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摘要：为了使水环境监测工作中遥感技术的应用发挥出预期作用，文章在介绍城市水环境遥感监测作用的基础上，对水环境遥感监测及其系统构建进行深入分析，提出具体的数据处理方法，以期为相关人员提供参考。

关键词：水环境监测；遥感技术；遥感监测

及时了解城市环境状况对保护环境和实现可持续发展至关重要。传统环境监测方法因成本高、效率低、反馈慢而被遥感技术替代。2018年我国遥感卫星数量大幅增加，预计将持续增长，成为环保监测的重要手段。城市环境监测涉及水、大气、土壤等方面。水环境监测尤为重要，我国已实施水污染防治法多年，居民水环境保护意识增强。本文研究遥感技术在城市水环境监测中的应用，为未来环境监测提供参考。

1城市水环境遥感监测作用

对于遥感监测，是指借助航空或卫星手段获取电磁波信息，以此对环境质量状况进行实时监测与识别，适用于地面覆盖、大气、水环境以及近地表状况的监测。这项技术不仅速度快，而且能十分全面的采集环境信息，广泛应用于大气、水质、海洋污染、城市热环境及绿地、景观等调查监测。

1.1遥感监测内容

遥感卫星搭载光谱传感器，根据各地物光谱差异进行地物辨别和环境监测。水体对光反射最小，主要通过可见光特别是蓝光波段进行遥感。水体污染会改变反射光谱，遥感技术可通过光谱特征判断污染程度。监测内容包括叶绿素a、固体悬浮物、水体透明度等。

1.2遥感监测方法

1.2.1反演方法

卫星遥感技术可实时监测水体环境，常用方法有分析法、经验法以及半经验法。其中，经验方法因操作简便广泛应用，通过实测采样数据与卫星遥感数据关联，实现实时监测。反射比经验公式法常用，包括主要成分分析、相关性比值、人工神经网络等方法。

1.2.2遥感数据来源

美国的LANDSAT卫星自1972年起提供环境遥感监测数据，包括TM/ETM+/MSS系列，具有高光谱分辨率，广泛应用于水环境监测，本文水质分析使用了该卫星的TM波段。

2水环境遥感监测

2.1地表水体水文要素遥感监测

（1）水体分布遥感自动提取

在遥感监测过程中，水体分布提取作为一项初始工作，可以为水体污染信息提供边界。基于水体在特定波段的低反射率特点，采用如NDVI、NDWI等水体特征光谱指数进行阈值分割提取。然而，阈值确定困难，自动化算法复杂且效果不稳定。相关研究提出以水体光谱指数为基础的MHBM法，该方法通过以下方式简化算法并提升精度：①以水体光谱指数为依据完成粗提取，并放大作为感兴趣区域；②在要求的阈值范围内找出直方图最小值。MHBM在简化算法和减少辅助数据的同时，实现了高精度，适用于对大型水体分布进行自动提取。水体分布概率如图1所示。

（2）水体面积、水位和水量遥感监测

在水文分析过程中，需将水位与面积作为关键数据，传统上依赖实地观测。然而，部分区域由于观测站数量不足不能获取真实数据。卫星测高技术的发展为水位获取提供了更多可能性，如ICESat-GLAS、Hydroweb和GRLM数据集，但湖泊水量变化分析尚不充分。在实际情况中可根据MODIS数据对湖泊面积产生的变化进行监测，确定湖泊是否有扩张趋势。根据ICESat数据能对湖泊水量平衡状态进行模拟，确定水量增加的年份。例如，针对青藏高原湖区实际情况，根据其湖泊面积大小和水位情况建立关系模型，对湖泊在20年时间里发生的水量变化进行估算。经估算可知，绝大多数湖泊的水量都有增加趋势，这和气候因子变化密切相关。

2.2典型湖库水质参数遥感监测

（1）典型湖库叶绿素a浓度遥感监测

在对水体营养状态进行综合评价时往往要用到叶绿色a浓度。对于内陆水体，其光学特性往往十分复杂且趋于变化，难以统一模型反演。针对这一实际情况，可采用以分类为基础的反演模型，但存在反演结果跳跃和类别覆盖不全的问题。为解决上述问题，提出了模拟分类的方法。该方法先对水体光学实施分类，同时对不同类型的质心光谱进行计算。随后，标定最优反演算法，并通过距离权重加权融合各算法结果。该方法提高了反演精度，避免了数值跳跃，并在MERIS图像对叶绿素a浓度进行反演，以此验证是否精确、稳定与平滑。

（2）典型湖库悬浮物浓度遥感监测

悬浮物浓度是对地表水体综合质量状况进行评价的一项重要参数，会对水体光学性质与初级生产力带来很大影响。监测方法主要有经验法和半解析法。以某湖为例，对不同季节条件下水体光学特性进行分析，经分析得出红外波段悬浮物、叶绿素a和黄色物质吸收系数都接近于0。借助生物光学模型，可提出以近红外单波段为基础的反演方法，即半解析法，该方法仅需HJ-1 CCD的一个近红外波段作为输入参数。该方法无需同步数据支持，实用性强，适用于HJ-1 CCD及其他含近红外波段的遥感数据（如MODIS、VIIRS等），但仅适用于高度浑浊水体。悬浮物浓度分布如图2所示。

2.3大范围湖库水质参数遥感监测

（1）大范围湖库营养状态遥感监测

水体富营养化导致藻类及水生生物过度生长，破坏水体生态。传统遥感评价依赖水质参数反演，但受限时空范围。为克服此局限，可根据水体颜色信息对水体营养状态进行评价。水色与水质组分相关，可指示水质特征。水色指数（FUI）基于自然水体颜色分级，可通过遥感影像计算。FUI不会受到大气校正太大影响，跨传感器转换能力强，能在较大的范围长期开展监测。根据以MODIS图像为基础经计算得出的FUI与红波段反射率可以对水体营养状态进行综合评价，其精度往往不低于80%。

（2）大范围湖库透明度遥感监测

根据透明度能衡量水体浑浊程度，传统用塞氏盘法测量。LEE等提出了反演透明度的半分析模型，但大范围湖库水体的透明度，其反演由于水体光学特性十分复杂所以有很大不确定性。对于此实际问题，可建立以MODIS图像为基础的估算模型，采用该模型可得出平均透明度，为下一步空间分布分析以及变化趋势分析提供参考。

2.4水环境监测数据处理

（1）水环境实地调查数据的获取

以某地级市为例，其城区内有18条河道，总长30km，水域面积约占城区10%。河道自净能力差，经济发展导致水体污染加剧。对此，借助卫星遥感技术实施动态监测，减轻外业工作负担。为验证水体污染与遥感光谱关系，需在现场进行采样。采样点选择平缓位置，共设12个点位。整个采样过程必须符合相关技术要求，主要分析指标包括DO、CODMn、COD、TN、TP等。水域采样点位数据如表1所示。

（2）水环遥感数据获取

通过GPS-TRK定位坐标，利用遥感卫星获取基础图像。处理时，使用ENVI平台进行预处理和水体提取，得到高质量遥感图像及数据。同时，对图像灰度以及水体指标进行对比，设置4x4像素格栅区域均值提高精度，最终得到水体指标值及光谱波段灰度值。水体指标值及对应的各光谱波段的灰度值如表2所示。

（3）数据处理

在分析确定图像灰度和水体指标之间的关系时，可采用回归分析的方法以及因素分析方法。其中，采用回归分析的方法能确定因、自变量两者的关系，并建立回归方程；因素分析则根据回归结果，将自变量分组为公共因素。为了研究灰度值与城区水域实测数据的关系，建立了回归分析模型，并利用因素分析的降维方法描述污染因素。结果显示遥感波段和污染指标之间有一定关系，可用于水体污染监测。通过数值计算和SPSS软件分析，可得出城市范围内污染水质实际分布图。虽然部分水质因素较低，但未来研究将解决这些问题。因素分析需要大量采样点以提高精度，未来将适时投入相关工作。

3地表水环境遥感监测系统

该系统基于遥感监测模型设计，包含四大子系统：水体图像处理、水质参数反演、污染信息提取、专题报告生产。图像处理子系统预处理遥感图像，如辐射校正、水体提取等。水质参数反演子系统能反演叶绿素a、悬浮物等参数。污染信息提取子系统识别蓝藻水华、赤潮等污染物。专题报告生产子系统基于模板生产专题报告。该系统支持一键式自动化生产水环境遥感监测报告，提高工作效率，促进卫星遥感在水环境监测中的应用。

4结语

城市水环境监测研究表明，环境遥感技术高效、直观、低成本。随着技术发展，遥感技术可建立全面城市环境监测系统，实现实时监测与污染预防、治理，推动城市环境可持续发展。本文验证了遥感水环境监测原理及经验分析模型的有效性。未来需加强水体反演方法研究，扩展遥感技术应用范围，完善数据源，如利用无人机、塔基、船载遥感数据及智能手机众包监测。从监测方法的角度分析，建议在水环境遥感监测过程中引入深度学习技术。在监测方法的应用方法，可建立支持共享的产品集，以此进一步推动遥感技术发展和应用。

参考文献：

[1]刘金浩，姚晓峰，赵立立.水环境监测中遥感技术的作用及应用策略探究[J].清洗世界，2024，40（06）：82-84.

[2]曹艳娟，杨冬梅.遥感技术在水环境监测工作中的应用研究[J].皮革制作与环保科技，2024，5（03）：25-27.

[3]陈向进.水环境监测中遥感技术的作用及应用策略探究[J].皮革制作与环保科技，2023，4（22）：27-29.

[4]孙同之.浅析水处理中环境监测技术的作用及应用[J].皮革制作与环保科技，2023，4（10）：22-24.

[5]张建国，鲁佳，蔡厚安，等.高光谱遥感技术在大冶地区水环境监测中的应用[J].矿产勘查，2023，14（03）：471-479.

[6]李志远.水环境监测中遥感技术的作用及应用策略分析[J].清洗世界，2023，39（03）：155-157+11.

[7]胡永森，周朝阳.基于高分数据的赣江流域水环境监测平台设计与实现[J].环境保护与循环经济，2022，42（10）：81-83+110.

作者简介：徐志兵（1977.12）男，土家族，湖南省张家界市，大专，工程师，主要从事环境监测方向工作