高光譜遙感技術在水質檢測水環境監測中的應用探討

1 高光譜遙感技術

高光譜即高光譜分辨率，指的是由許多段窄電磁波波段連接而成的連續的光譜曲線，每一小段電磁波波段通常小于十納米。遙感是指，在對探測目標的特性進行探測時，探測儀器不直接與探測目標相接觸，而是通過接收、記錄、分析探測目標的電磁波特性信息來判斷探測目標的特征性質及其變化。

高光譜遙感技術興起于二十世紀八十年代，是一種較為新型的觀測技術。與傳統的遙感技術相比，高光譜遙感技術具備許多優越性。

第一，高光譜由更多的波段組成，數據量隨著波段數的增加呈指數性增長。第二，相鄰波段間相關性高，光譜曲線完整、連續。能夠探測到寬光譜遙感探測不到的物質。第三，高光譜波段具備高分辨率特性，可以反映物質的細微特征，探測數據更為精細。第四，可以提供空間域和光譜域雙重信息，另外，地面實測的光譜曲線可以和成像光譜儀得到的光譜曲線相類比。

2 高光譜遙感技術在環境監測領域的運用

遙感技術可以及時有效的監測環境變化，而高光譜數據以其優越性提高了變化監測的精度。目前主要將高光譜遙感技術應用于生態、大氣、地質、水環境等領域。

對大氣污染源分布、熱污染的監測、污染源周遭擴散條件、污染源擴散影響范圍等等的調查都可以用高光譜遙感技術實現。例如：將遙感儀器放置于衛星上，我們就能從衛星的影像上清晰地看到具有熱紅外波段的焚燒點，實現對全國焚燒點的監測。

高光譜遙感憑借其納米級的光譜分辨率被應用于生態領域，主要研究方向是植被識別、葉面指數計算、植被指數提取、生物量估算分析方面。

在地質領域，人們可以利用高光譜遙感獲取巖石和礦物的吸收反射等數據來辨別礦物巖石的種類并對地質環境進行填圖勘察。

3 在水質檢測水環境監測中的應用

3.1 水環境遙感監測原理

藻類，溶解性有機物，化學物質，水中懸浮物，油類物質，熱釋放物，病原體等等，都是作為水環境評估依據的參數。不同物質的光譜特征不同，例如，由黃色物質、藻類、藻青蛋白、葉綠素a等將會依次吸收波長分別為400～ 500 nm、560～ 590 nm、624 nm及675 nm的波長引起內水體反射波譜。不同的水質由于含有以上水中物質的成分不同，會在遙感圖像中反映出不同的色段和變化。根據這一特性，就可以利用遙感技術收集水環境的光譜數據并分析出水環境特征。被污染的水質具有獨特的光譜特征并區別于清潔水質。

3.2 檢測儀器

高光譜數據的獲取可以通過兩種設備儀器實現：非成像光譜儀和成像光譜儀。

非成像光譜儀常見的有便攜式超光譜儀和野外光譜儀等，地物的光譜反射率是以圖形等形式記錄而非影像形式。非成像光譜儀主要用于表面校準機載成像光譜儀測量水質參數，以及在野外對水體光譜反射曲線的測量。成像光譜儀將圖像與地物光譜測量結合，“圖譜合一”，成像光譜儀也叫高光譜成像儀。成像光譜儀的使用一般有三種方式：一是搭載在航天飛行器中，二是以小型飛機作為搭載平臺，三是把成像光譜儀放置于地面。這三種方式都可以作為水環境檢測的手段，在實際工作中根據具體情況考慮研究經費、水環境面積和觀測是否需要移動等因素對這些手段作出選擇或者搭配。

3.3 實際應用

在水環境監測中，利用高光譜遙感技術收集探測目標的光譜特性后，主要進行以下幾方面的分析：根據水體光譜反射率來計算水環境中的泥沙含量可行性和最佳波段；探測水體深度可行性；對波譜數據進行相關性分析，評估內陸水體污染程度；通過水體的光譜特征分析判斷水環境的污染類型。回歸分析和預測是環境遙感監測中最常用的分析方法。

PHI成像光譜圖像可以對赤潮生物優勢物種進行識別；高光譜圖像能夠反映懸浮物含量、葉綠素富集度、水體深度等水體的特征。赤潮水體與正常海水之間，不同優勢藻類之間的赤潮光譜特征均存在顯著差異，成像光譜技術在檢測赤潮方面可以大展身手。

以下是將高光譜遙感技術應用于現實生活中水體環境檢測的真實事例，通過這些例子，我們能夠更加直觀的感受高光譜遙感技術在水環境檢測領域的實際應用。

例如：美國“ 9.11”爆炸后，USGS用AVIRIS成像光譜儀對世貿中心廢墟及其附近地區遙感成像，制作而成水體沉積物分布圖。[1]有國外研究者用交叉相關算法探測海水的若丹明（一種紅色熒光染料）的濃度。[2]我國的大型監測站正在使用成像光譜儀對海洋災害（赤潮、海面溢油、河口污染等）進行監測，并且建立了應用模塊。有研究者在太湖、滇池進行了水環境監測和動態跟蹤研究，他們通過水面超光譜測試、成像光譜儀航空成像以及衛星資料，獲得大量可靠資料，對水面反射率與污染物濃度進行相關分析，得到獲取葉綠素a濃度和總懸浮物濃度信息的最佳光譜通道。在863西部金睛行動中，我國研究者進行了水體光譜反射率計算泥沙含量的可行性和最佳波段選擇研究以及高光譜遙感識別水污染程度和水體深度的方法研究。[3]

總結

將高光譜遙感技術應用于水環境監測為更好地完成監測工作提供了強大保障。目前我國的許多研究者，已經身體力行地將這一技術應用于了水體檢測中，取得了較好的應用效果，高光譜圖像技術在水環境監測領域的優勢毋庸置疑。在未來，高光譜遙感技術在水環境監測中的應用前景十分廣闊，挖掘新型遙感數據、水質檢測模型空間拓展等領域還有十分巨大的研究潛力。