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高光谱遥感技术在水质监测领域应用

在年度中国遥感领域10大事件评选中,“遥感技术首次辅助城市黑臭水体整治工作取得实效”名列榜首,而这与高光谱遥感技术有着很密切的联系。

l  高光谱遥感技术可以为地质学家提供帮助

以前,地质学家野外考察时,需要背着包拿着罗盘,花很大气力把采集到的矿物标本一一背回来进行研究。

而自从有了高光谱仪器,他们只要到一个地方用高光谱仪器扫描一下,就可以获得一条岩石的光谱曲线,从野外回来后根据光谱曲线进行分析,可以知道这个地方矿物分布种类以及区域。

近年来,成像光谱技术也逐渐渗透进了各种非传统遥感行业,比如在医学、生物、刑侦、考古、文物保护等领域开展了广泛的探索性应用。

2006年中科院成功研制了国内首套摆扫式地面成像光谱仪,并与故宫博物院等单位合作在古画、唐卡、壁画、墨书等文物的识别和鉴别方面取得了开创性成果。

光谱分析技术与智能手机的融合诞生了面向普通民众的高光谱应用,借助于嵌入到智能手机里的光谱仪,人们能够随时随地用手机快速检测果蔬农药残留和食品品质安全等信息。

 

l  水质监测领域大有可为

对于全国城市黑臭水体的筛查、治理过程监督和整治效果评价,都迫切需要遥感大范围动态监测提供科技支撑,但黑臭水体遥感监测的有关研究几乎为空白。高光谱遥感技术可以对不同污染程度和不同污染来源的黑臭水体进行区分。

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沈阳市地方上报与遥感识别实地验证河段分布图

中国科学院遥感与数字地球研究所水环境遥感研究团队在北京、沈阳、长春和抚顺等城市开展了十余次黑臭水体野外实验,积累了141个黑臭采样点的实测遥感反射率、遥感反射率、氧化还原电位、溶解氧、透明度、氨氮等数据。

基于黑臭水体和一般水体的反射率细微的光谱差异,发展了黑臭水体光学遥感识别技术,主要包括饱和度阈值法、波段比值阈值法、CDOM(有色可溶性有机物)反演法等。基于黑臭水体和一般水体的水面反射率光谱差异可以区分一般水体、三种类型的轻度黑臭水体和七种类型的重度黑臭水体。

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黑臭水体模型建立和饱和度阈值选取

并发展了基于纯度算法的多光谱遥感识别算法,可以识别一种类型的重度黑臭水体,识别精度约90%。基于这一方法,作为参研单位之一,进行了沈阳、抚顺、长春、杭州、武汉、长沙等13个城市黑臭水体遥感筛查与实地验证。结合高空间分辨率影像,将上报名单的162段黑臭河段标注了空间位置;同时从上千条河流中遥感识别出名单外475段疑似黑臭河段,最终实地验证了383个河段,确定了239个河段为黑臭水体。

利用高光谱数据对内陆水质开展水华和水生高等植物的识别,从而对水质分布情况进行监测,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,从而对水华和水草进行精确识别。

水环境遥感研究团队利用高光谱遥感技术等构建了水体叶绿素a浓度、总悬浮物浓度、水色FU值等9种水质参数、19个反演模型。

其中,针对浑浊水体的悬浮物浓度精度提高了19.7%;研发了国内首个在国家级和省级环保部门业务化运行的内陆水环境遥感系统,为环保部卫星环境应用中心等部门开展水环境遥感应用提供了有力支撑。

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黑臭水体遥感是建设“美丽中国”的一个重大需求,在城市黑臭水体整治过程中,遥感手段在黑臭水体监测和评价方面具有范围广、速度快、成本低等优势,可以为全国城市黑臭水体的筛查、治理过程监督和整治效果评价提供支撑。研究工作为全国城市黑臭水体的筛查提供了重要科技支撑,有力督促了地方政府加快治理黑臭水体,推动了我国城市黑臭水体遥感行业应用的快速发展。





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