高光谱检测技术在环境水质分析中的应用探讨

吕俊鹏，田 耘，黄贤文，王静林

（深圳市迈珂斯环保科技有限公司，广东 深圳 518110）

近年来，随着我国经济的快速发展及城市化进程的加速，暴露的环境污染问题也越来越严重，特别是水污染问题越来越多地影响着人们的工作和生活。工业废水的无序排放，对水环境产生了严重的损害。环境保护部发布了“中国环境状况”，足以说明我国的水环境不乐观，地表水普遍受到污染，一些城市河段也受到严重污染。水污染的最直接影响是为人类健康带来严重的威胁。根据世界卫生组织调查，在发展中国家，超过70多种疾病与水污染有关，因此，水污染直接或间接地影响着人们的健康和生活，所以必须要对水质进行在线监测。水质检测系统的实时在线水质探测器，不仅能够保证检测速度，而且成本较低，适合广泛使用。目前，水质探测器正在向自动化、智能多功能化和集成化方向发展，如可以直接利用紫外线吸收光谱法检测水中污染物的浓度。而具有独特的高光谱技术的高光谱遥感技术可以对水中沉积物的含量和污染浓度进行有效识别，对调查和监测环境具有独特的影响，水反射的光谱可通过黄色物质、藻类的较低吸收、藻酸盐的吸收、叶绿素的强吸收等实现。

1 高光谱遥感技术相关概述

1.1 高光谱遥感技术介绍

高光谱遥感技术主要是指高光谱分辨率。换句话说，就是由多段窄电磁波波段组合而成的连续的光谱曲线，每一小段的电磁波波段通常情况下都在10 nm以内。而遥感主要是指在实际探测目标特性的过程中，探测器不需要直接接触探测目标，而是通过分析记录接收等方式收集电磁波的特性信息，以此来明确探测目标的变化及特征性质。

高光谱遥感技术最早出现于20世纪80年代，这种技术本质上属于一种新出现的观测技术。相比于传统的遥感技术来说，这项技术的优越性十分显著。首先，高光谱的波段组成更加丰富。而从数据量变化的角度来进行分析，伴随着波段数的逐渐增加，数据量的增长也会逐渐呈现出指数性的状态。其次，相邻的波段之间有着较高的相关性，光谱曲线不仅具有连续的特点，同时还具有完整的特点，尤其是在对宽光谱遥感探测技术难以探测到的物质进行探测的过程中有着十分显著的优势。此外，高光谱波段自身的分辨率普遍相对较高，其能够对于物质的细微特征进行详细以及轻微的反应，在实际进行数据探测过程中，探测结果的精细度相对较高。最后，这项技术可以进行双重信息的提供，不仅可以提供光谱域的信息，同时也可以提供空间域信息。在上述基础上，地面实际测量的光谱曲线和成像光谱仪得到的光谱曲线能够真正实现高质量的类比，其实际应用价值相对较高。

高光谱遥感技术的出现已经超过20年。它是在成像光谱的基础上开发的，并且在一定的光谱范围连续分布。这不仅仅是一种简单的数据量，而且随着频谱空间信息量的增加，为了使用遥感技术，监控表面的环境变化可提供更多信息，这也使传统遥控器感知的监测目标在自然界发生了变化。传统的遥感可以被视为光谱空间的离散采样，因此可以区分目标，其在光谱空间中通常有明显的差异，例如具有完全不同的光学行为的水体、植被、裸地等，而高光谱分辨率遥感由于满足连续性及光谱可分性的要求，可以区分不同类别的同一物种，这无疑成为在环境调查中应用遥感技术更完整的理论依据。强大的检测方法，也会使数据处理和信息分析技术发生根本变化。

1.2 高光谱遥感技术的应用

在实际针对环境相关变化进行监测的过程中，遥感技术的应用十分普遍。由于高光谱数据自身具有较强的优越性，不仅能够使监测的精度得到进一步提升，且在水环境监测领域、大气监测领域、生态监测领域及地质监测领域，高光谱遥感技术的应用都十分普遍。在实际判断污染源扩散影响范围、污染源周围扩散条件、污染源分布等方面问题时，高光谱遥感技术的应用价值均相对较高。另外，这项技术还能够被应用于热污染的监测，例如：通过在卫星上放置遥感仪器，研究人员通过对卫星影像进行清晰以及全面的观察，则能够准确地发现具有热红外波段的焚烧点，进而实现对全国焚烧点进行监测的目标。

从高光谱遥感技术自身的角度进行分析，其光谱分辨率能够达到纳米级别，因此，在进行生态领域环境监测的过程中，高光谱遥感技术的应用也十分普遍。从现实研究的角度进行分析，主要包括生物量估算分析、叶面指数计算、植被识别以及植被指数提取几个方面。

从地质领域的角度进行分析，人们通过合理应用高光谱遥感技术，不仅能够获得更为丰富的矿物和岩石吸收反射数据，同时通过合理应用这些数据还能够有效地辨别矿物岩石的种类，并且填涂勘察地质环境的应用价值相对较高。

与传统的低频分辨率遥感技术相比，高光谱遥感技术在土地观察和环境调查中得到了更广泛的应用，可以大大提高地物方面的分辨识别能力，可区分同一地物的不同类别，这在传统的低频光谱分辨率遥感技术中很难实现。同时由于成像光谱的波段变窄，可选择的成像通道变多，因此“异物同谱”和“同谱异物”的现象减少，只要波段的选择和组合恰当，就可以很好地控制一些地物光谱空间混淆的现象，这无疑为进一步分析提供了最可靠的保证。

1.3 高光谱遥感技术的发展

高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，它是根据光谱曲线的形态来识别地面物体。它利用成像光谱仪在连续几十个甚至几百个光谱通道获取地物辐射信息，在取得地物空间图像的同时，每个像元都能够得到一条包含地物诊断性光谱特征的连续光谱曲线。这使在宽波段遥感中不能检测到的物质可以在高光谱遥感中检测到，在黑臭水体遥感监测中，高光谱遥感技术可以区分不同污染源和不同污染程度的黑臭水体。中国科学院的遥感研究已经在北京等城市进行了十多次黑臭水体实验，累计在141个地区进行取样。基于黑臭水体和一般水体的水面反射率光谱差异，开发决策分类树，可以区分一般水、三种类型的轻度黑臭水体和七种类型的重度黑臭水体。可以开发基于纯度算法的多光谱遥感算法，识别出一种类型的重度黑臭水体，基于这种方法，监测水质的分布也是高光谱遥感的重要应用。由于水草和水华光谱与植被光谱具有一定的相似性，常用的多光谱遥感数据很难精确识别水华和水草，只有高光谱遥感数据才能够捕捉复杂多变的水华、水草和水体细致的光谱差异，从而精确地识别水和水草。水环境遥感研究团队构建了9个水质参数，如水叶绿素浓度、总悬浮浓度和水色FU值等，同时包括19个反演模型，成为国内第一家水环境遥感系统在国家和省级环境保护部门的业务体系中运作的案例。

2 高光谱检测在环境水质分析中的应用

2.1 水环境遥感监测原理

水污染遥感是指使用地面、航空、空间和其他遥感平台来检测河流、湖泊、水库和海洋、水、排放、吸收特性的变化，从而实现水污染分布和水污染的快速监测[1]。利用测试变量的NDVI值，使用CART算法来确定分离阈值，并通过构建决策树的方法来分析蓝藻水。藻类、溶解性有机物、化学物质、水中悬浮物、油类物质、热释放物等，都是作为水环境评估依据的参数，且不同物质的光谱特性是不同的。

藻类，本质上属于溶解性有机物的一种，属于化学物质的一种，也是悬浮在水中的一种物质，同时它也是一种十分常见的油类物质，能够进行热释放、病原体的释放等，这些都是在进行水环境评估过程中所依据的最为重要的参数。而不同物质具有不同的光谱特征，例如。叶绿素、藻青蛋白、藻类以及黄色物质所吸收的波长分别为675 nm、624 nm、560～590 nm以及400～500 nm。但是从另外一个角度讲，在水质不同的情况下，水中所含有的以上物质的数量以及比例也存在较大的差异。因此，从遥感图像的角度进行分析，所反映出来的变化和色段也会呈现出较多的差异性，通过合理应用上述特性，就可以借助遥感技术对水环境的光谱数据进行分析及收集，进而明确水环境所具有的特征。如果水质出现了被污染的情况，其光谱特征也会呈现出独特的特点，其所呈现出的状态也会与清洁水质之间存在相对较大的差异。

2.2 检测仪器

通过两个设备仪器可以实现高光谱数据的获取：非成像光谱仪和成像光谱仪。非成像光谱仪与便携式超光谱仪和场光谱仪很常见，非成像光谱仪主要用于表面校准空气传播的成像光谱仪，测量水质参数以及水体光谱反射曲线。成像光谱仪将图像与频谱相结合，能够真正实现“图谱合一”。另外，现实中也将成像光谱仪称为高光谱成像仪，可以用于水环境检测以及实际工作中水质环境的观察。非成像光谱仪又分为野外光谱仪和便携式超光谱仪，非成像光谱仪大都应用于野外的水体光谱反射的曲线测量，也应用于表面校准记载成像光谱仪的水质测量。而成像光谱仪又被成为高光谱成像仪，它能综合测量地物光谱与图形。通常成像光谱仪有三种使用方式，即在地面放置的成像光谱仪、利用小型飞机作为平台对其进行搭载使用的成像光谱仪、在航天飞行器中搭载使用的成像光谱仪。这三种方式都可以检测水环境，在实际开展工作的过程中，应注意结合水环境面积、研究经费、是否需要移动等多种因素选择使用其中的一种方式。因此，在水环境监测中，利用高光谱遥感技术能够有效提高监测质量，在未来的发展过程中，水质监测空间仍具有扩展的可能。

2.3 实际应用

在水环境监测中根据水中光谱反射率、波谱数据分析、水体光谱特征等对水体泥沙的含量、水污染程度、污染类型等进行判断、分析。回归分析和预测是环境遥感监测中最常用的分析方法。PHI成像光谱图像可以对红潮生物优势物种进行识别，高光谱图像可以反映悬浮物浓度、叶绿素富集、水深和其他水的特性。红潮水体与普通海水的光谱特性之间存在明显的差异，并且在不同优质藻类之间的频谱特性也存在显著差异。目前，成像光谱仪在大型检测站中得到广泛应用，旨在监测河口污染、海面溢油、赤潮等海洋灾害，是以动态化的方式，利用成像光谱仪、水面超光谱进行监测，获得了大量数据信息，这有助于分析污染物浓度及水面反射率，进而获取总悬浮物浓度与水面反射率的最佳光谱通道。尤其我国在开展西部金睛行动中，对水体光谱反射率计算泥沙含量的最佳波段和可行性选择研究以及高光谱遥感水体深度研究和识别水污染程度研究方面取得了重大突破。

在实际监测水环境过程中，通过借助高光谱遥感技术，不仅能够达到对探测目标的光谱特性进行收集的目的，在进行实际分析的过程中，还可以有效覆盖以下几个方面：首先，在充分结合水体光谱反射率的基础上，能够对水环境中的最佳波段以及泥沙的含量进行合理有效地探测。其次，能够辅助相关人员明确水体的深度。此外，还能够有效分析波谱数据的相关性，对内陆水体的污染程度进行合理有效地评估，方便相关人员在充分了解水体污染程度的基础上，针对性地进行水体治理方案的制定。最后，通过充分了解水体自身所具有的光谱特征，对所获得的相关信息进行全面地分析，达到对水环境的污染类型进行判断的目的[2]。在开展环境遥感监测活动过程中，最常用的两种方法就是回归预测及回归分析。但是，在实际应用上述两种方法的过程中，由于其应用领域普遍存在较大的差异性，因此，要能够合理地根据实际情况进行选择，确保在实际进行环境水质分析过程中，高光谱遥感技术的价值能够真正得到全面及充分地发挥，为环境污染问题的有效解决打下扎实的基础，尤其是为我国环境治理工作的正常开展提供充足及全面的支撑。

3 总结

目前，在实际进行水环境监测相关工作的过程中，我国许多研究人员将高光谱遥感检测技术应用于水环境监测，实现了更好的应用效果，该技术为我国水环境监测工作的完成提供了充分的保障及支撑。高光谱技术具有非常广阔的前景，挖掘光谱数据、水质检测模型计算等也具有巨大的研究潜力。