流域水环境遥感研究进展与思考

流域水环境遥感研究进展与思考

张帆挺

身份证： 33010619920410 **** 浙江 杭州 310012

摘要：水环境直接或间接地影响着人类的生活和发展，而卫星遥感技术的分析能为了解、掌握和管理流域水环境变化提供数据参考。本文详细探讨了流域水环境遥感研究进展。

关键词：流域；水环境；遥感技术；研究进展

卫星遥感技术在流域水环境监测中具有快速、宽范围、周期性等优点，为内陆水体碳通量的研究提供了一定的参考。因此，今后有必要加强对不同水体形态水环境遥感参数的研究，以实现流域水环境信息的准确分析。

一、流域水环境遥感研究进展

1、浮游藻类。我国内陆水体最突出的问题是水体富营养化，其最显著问题是藻类。其中，蓝藻生长异常，易堆积和腐烂，在沉降作用下，它们淤积在河口和近岸等处，经死亡消解后，易形成黑水团，造成生态环境恶化，严重污染水资源。

通过EVI、NDVI、DVI等方法识别分析水体中的藻华分布状况，效果显著。但在处理过程中，会受气溶胶等多种因素的影响，导致阈值不稳定等问题。为实现自动化处理，采用FAI算法对综合红光和近红外波段的峰值高度进行分析，与传统方法相比，该方法更稳定，实现了长时间序列数值重建处理。

2、水生植被。水生植被对维护淡水生态系统的平衡具有重要作用，能有效提高生态系统的稳定性。目前，卫星遥感技术在水生植被覆盖度、类群和生物量监测方面取得了显著成效。

3、水面变化。流域内湖泊、水库等水体在气候和人类活动的变化及影响下，将对水面积造成巨大的变化和影响。将水面面积作为表征环境变化因子的参数进行分析，能实现有效的检测分析。随着人工智能、大数据等技术手段的不断成熟，传统问题和不足得到了有效解决。

二、流域水环境遥感技术的应用

1、水体富营养化。大量营养盐进入流域水体后，在一定条件下会导致大量藻类繁殖，藻类死亡后会消耗大量溶解氧，加速鱼、虾、贝类的死亡，这一过程就是流域水体的富营养化。叶绿素尤其是叶绿素a，是评价水体富营养化程度的最重要因素。采集叶绿素生物量数据，通过数据和遥感数据分析水体绿度值，确定遥感回归模型，从而获取水体环境中叶绿素和生物量空间分布信息，达到水体富营养化监测目标。

2、泥沙污染。水环境中的泥沙会引起水体光谱特性变化。在实际工作中，选择与泥沙泥沙相关性好的波段，分析悬浮固体含量比重，建立波段辐射值与悬浮固体浓度关系模型，并对辐射值进行反演，得到悬浮固体浓度。在580～680μm波段，不同泥沙浓度能产生不同辐射值，这也是遥感监测水体泥沙的最佳波段。一些学者通过陆地卫星数据分析水环境中悬浮物含量；通过反射率和悬浮物含量负指数模型等，能很好地检测水环境中泥沙污染状况，为后续流域水环境治理方案的制定提供信息支持。

3、热污染。由于电力、钢铁、化工等企业生产中使用冷却水，当这些废水超过热水排放标准流入江河时，会导致自然水温升高，导致水体发生物理、化学和生物变化，即热污染。利用遥感技术监测水体热污染主要采用热红外遥感和微波遥感。其中，红外传感器用于检测水环境的热污染，获取多时相热红外图像。通过地面观测，可得到热污染的排放、流向、温度分布情况。借助光学技术和计算机技术，对图像进行密度分割，结合少量同步检测水温，保证水体温度分布曲线。

4、废水污染。废水的成分和性质复杂，特征曲线的反射强度和位置也不同。污染物含量与波段之间的比值相关性取决于水体污染的性质和程度。废水污染监测主要采用多光谱合成图像，即红外线成像方案。社会生产活动导致大量废水进入流域，废水中含有丰富的有机物，在分解中会消耗大量的氧气，COD和BOD值较高。借助红外传感器，可判定流域中染料、碳氢化合物比重，从而掌握水体污染状况，并根据水中泥沙悬浮物和浮游植物确定污染源。

三、流域水环境遥感研究展望

1、建立流域水环境卫星遥感观测系统及系统框架。流域水环境遥感对象复杂，包括大型湖泊、小型湖泊、库、连续河流；观测参数多，不仅包括传统的水色与水质参数，还包括更多的水环境参数；所需的观察时间频率高，基本上一天一次，甚至一天几次。这对现有的卫星遥感系统提出了巨大的挑战，迫切需研制高、中空间分辨率、高重访周期、高光谱、高信噪比等的流域水环境监测专用卫星。同时，通过组建小卫星群，结合无人机及无人船等，以及在线浮标、岸基视频等在线浮标观测手段，形成全方位、多尺度的流域遥感信息天-空-地立体获取能力，从而实现对整个流域水环境变化的动态监测。

随着对地观测技术的发展，人类对流域的综合观测能力显著提高，遥感数据呈现出明显的“大数据”特征，科学范式开始由模型驱动向数据驱动转变。然而，现有的数据处理能力仍停留在单一传感器和单要素水平，遥感数据利用率低，处理速度慢，海量数据无法有效利用，却占用有限的存储空间，甚至在一定程度上造成了“数据灾难”。因此，必须有效利用当前智能算法、云计算等先进技术，加强遥感大数据处理、分析、挖掘能力建设，加快系统集成及应用开发，将遥感大数据转化为流域水环境关键参数信息与产品，为流域地理学发展服务。

2、开展全流域统筹的水环境遥感监测与模拟研究。当前，江河湖泊水环境污染严重，但问题的根源在于流域。一般来说，“问题表现在水里，根源在岸上”。目前，我国实施的水环境保护制度主要有“河长制”和“湖长制”，其核心思想是控制污染物的来源。然而，要控制污染源，不仅要了解污染源位置及排放量，还要了解污染物的输移过程。事实上，目前流域水环境遥感工作主要是针对湖泊、水库等水面面积较大的水体进行，关于河流水体遥感监测的报道较少，缺乏从整个流域的角度对水环境进行遥感监测。这些都给流域水环境治理带来了巨大障碍。

随着卫星、无人机、岸基视频、手机摄像头等多种观测手段的快速发展，迫切需要建立一个流域尺度河流-湖泊一体化的水环境智能化监测技术系统，结合水质、水动力、水生态等模型，分析不同来源污染物总量，根据生态功能分区进行污染物分类分区核算，根据目标水质及水生态健康确定流域环境容量，提出适应流域生态系统、水雨情、水文过程的污染物削减空间分配方案，优化土地利用，加强水资源配置，促进产业结构转型升级，实现融水源涵养、水质目标管理、污染削减规划制定、水源地保护、供水安全保障等综合管控。

3、加强流域水体碳循环遥感研究。作为气候变化的响应器，湖泊、水库、河流等淡水生态系统的碳通量研究已成为当前全球碳循环研究的前沿及热点问题。尽管内陆湖泊和其他水体面积比海洋小得多，但它们的生态系统生产力高，而且与陆地生态系统有着强大的物质、能量、信息交换，是全球碳循环的重要组成部分。近年来，相关成果不断发表在Science、Nature、PNAS等国际权威期刊上。然而，当前在流域、大洲、全球尺度水体碳通量估算中存在着数据不一致等问题；例如，全球内陆水体碳通量从0.63Pg·a^-1变化到3.88Pg·a^-1，差异可达5倍以上。这些不确定性对准确评估内陆水体的碳收支及预测大气温室气体浓度的未来变化趋势具有重大影响。

数据不一致的主要原因之一是数据观测的时空尺度不一致，未考虑水体碳季节和空间等差异。卫星遥感具有快速、大规模、周期性等特点，为内陆水体碳通量研究提供了较好的研究手段。事实上，内陆水体碳通量与水体面积、富营养化程度、初级生产力、叶绿素a、DOC、POC浓度等密切相关；利用卫星遥感能大面积、准确、快速地获取这些因子，不仅可将水体碳通量从“点”推到“面”，而且为在区域乃至全球范围内准确评估水体碳通量提供了新的途径。因此，今后有必要加强对水体中不同形态碳与水环境遥感参数之间关系及机理的研究，为更准确地估算流域及全球碳通量提供服务。

参考文献：

[1]段洪涛.流域水环境遥感研究进展与思考[J].地理科学进展,2019(08).

[2]代新年.流域水环境遥感研究进展与思考[J].环境与发展,2020(03).