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1、ADVANCESINENVIRONMENTALSCIENCEΞ内陆水体水质监测与评价中的遥感应用齐峰王学军(北京大学城市与环境学系,北京100871)摘要本文综述了水质监测与评价中遥感应用研究的发展与现状。主要讨论了水质遥感监测的原理、遥感手段、常用方法和几种具体水质参数的遥感研究方法与进展。最后提出了此领域的发展方向展望。关键词:内陆水体遥感水质监测评价自70年代初期开始,对陆地水体的遥感研究从单纯的水域识别发展到对水质参数进行遥感监测、制图和预测。某些水质参数所代表的物质引起水体表面光学特性的改变
2、,因此可以通过基于接收和记录电磁辐射的遥感技术量测其水体表面光学特性,进而量测物质含量1,2。常规的水质监测、评价需要在水域布置大量的测点才能得到准确的水质分布信息,这些调查受人力、物力和气候、水文条件的限制,且难于长时间跟踪监测。遥感监测则可以大面积、迅速地提供水质信息。卫星遥感还以其特有的优势成为持久监测区域乃至全球尺度上湖泊、水库的有效手段3。随着对物质光谱特征研究的深入、算法的改进以及遥感技术本身的不断革新,遥感监测水质从定性发展到定量,且可通过遥感预测的水质参数种类逐渐增加,包括悬浮颗粒物、
3、水体透明度、叶绿素a浓度以及溶解性有机物、水中入射与出射光的垂直衰减系数,和一些综合污染指标如营养状态指数4,5等。高分辨率的遥感图像还可用于监测河流入湖口处的汇流、扩散等影响污染的流体动力学现象6～8,并可用于一些生态模型、水力模型的验证。以下简要介绍遥感监测、评价内陆水体水质的理论基础、应用情况及其发展前景。一、遥感监测水质参数的原理遥感系统用于量测一定波长范围的电磁辐射值。地表特征和水体参数因影响光的反射、吸收和后向散射而通过遥感系统记录的光谱信号反映出来。湖泊、河流中的成分如浮游植物、溶解性有
4、机物、悬浮颗粒物等还有水本身在不同波长区不同强度地吸收入射光并对光进行散射,引起反射率、向上辐照、颜色等表观参数的改变。透射地球大气的太阳辐射到达气—水界面,一部分被反射,另一部分折射进入水体内Ξ国家教委跨世纪人才培养计划资助3期齐峰等:内陆水体水质监测与评价中的遥感应用91部。这部分入射光在水面下被多种分子选择吸收和散射。主要的吸收者为四种物质:纯水、溶解性有机物(黄物质)、藻类色素和非生命颗粒物9。除了非生命颗粒物在其自然浓度条件下对光不发生明显吸收外,其余三种物质分别选择吸收一定波长范围的光,形
5、成各自的特征吸收波谱。水中的分子及分子聚集体对光的散射使光改变方向,其中的后向散射光与水底的反射光一起返回水面,通过水—气界面回到大气中,就是可以遥测的部分。对于一定的水体,水表面和水底的反射可视为常数,当水较深或浑浊时,水底反射到水面为零,这样唯一能反映水体特征的是后向散射光10,这一部分光既反映了水体内部的吸收特征,也与不同物质的散射相关,所以可以反映水体组分特征。在干净海水中,反射光谱主要与以下因素相关:藻类色素和低浓度有机酸在短波区的吸收和纯水在长波区的吸收,水分子在短波区的散射和中波区的拉曼
6、散射,藻类色素在更长波段的荧光辐射。在浑浊海水和内陆水体中,除这些因素外,反射光谱又受到颗粒物显著的后向散射的影响,高浓度有机酸的吸收还导致短波区反射率大幅度减小11。图1表示了不同类型内陆水体的反射光谱,可以看出,水中组分含量的差别造成一定波长范围反射率的显著不同,成为定量量测物质含量的基础。图1不同水体的反射光谱曲线(来源:文献11)二、利用遥感数据估测水质参数的方法遥感传感器记录的辐射值与水中组分的含量有关,通过辐射值估测组分含量一般有三种方法:理论方法、经验方法和半经验方法。1.理论方法其基础
7、是根据水中光场的理论模型来确定吸收系数与后向散射系数之比与表面反射率的关系。这种关系确定后,可由遥感测得的反射率值计算水中实际吸收系数与后向散射系数的比值,与水中组分的特征吸收系数、后向散射系数相联系,就可以得到组分的含量。70年代和80年代初,一些学者曾利用此途径,基于一定的理论假设建立了一系列预测叶绿素浓度的模型9,12～14。由于理论基础尚不成熟,模型假设的简化使预测值并不能满足精度需要。最近几个学者研究了水下表面辐射反射率与水体内在光学参数的联系15,16,Dekker等发现线形后向散射反射率
8、模型最适宜于内陆水体,但其比例系数却是随特定湖92齐峰等:内陆水体水质监测与评价中的遥感应用7卷泊而变化的。2.经验方法一般通过建立遥感测量值与地面监测的水质参数值之间的统计关系来外推水质参数值。这种方法的缺陷是,由于水质参数与遥感监测辐射值之间的事实相关性不能保证,结果可能不可信。3.半经验方法当需要预测的水质参数的光谱特征已知时将已知的信息与统计模型结合,例如选择特定的光谱区和合理的波段或波段组合的辐射值作为相关变量。这是目前最常用的方法,国内外很多
