1 水體遙感監(jiān)測(cè)的基本理論

1.1 水體遙感監(jiān)測(cè)原理、特點(diǎn)。影響水質(zhì)的參數(shù)有：水中懸浮物、藻類(lèi)、化學(xué)物質(zhì)、溶解性有機(jī)物、熱釋放物、病原體和油類(lèi)物質(zhì)等。隨著遙感技術(shù)的革新和對(duì)物質(zhì)光譜特征研究的深入，可以監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)種類(lèi)也在逐漸增加，除了熱污染和溢油污染等突發(fā)性水污染事故的監(jiān)測(cè)外，用遙感監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)大致可以分為以下四大類(lèi)：渾濁度、浮游植物、溶解性有機(jī)物、化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要機(jī)理是被污染水體具有獨(dú)特的有別于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現(xiàn)在其對(duì)特定波長(zhǎng)的光的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠?yàn)檫b感器所捕獲并在遙感圖象中體現(xiàn)出來(lái)。如當(dāng)水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，浮游植物中的葉綠素對(duì)近紅外波段具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，故而這類(lèi)水體兼有水體和植物的光譜特征，即在可見(jiàn)光波段反射率低，在近紅外波段反射率卻明顯升高。

1.2 水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程。首先，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)選擇遙感數(shù)據(jù)，并獲得同期內(nèi)的地面監(jiān)測(cè)的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)。現(xiàn)今廣泛使用的遙感圖象波段較寬，所反映的往往是綜合信息，加之太陽(yáng)光、大氣等因素的影響，遙感信息表現(xiàn)的不甚明顯，要對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列校正和轉(zhuǎn)換將原始數(shù)字圖像格式轉(zhuǎn)換為輻射值或反射率值。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇不同波段或波段組合的數(shù)據(jù)與同步觀測(cè)的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再經(jīng)檢驗(yàn)得到最后滿意的模型方程。

2 水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)常用的遙感數(shù)據(jù)

2.1 多光譜遙感數(shù)據(jù)。在水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)中常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)，包括美國(guó)Landsat衛(wèi)星的MSS、TM、ETM+數(shù)據(jù)，法國(guó)SPOT衛(wèi)星的HRV數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星NOAA的AVHRR數(shù)據(jù)，印度遙感IRS系統(tǒng)的LISS數(shù)據(jù)，日本JERS衛(wèi)星的OPS(光學(xué)傳感器)接收的多光譜圖像數(shù)據(jù)，中巴地球資源1號(hào)衛(wèi)星（CBERS--1）CCD相機(jī)數(shù)據(jù)等。

Landsat數(shù)據(jù)是目前應(yīng)用較廣的數(shù)據(jù)。1972年Landsat1發(fā)射后，MSS數(shù)據(jù)便開(kāi)始被用于水質(zhì)研究中。如解亞龍等用MSS數(shù)據(jù)對(duì)滇池懸浮物污染豐度進(jìn)行了研究，明確了遙感數(shù)據(jù)與懸浮物濃度的關(guān)系；張海林等用MSS和TM數(shù)據(jù)建立了內(nèi)陸水體的水質(zhì)模型；Anne等人用TM和ETM+數(shù)據(jù)對(duì)芬蘭的海岸水體進(jìn)行了研究。

SPOT地球觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，較陸地衛(wèi)星最大的優(yōu)勢(shì)是最高空間分辨率達(dá)10m。SPOT數(shù)據(jù)應(yīng)用于水質(zhì)研究中，學(xué)者們也做了一些研究。如可以利用SPOT數(shù)據(jù)來(lái)估算懸浮物質(zhì)濃度和估計(jì)藻類(lèi)生物參數(shù)。

AVHRR(高級(jí)甚高分辨率輻射計(jì))是裝載在NOAA列衛(wèi)星上的傳感器，每天都可以提供可見(jiàn)光圖像和兩幅熱紅外圖像，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如1986年，國(guó)家海洋局第二海洋研究所用NOAA數(shù)據(jù)對(duì)杭州灣懸浮固體濃度進(jìn)行了研究。

2.2 高光譜遙感數(shù)據(jù)

2.2.1 成像光譜儀數(shù)據(jù)。成像光譜儀也稱(chēng)高光譜成像儀，實(shí)質(zhì)上是將二維圖像和地物光譜測(cè)量結(jié)合起來(lái)的圖譜合一的遙感技術(shù)，其光譜分辨率高達(dá)納米數(shù)量級(jí)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者主要利用的有：美國(guó)的AVIRIS數(shù)據(jù)、加拿大的CASI數(shù)據(jù)、芬蘭的AISA數(shù)據(jù)、中國(guó)的PHI數(shù)據(jù)以及OMIS數(shù)據(jù)、SEAWIFS數(shù)據(jù)等進(jìn)行了水體水質(zhì)遙感研究，對(duì)一些水質(zhì)參數(shù)，如葉綠素濃度、懸浮物濃度、溶解性有機(jī)物作了估測(cè)。

2.2.2 非成像光譜儀數(shù)據(jù)。非成像光譜儀主要指各種野外工作時(shí)用的地面光譜測(cè)量?jī)x，地物的光譜反射率不以影像的形式記錄，而以圖形等非影像形式記錄。常見(jiàn)的有ASD野外光譜儀、便攜式超光譜儀等。如對(duì)我國(guó)太湖進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)，水面光譜測(cè)量就用了GRE-1500便攜式超光譜儀，光譜的響應(yīng)范圍0.30~1.1um，共512個(gè)測(cè)量通道，主要將其中0.35~0.90um的316個(gè)通道的數(shù)據(jù)用于水質(zhì)光譜分析。并且非成像光譜儀與星載高光譜數(shù)據(jù)的結(jié)合，可望研究出具有一定適用性的水質(zhì)參數(shù)反演模型。

2.3 新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。新的衛(wèi)星陸續(xù)升空為水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)提供了更高空間、時(shí)間和光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)。如美國(guó)的Landsat ETM+、EO--1ALI、MODIS，歐空局的Envlsat MERIS等多光譜數(shù)據(jù)和美國(guó)的EO-1Hyperion高光譜數(shù)據(jù)。Koponen用AISA數(shù)據(jù)模擬MERIS數(shù)據(jù)對(duì)芬蘭南部的湖泊水質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果表明分類(lèi)精度和利用AISA數(shù)據(jù)幾乎相同；Hanna等利用AISA數(shù)據(jù)模擬MODIS和MERIS數(shù)據(jù)來(lái)研究這兩種數(shù)據(jù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的可用性時(shí)發(fā)現(xiàn)；MERIS以705nm為中心的波段9很適合用來(lái)估算葉綠素a的濃度，但是利用模擬的MODIS數(shù)據(jù)得到的算法精度并不高。Sabine等把CASI數(shù)據(jù)和HyMap數(shù)據(jù)結(jié)合，對(duì)德國(guó)梅克萊堡州湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，為營(yíng)養(yǎng)參數(shù)和葉綠素濃度的定量化建立了算法。

3 水質(zhì)遙感存在的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在的問(wèn)題：①多數(shù)限定于定性研究，或進(jìn)行已有的航空和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析，卻很少進(jìn)行定量分析。②監(jiān)測(cè)精度不高，各種算法以經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)方法為主。③算法具有局部性、地方性和季節(jié)性，適用性、可移植性差。④監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)少，主要集中在懸浮沉積物、葉綠素和透明度、渾濁度等參數(shù)。⑤遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的波段范圍小，多集中于可見(jiàn)光和近紅外波段范圍，而且光譜分辨率大小不等，尤其是缺乏微波波段表面水質(zhì)的研究。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 建立遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。研究利用新型遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)定量監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)與方法，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的水安全定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，針對(duì)不同類(lèi)型的內(nèi)陸水體，建立多種水質(zhì)參數(shù)反演算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)遙感和定量遙感的跨躍，從中獲得原始創(chuàng)新性的成果。

3.2.2 加強(qiáng)水質(zhì)遙感基礎(chǔ)研究。加深對(duì)遙感機(jī)理的認(rèn)識(shí)，特別是水質(zhì)對(duì)表層水體的光學(xué)和熱量特征的影響機(jī)理上，以進(jìn)一步發(fā)展基于物理的模型，把水質(zhì)參數(shù)更好的和遙感器獲得的光學(xué)測(cè)量值聯(lián)系起來(lái)；加深目視解譯和數(shù)字圖象處理的研究，提高遙感影象的解譯精度；增強(qiáng)高光譜遙感的研究，完善航空成像光譜儀數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

3.2.3 開(kāi)展微波波段對(duì)水質(zhì)的遙感監(jiān)測(cè)。常規(guī)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)波段范圍多數(shù)選擇在可見(jiàn)光或近紅外，尤其是缺乏微波波段表面水質(zhì)的研究情況。將微波波段與可見(jiàn)光或近紅外復(fù)合可提高對(duì)表面水質(zhì)參數(shù)的反演能力。

3.2.4 拓寬遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)�，F(xiàn)階段水質(zhì)遙感局限于某些特定的水質(zhì)參數(shù)，葉綠素、懸浮物及與之相關(guān)的水體透明度、渾濁度等參數(shù)，對(duì)可溶性有機(jī)物、COD等參數(shù)光譜特征和定量遙感監(jiān)測(cè)研究較少，拓寬遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)之一。應(yīng)加強(qiáng)其他水質(zhì)參數(shù)的光譜特征研究，以擴(kuò)大水質(zhì)參數(shù)的定量監(jiān)測(cè)種類(lèi)，進(jìn)一步建立不同水質(zhì)參數(shù)的光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.5 提高水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)精度。研究表明利用遙感進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演，其反演精度、穩(wěn)定度、空間可擴(kuò)展性受遙感波段設(shè)置影響較大，利用星載高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)反演，對(duì)其上百的波段寬度為10nm左右的連續(xù)波段與主要水質(zhì)參數(shù)的波譜響應(yīng)特性進(jìn)行研究，確定水質(zhì)參數(shù)診斷性波譜及波段組合，形成構(gòu)造水質(zhì)參數(shù)遙感模型和反演的核心技術(shù)，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)精度。

3.2.6 擴(kuò)展水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)模型空間。系統(tǒng)深入的研究水質(zhì)組分的內(nèi)在光學(xué)特性，利用高光譜數(shù)據(jù)和中、低分辨率多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)遙感定量監(jiān)測(cè)機(jī)理研究，進(jìn)行水質(zhì)組分的定量提取和組分間混合信息的剝離，消除水質(zhì)組分間的相互干擾，建立不受時(shí)間和地域限制的水質(zhì)參數(shù)反演算法，形成利用中內(nèi)陸水體水質(zhì)多光譜遙感監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)研究低分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的遙感定量模型。

3.2.7 改進(jìn)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)。利用光譜分辨率較低的寬波段遙感數(shù)據(jù)得到的水質(zhì)參數(shù)算法精度都不是很高，可以借鑒已在地質(zhì)、生態(tài)等領(lǐng)域應(yīng)用的混合光譜分解技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)技術(shù)等，充分挖掘水質(zhì)信息，建立不受時(shí)間和地域限制的水質(zhì)參數(shù)反演算法，提高遙感定量監(jiān)測(cè)精度。

3.2.8 綜合利用“3S”技術(shù)。利用遙感技術(shù)視域廣，信息更新快的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)、快速地提取大面積流域及其周邊地區(qū)的水環(huán)境信息及各種變化參數(shù)；GPS為所獲取的空間目標(biāo)及屬性信息提供實(shí)時(shí)、快速的空間定位，實(shí)現(xiàn)空間與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；GIS完成龐大的水資源環(huán)境信息存儲(chǔ)、管理和分析。將“3S”技術(shù)在水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)中綜合應(yīng)用，建立水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量信息的準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)快速發(fā)布，推動(dòng)國(guó)家水安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。

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