轉載自：智慧水利信息平臺
遙感是指在不直接接觸目標地物的情況下，對目標地物進行遠距離探測、識別和獲取地物信息的過程，空間中的電磁波、聲波、重力場等都可用作遙感，但通常所述遙感是指利用電磁波獲取目標地物信息的電磁波遙感。由於任何溫度高於絕對零度的物體均能發射、反射或吸收能量輻射，而且不同物體有不同性質結構，所以不同地物均具有其獨特的輻射特性。同樣在水環境監測中，不同溫度、泥沙含量、藻類數量、汙染程度的水體也都有不同的輻射特性，通常各種水體的特性可以通過遙感圖像反映出來。汙染水體具有不同於清潔水體的光譜特徵，這些光譜特徵體現在對特定波長的吸收或反射，而且這些光譜特徵能夠為遙感器捕獲並在遙感圖像中體現出來。根據對圖像的識別情況，我們就可以獲得水體的水質參數或者水體汙染狀況。有基於此，遙感技術可以在水環境監測中得到應用。
伴隨著社會經濟等各方面的快速發展，我國江河湖海的各種水體受汙染程度也不斷加重，包括生活廢水汙染、泥沙等懸浮固體汙染、石油汙染、重金屬汙染、富營養化汙染和熱汙染等。中國環境監測總站提供資料表明，我國水環境面臨三大問題：主要汙染物排放量遠遠超過水環境容量；江河湖泊普遍遭受汙染；生態用水缺乏，水環境惡化加劇。水汙染的現狀可以表明，我國水環境汙染形勢嚴峻，因此提高水環境監測效率的工作勢在必行。傳統方式的水環境監測主要是地面布點採樣，然後實驗室分析得出結論，這種方式由於受自然條件和時空等因素影響，具有一定的局限性。例如，在大面積水域的監測過程中，僅僅依賴於監測臺站和傳統監測方式，很難滿足對水體汙染監測所需的實時、快速、宏觀、準確的監測要求，從而不能全面準確地反映出水體狀況。而與傳統監測方式相比，遙感技術具有宏觀、綜合、動態和快速的特點，並且可以獲取其他監測手段無法獲取的信息。水環境狀況的惡化和傳統監測方式的不足，將促使遙感技術在水環境監測中的廣泛應用。
自從20世紀60年代初美國海軍科學研究局的E.L.Pruitt提出「遙感（Remote Sensing）」一詞後，遙感技術形成一門專門學科並得到迅速發展，並且遙感技術在水環境中也得到廣泛發展。美國1966年、1968年發射的環境調查衛星（ESSA-1，ESSA-8，ESSA-9）負有監測湖泊狀況的任務；20世紀70年代初，Klemasetal就提出了用MSS遙感數據估算Delawane Bay海灣懸浮泥沙含量的線性統計模型。
我國先後對海河、渤海灣、長春南湖、昆明滇池、於橋水庫、珠江等大型水體進行了遙感監測，研究了油類汙染、有機物汙染、富營養化等：在渤海灣淺層水體葉綠素的含量監測中，建立了葉綠素含量與海水光譜反射率之間的相關模式；利用水體葉綠素與富營養化間的關係研究了滇池水體汙染與富營養化狀況；1998年Li等分析了廣東河口海岸帶汙水中不同COD和油含量的光譜特徵，運用灰色理論，對從SeaWiFS數據中提取COD和含油量作了嘗試。
一、水環境遙感應用的常用平臺與數據
通常，水環境監測主要利用的是衛星遙感和航空遙感平臺，主要利用的數據包括美國Landsat-MSS、TM數據，法國SPOT-HRV數據以及各種航空遙感數據。20世紀70年代到80年代初，航空遙感廣泛應用於監測海水中的浮遊植物；80年代中期以後遙感監測水質的工作主要利用衛星數據和航天平臺上的多光譜掃描儀及成像光譜儀的遙測數據。水環境遙感監測中常用數據就其應用可以歸為以下幾類。
1.1多光譜遙感數據
在水環境的遙感監測中，常用的多光譜遙感數據包括Landsat-MSS、TM、SPOT-HRV、NOAA-AVHRR、IRS-LISS、JERS-OPS等的圖像數據，以及中國與古巴合作的地球資源1號衛星（CBERS）的CCD相機數據等。MSS數據最早被用於內陸水體的水質監測，如Lathrop和Kloiber等學者的研究表明內陸水體中的葉綠素a濃度、懸浮物濃度可以通過MSS數據監測。Lathrop等對美國Michigan湖的Green湖灣作了一系列遙感研究 ，估測了包括葉綠素a、懸浮物、透明度在內的多項參數，取得了較理想的結果。李旭文等利用TM數據對蘇州運河水質進行過綜合分析。餘豐寧等用TM圖像對太湖北部水質進行了主成分監督分類的研究。
1.2高光譜遙感數據
現有高光譜數據可以分為兩類：成像光譜儀數據和非成像光譜儀數據。成像光譜儀數據主要利用的是美國的 AVIRIS 數據、加拿大的CASI數據、芬蘭的AISA數據、中國的PHI數據以及OMIS數據、SEAWIFS數據。非成像光譜儀是指不以影像記錄為目的，而是以非影像的方式記錄信息的地面光譜測量儀。例如，ASD野外光譜儀、可攜式超光譜儀等。在對我國太湖進行水質監測時，水面光譜測量就使用了GRE-1500可攜式超光譜儀。
1.3新型的更為先進的遙感數據
事實上新型遙感數據也無外乎多光譜和高光譜遙感數據，但是新的衛星升空為水環境的遙感監測提供了更高空間、時間和光譜解析度的遙感數據。如ETM+、MERIS多光譜數據，Hyperion、MODIS高光譜數據。新型衛星遙感數據在水環境監測中的應用在國內外尚處於起步階段，其特性為水環境監測提供了機遇。MODIS是EOS-AM1系列衛星的主要探測儀器，屬于波段不連續（光譜範圍0.4～14.5μm）、數量少（波段36個）、地面解析度較低的一類高光譜傳感器。其空間解析度為250m、500m、1000m，每日或每兩日可獲得一次全球觀測數據，適合進行大範圍動態監測。
二、水體的光譜特徵
由於遙感測定的是地物的反射輻射，所以我們以反射波譜特性曲線來研究水體的光譜特徵，反射波譜特性曲線是指某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長變化的規律，以波長為橫坐標、反射率為縱坐標所得的曲線。
2.1自然水體的光譜特徵
自然水體的反射主要在藍綠光波段，其他波段吸收率很強，特別是在近紅外、中紅外波段有很強的吸收帶，反射率幾乎為零，因而在紅外波段上水體比較容易識別。較潔淨自然水體在0.4～1.1μm波段的光譜反射率約1%～3%，其平均反射率約2%。但當水中含有其他物質時，反射光譜曲線會發生變化。當含有泥沙時，由於泥沙的散射作用，可見光波段發射率會增加，峰值出現在黃紅區；當水中含有葉綠素時，近紅外波段明顯抬升；由泥沙、天然有機物和浮遊生物造成的渾濁水體通常比清澈水體的光譜反射率要高一些。有研究表明，渾濁河水（含懸浮物質99mg/L）比清澈湖水（含懸浮物質10mg/L）的光譜反射率高1.5%～6%。這些都是影響分析的重要數據。
2.2汙染水體的光譜特徵
汙染物質種類各異，其物理化學性質也不盡相同，因而對水體的光譜反射率影響也各不相同。含黑色物質和暗色物質懸浮物較多的汙染水體，在0.4～1.1μm波段的反射率比潔淨的自然水體的反射率略低一些；含中等色調懸浮汙染物質較多的水體其在上述波長的反射率比潔淨水體的反射率要高一些；而含淺色和白色色調懸浮汙染物質較多的水體，其在0.4～1.1μm波段的反射率則顯著地高於潔淨的自然水體的反射率。
三、遙感監測水質參數的原理與方法
遙感監測水質參數的原理主要是被汙染或含有某種物質的水體具有獨特而區別於潔淨水體的光譜特徵。諸如水中懸浮物、藻類、化學物質、溶解性有機物等水體組分，因影響光的反射、吸收和後向散射而在遙感圖像上反映出來，從而我們可以根據其在圖像上的反映推斷出水體的水質參數。圖3表示了不同類型內陸水體的反射光譜，可以看出，水中組分含量的差別造成一定波長範圍反射率的顯著不同，成為定量量測物質含量的基礎。
遙感技術可以監測的水質參數種類大致可以分為以下4類：渾濁度、浮遊植物、溶解性有機物、化學性水質指標。通常可以採用3種方法：理論方法、半經驗方法、經驗方法。
3.1理論方法
這種方法首先是根據水中光場的理論模型，確定吸收係數與後向散射係數之比與表面反射率之間的關係；然後利用這種關係，可由遙感測得反射率值；最後與水中組分的特徵吸收係數、後向散射係數相聯繫，計算水中實際吸收係數與後向散射係數的比值，就可以得到組分的含量。這種基於光場理論的模型基礎尚不完善，而且簡化假設模型，使得預測值並不能滿足精度要求。
此方法是基於遙感波段數據和地面實測數據的相關性統計分析，選擇最優波段或波段組合數據與地面實測水質參數，通過統計分析得到相關模型，進而利用此模型反演水質參數。該方法的缺陷是水質參數與遙感數據之間的事實相關性不能保證，模型的精度通常不高且具有時間和空間的特殊性。
3.2半經驗方法
半經驗方法是目前最常採用的方法，它是利用已知的水體參數光譜特徵與相關統計模型結合。國內外很多學者利用這種方法對湖泊、水庫的水質參數進行監測，如總懸浮物、葉綠素及與之相關的透明度、渾濁度和富營養化指數等，並且得到了較高的監測精度。
四、遙感在水環境汙染監測與控制中應用
遙感在水環境汙染監測與控制中的應用，其基礎是遙感技術對水質參數的獲取。國內外對這方面的研究工作主要在海洋環境和內陸水環境兩方面進行。衛星遙感可實現對海洋大範圍、全天候的汙染監測，比如可以利用多光譜傳感器對石油汙染進行監測；在內陸水環境的監測過程中，由於內陸水體光譜特徵的複雜性，目前開展的研究範圍比較小，主要在於湖泊和江河河口，可以監測的水質參數也較少，主要集中於葉綠素、懸浮物、總磷、總氮、COD、BOD等。為了便於用遙感方法研究各種水汙染，並不詳細區分遙感在海洋和內陸水體汙染監測與控制中的各種應用，而是習慣上將其分為水體富營養化、泥沙汙染、熱汙染、廢水汙染、石油汙染等幾種類型。
4.1水體富營養化
當大量的營養鹽進入水體後，在一定條件下會引起藻類的大量繁殖，而後在藻類死亡分解過程中消耗大量溶解氧，從而導致魚類和貝類的死亡，這一過程稱為水體的富營養化。葉綠素是反映水體富營養化程度的最主要因子，其中又以葉綠素a最為突出。通過對葉綠素生物量等數據的採樣，利用採樣數據與遙感數據反映的水體綠度指數建立起遙感回歸模型，得出水體中葉綠素及生物量的空間分布信息，從而達到監測水體富營養化的目的。對於遙感估算水體葉綠素濃度，國內外學者做了大量的研究，建立了不少遙感數據與不同葉綠素濃度的水體光譜間的數學模型。如基於回歸模型的經驗算法、神經網絡模型法、光譜混合分析法等，但因水中葉綠素的光譜信號相對較弱，加上水中懸浮固體含量的影響，因而目前遙感估算水中葉綠素含量的精度不高，平均相對誤差約20%～30%。
4.2泥沙汙染
水體中的泥沙能引起水體光譜特性的變化。在實際工作中選擇與泥沙濃度相關性好的波段，與實地調查懸浮固體結果進行分析，建立特定波段輻射值與懸浮固體濃度的對應關係模型，然後對該波段輻射值進行反演，可以得到懸浮固體的濃度。在可見光058～068μm波段，不同泥沙濃度出現輻射峰值，這是遙感監測水體泥沙的最佳波段。這些相關模型主要包括Gordon公式模型、負指數關係式模型、統一關係式模型等理論模型，線性關係式模型、對數關係式模型、多波段關係式模型等經驗模型。
如何運用遙感獲取的水體光譜數據提取出泥沙的專題信息，許多國內外學者對之進行了長期的研究，Kritilos等最早利用陸地衛星數據研究水中的懸浮物含量；李京等建立了反射率與懸浮物含量間的負指數模型，並用於杭州灣水域懸浮物的調查；李炎等研究了基於海面-遙感器光譜反射率斜率傳遞現象的懸浮泥沙遙感算法。
4.3熱汙染
電力、鋼鐵、化學等工業中使用的冷卻水，超過允許的熱水排放標準而排入江河湖海時，使自然水體的溫度上升，引起水體物理、化學和生物過程的變化，就構成了熱汙染。遙感監測水體熱汙染，目前主要方法有熱紅外遙感和微波遙感。
熱汙染可以用熱紅外傳感器探測，利用多時相的熱紅外圖像，並結合地面觀測，其圖像可顯示出熱汙染排放、流向和溫度分布的情形。利用光學技術或計算機對圖像作密度分割，同時根據少量的同步實測水溫，可確切地繪出水體溫度分布曲線。
例如，有關部門分析研究了海河全線79km的熱汙染狀況，查明熱汙染源有23個，熱排水口多達40個，熱水總排放量約8.5億t/年，並劃分出了無熱汙染、輕度熱汙染、中度熱汙染、重度熱汙染和嚴重熱汙染的河段。
4.4廢水汙染
廢水由於性質的千差萬別，特徵曲線上的反射位置和強度也不一樣。汙染物含量與哪些波段之間的比值有較好的相關性，取決於水體的汙染性質和汙染程度。廢水汙染一般用多光譜合成圖像監測，也可根據溫度差異用熱紅外方法測定。
由於人類的生產生活活動，導致大量廢水流入各類水體中，這些廢水中帶有大量有機物，分解時耗去大量的氧氣，具有很高的COD和BOD值。運用紅外傳感器可以根據水中含有的染料、氫氧化合物等物質的紅外輻射光譜弄清楚水汙染的狀況，汙染狀況在彩紅外像片上有很好的顯示，不僅可以直接觀察到汙染物運移的情況，而且可以憑藉水中泥沙懸浮物和浮遊植物作為判讀指示物追蹤出汙染源。
在2001年6月，對西安市護城河及興慶公園內8個不同汙染程度汙水進行波譜測試，建立了水體反射波譜與BOD5和COD含量之間的相關模型，並取得了較好的效果。馬躍良等利用TM圖像數據對珠江廣州河段水環境質量中的水質汙染進行監測應用研究，並建立了水質汙染預測遙感模型。
4.5石油汙染
石油汙染指在石油的開採、煉製、貯運、使用的過程中，原油和各種石油製品進入環境而造成的汙染。當前主要是石油對海洋的汙染，已成為世界性的嚴重問題。
遙感調查石油汙染不僅能發現已知汙染區的範圍和估算汙染石油的含量，而且可追蹤汙染源。控測石油汙染的方法有很多。
（1）石油在可見光0.3～0.4μm波段反射率較弱，因此可以利用此波段對石油汙染進行監測，另外在可見光0.63～0.68μm波段，能使油膜和周圍乾淨海水的反差達到最大。因此，也可以用紅光波段來監測海面油膜，而用藍光波段來區分油膜、航跡和泥漿羽流，以達到多波段可見光航遙油測的最佳效果。
（2）油膜在紫外像片上呈白色色調，而且紫外光波段對厚度小於5mm的各種水面油膜敏感。此時，油膜對紫外光的反射率比海水高1.2～1.8倍，有較好的亮度反差。因此，利用紫外波段電磁波，可以把海面薄油膜顯示出來。
（3）在常溫下，未汙染海水與水面上油膜反射率有所不同，熱紅外像片上未汙染水區呈白色條帶，排油區呈黑色條帶，油膜呈深色調，因而可以利用熱紅外遙感對石油汙染進行監測，另外根據灰階的不同，可以計算出石油覆蓋的含量。
（4）用波長為2.2cm的微波輻射計成像也能監測石油汙染。
遙感用紅光波段檢測海面油膜，用藍光波段區分油膜、航跡，具有最佳的監測效果星載傳感器用來監測海面大面積溢油，短時間尺度的海面油膜動態監測常用機載傳感器紫外
遙感影像上有較好的亮度差，油膜呈白色對厚度小於5mm的水面油膜較敏感，但紫外波段電磁波波長短、繞射能力差，使其應用受到了限制紅外
遙感油膜灰度比海水大，呈灰黑色判別油膜的範圍及擴散情況，對於厚度小於1mm的油膜，可以確定其厚度和分布，並推算其總溢油量微波
遙感全天時、全天候監測，缺點是地面解析度低監測油膜的厚度等 。
五、遙感在水環境中的應用發展趨勢
水環境問題是目前重要的環境問題，由於遙感技術方法相比傳統方法的優勢，無疑會促使遙感技術在水環境中的繼續發展和廣泛應用。但是從前面的論述可以看出，目前遙感技術在水環境中的應用還存在很多問題，有待更進一步的研究。總的說來，遙感技術在水環境的應用將朝以下方向發展。
（1）影像獲取技術不斷發展。衛星影像向高空間解析度、高光譜解析度方向發展。
（2）遙感監測水質參數的模型方法不斷完善。對水質參數、內在光學特性及表面反射率之間的理論關係進一步研究，使算法不限定於特定的時間和水域，在遙感數據源不能很快得到改進的情況下，這是提高監測水質準確性的一個有效途徑。
（3）水質參數監測項目的拓寬。在不斷完善對葉綠素、懸浮物、溫度等參數的監測基礎上，有必要發展對COD、BOD等重要參數進行遙感監測的理論方法與模型。
（4）「3S」技術在水環境監測中的綜合應用與水環境遙感監測系統的建立。GPS可以遙感對地觀測的精確定位並提供地面高程模型；RS可以為水質大範圍和動態監測提供多種數據源，為地理信息系統提供自然環境信息；GIS為遙感影像處理提供輔助，是遙感數據處理和管理的有效工具。「3S」技術在水質遙感監測中綜合應用，推動水環境遙感監測系統的建立，可以實現水環境質量信息的準確、動態、快速發布，推動國家水安全預警系統建設。
轉載自：智慧水利信息平臺