遥感技术发展的实际情况，深化环境遥感方面的应用研究十分必要。为了提高我国环境保护的科技水平，使我国的环境监测和保护水平再上一个新的台阶，环境保护总的环境遥感需求是：利用卫星遥感技术。随着卫星遥感技术的发展和人们对环境保护的重视，卫星遥感将在环境保护领域中发挥更大的作用。希望卫星遥感在中国环境监测方面尽早步入实现化、业务化阶段，为中国的环境保护工作发挥作用。当然，要使遥感真正在水污染监测中发挥作用，还需要作大量的工作，特别是同步地进行光谱测量和水质分析，找出水质参数与光谱之间的相关关系。另外，由于

14、TM影像的光谱分辨率较低，随着高光谱遥感的发展，遥感在水污染监测中将会发挥更大的作用。参考文献1 任敬萍,赵进平.二类水体水色遥感的主要进展与发展前景J.地球科学进展,2002,17 (3):363-371.2 李素菊,王学军.内陆水体水质参数光谱特征与定量遥感J.地理学与国土研究,2002,18 (2):26-30.3 Klemas V,Bartlett D,PhilpotW,et al. Coastal and Estuarine Studies with ERTS21 and SkylabJ. Remote Sensing Environment, 1974, 13(3): 153177

15、.4李京.水域悬浮固体含量的遥感定量研究J.环境科学学报, 1986, 6 (2):166173.5Stumpf R, Pennock J. Calibration of a General Optical Equation for Remote Sensing of Suspended Sediments in aModerately Turbid EstuaryJ. J GR 1989, 94(C10): 1436314371.6Li Yan, HuangWei, FangMing. An Algorithm for the Retrieval of Suspended Sediment

16、in Coastal Waters of China from AVHRR DataJ. Continental Shelf Res, 1998, 3(18): 487500.7Tassan S. An Improved In2water Algo rithm fo r the Determination of Chlorophyll and Suspended Sediment Concentration from ThematicMapper Data in CoastalWatersJ. Int J of Remote Sensing,1993,14 (6): 12211229.8Kei

17、ner L E, Yan X H. A Neural Network Model for Estimating Sea Surface Chlorophyll and Sediments from Thematic Mapper ImageryJ. Remote Sensing of Environment,1998, 2(66): 153165.9 Kloiber S M, Brezonik P L, Olmanson L G, et al. A procedure for regional lake water clarity assessment using Landsat multis

18、pectral data J.Remote Sensing of Environment, 2002, 82:384710李栖筠, 陈维英, 肖乾广,等.老铁山水道漏油事故卫星监测J.环境遥感,1994, 9 (4): 256262.11 Koponen S, Pulliainen JLake water quality classification with airborne hyperspectral spectrometer and simulated MERIS data J.RemoteSensing of Environment, 2002, 79: 51 59.12 DEKKER

19、 A G,VOS RJ ,PETERS SWM. Comparison of remote sensing data ,model results and in situ data for total suspended matter(TSM) in the southern Frisian lakesJ.The Science of the Total Environment, 2001,268:197-214.13 吴永森,张士魁,张绪琴,等.海水黄色物质光吸收特性实验研究J.海洋与湖沼,2002,33 (4):402 - 406.14 CHEN C Q ,SHI P,ZHAN H G.

20、A local algorithmfor estimation of yellow substance (gelbstoff ) in coastal waters from SeaWiFS data: Pearl River estuary, China J. International Journal of Remote Sensing,2003,24 (5):1171-1176.15 李红清.遥感技术在水环境保护中的应用初探J.水利水电快报,2003,24(3):24-25.16 Koponen S, Pulliainen J. L akew ater quality classification with airborne hyperspect ral spect rometer and simulated MER IS data J. Remote Sensing of Environment, 2002, 79: 51- 59.17 俞宏,蔡启铭,吴敬禄,等.太湖水体吸收系数与散射系数的特征研究J .水科学展,2003,14 (1):46-49.