水污染遙感

利用污染物的紅外、紫外或螢光特徵，套用遙感飛機、航天實驗室、地球衛星等遙感儀器，監測河流、湖泊、水庫、海洋等水域受污染狀況的現代技術。具有連續、快速的特點，可以測定水污染的總體分布和污染源的位置，提供大面積或人不能到達的地方的水污染狀況。監測對象主要是水面油污染狀況、水中的懸浮物、工業排放的廢水、電廠的冷卻水、形成赤潮的藻類等。水體污染的遙感對定量測定尚有困難，常需配以常規監測技術。

基本介紹

• 中文名：水污染遙感
• 外文名：Remote sensing of water pollution
• 方法：遙感飛機、航天實驗室、地球衛星
• 對象：河流、湖泊、水庫和海洋
• 特點：連續、快速
• 類別：環境遙感之一

釋義

水污染遙感 remote sensing of water pollution套用遙感飛機、航天實驗室、地球衛星對地面水體和海洋進行遙感監測的技術。此項技術能連續，快速地測定河流、湖泊、水庫和海洋的污染特徵，以及水污染的總體分布相污染源的位置。使用的儀器有紅外掃瞄器、多光譜掃瞄器、微波系統和雷射雷達等。

原理

水污染遙感利用水中物質對光波和電磁波的反射特性，以及物質本身的熱輻射特性來探測漂浮在水面和懸浮於水體中的物質以及某些溶解於水的化合物。對於化學污染物可利用其螢光特性來探測，對於水中懸浮物質則利用光吸收技術來探測。紅外遙感可測量水溫並作出大面積水體等溫線圖。紫外攝影可偵察水表面的油膜。衛星遙感技術可追蹤海上大面積油膜移動的方向。

分類

從遙感方法的角度出發，將其分為泥沙污染、石油污染、廢水污染、熱污染和富營養化等幾種類型。

水體富營養化的遙感監測

生物體所需的磷、氮、鉀等營養物質在湖泊、河口、海灣等緩流水體中大量富集引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖、水體溶解氧含量下降、水質惡化、魚類及其他生物死亡的現象叫做水體富營養化。通常這種現象發生在江河湖泊中稱為水華，發生在海中叫做赤潮，當水體出現富營養化時，由於浮游植物中的葉綠素對近紅外光具有明顯的“陡坡效應”，因而這種水體兼有水體和植物的光譜特徵。在可見光波段，反射率較低，在近紅外波段，反射率明顯升高，這樣在彩色紅外圖像下的富營養化水體常呈紅褐色或紫紅色。

1．湖(庫)水體的富營養化遙感監測

我國幅員遼闊，是一個多湖(庫)的國家，占全國總面積的8%左右。由於湖庫水體與人類的生存活動息息相關，其水質的好壞直接影響到人們的生活。近些年來，由於經濟高速發展及人口劇增，生活與工業污水的大量排放、養殖業的發展等，使湖庫水體受到嚴重的污染，出現富營養化，水質下降，生態系統與功能受到嚴重破壞。因此，對湖庫水體的富營養化監測研究已成為舉世矚目的環境問題之一。然而，由於湖庫受地質構造格局的控制，很大一部分湖庫分布在高山窪地、水深、面積廣，交通不便，進行地面常規環境監測難度很大，而利用遙感技術手段卻能快速、巨觀、準確、真實的對湖庫的富營養化污染監測。

2.海洋赤潮的遙感監測

赤潮頻繁、大面積的發生，與海水的富營養化和有機物污染日趨嚴重有直接關係。大量的工業廢水、城市生活污水、養殖廢水排人海洋，使一些海域的海水中有機物如氮、磷等大大增加，為赤潮生物迅速繁殖提供了充足的營養。至今，仍沒有較好的方法遏制赤潮的發生。赤潮會破壞海洋生態系統的平衡，惡化海洋環境，會造成貝類、魚類等海洋生物的大量死亡，從而造成災害。赤潮災害在我國近海頻繁發生，給海水養殖業等造成重大損失。因此，對赤潮的發生及其趨勢進行有效的動態監測是非常重要的。遙感技術在赤潮的監測方面發揮了重要的作用，對減輕赤潮災害具有十分重要的現實意義。

含不同浮游植物量的水體，其水面反射波譜是不同的。當赤潮發生時，由於水面浮游植物大量繁殖的影響，藍、綠光被吸收，而紅光和近紅外光則具有強烈的反射，它偏離了正常的浮游植物的反射波譜，表現出強烈的吸收和反射特性，因此，赤潮發生時，在藍、綠波段表現吸收特性，在紅光和近紅外光波段具有強烈的反射峰，在紅光區的0.69～0.72μm和橙色的0.59～0.62μm處有很高的反射峰。通過機載或衛星上的多光譜攝像機、多光譜掃瞄器和海岸帶水色掃瞄器等感測器，可獲得赤潮的可見光和紅外的增強彩色影像。

海洋石油污染的遙感監測

海洋石油污染是各種海洋污染中影響範圍最廣、危害時間最長、對生態環境破壞最大的一種海洋污染，石油污染監測已經成為遙感手段監測海洋污染中最重要的套用項目之一。

海洋溢油會改變海水的物理性質。油膜和海水之間在熱輻射以及對太陽光的反向、散射、吸收方面的差異，導致衛星影像資料中灰度值的不同，使衛星影像在顏色、紋理等方面產生差異，根據各種油污的反照率和熱輻射的光譜特徵對衛星影像中的海洋溢油進行解譯。衛星遙感可以大範圍、同步、連續監測海洋溢油，並且成本較低，便於建立海洋溢油監測系統，因此，衛星遙感監測海洋溢油必將成為海洋環境監測的重要手段之一。

石油與海水之間存在很大差別，在許多光譜波段都能將兩者分開。油膜在近紫外、藍、綠、紅、近紅外波段均能成像，尤其以紫外相片的效果最好，油膜呈白色調，在其他波段相片上也呈淺色調，這是由於油膜表面平滑，反射率較水體高，但是油膜的發射率遠遠低於水體，因此在熱紅外圖像上呈深色調。此外，根據油膜與海水在微波波段的發射率差異，還可以利用微波輻射計測量二者的亮度溫度的差別。如果建立油膜厚度與影像灰度之間的關係，則可以由遙感圖像推算油膜厚度並估算污染水面的石油量。

目前，用於水面石油污染監測的感測器較多，有航天的，也有航空的。面對不同類型的遙感數據源，採用不同的方法進行石油污染監測。

1.可見光和多光譜可見光遙感海面油膜：在可見光波段，水面油膜的反射率遠大於潔淨海面的反射率。利用這種反射率的差別，套用可見光波段的感測器如照相機和攝像機攝製海面油膜影像。海面油膜與穿行於海面的艦船航跡容易發生混淆，現在往往套用多波段照相機或多波段掃瞄器等感測器，以提高可見光波段感測器的解析度。實驗表明，在可見光海面石油的航空遙感中，用紅光波段航片難於區分油膜與艦船航跡，而在藍光波段則有可能區分開，但油膜與海水反射率之比的最大值在紅光部分，它的比值要比藍光波段的比值大2～4倍，光譜在0.63～0.68μm的感測器能使油膜和周圍乾淨海水的反差達到最大，因此，可以用紅光波段來監測海面油膜，而用藍光波段來區分油膜、航跡和泥漿水羽流。以達到最佳監測效果。利用星載多波段可見光感測器可用來監測大面積海洋溢油。

2.紫外遙感海面油膜：紫外光波段電磁波的波長小於可見光波段的波長。在其波長範圍內，對厚度小於5μm的各種水面油膜敏感。此時，油膜對紫外光的反射率比海水高1.2～1.8倍，有較好的亮度反差。在此波段，可以用備有對紫外光敏感的膠捲的紫外照相機或紫外波段掃瞄器來記錄海面油膜信息。在圖像中，油膜呈白色。但是由於紫外波段電磁波波長短，繞射能力差，它的使用受到很大的限制。

3.紅外遙感海面油膜：由於熱紅外比輻射率的差異，當油膜與海水的溫度相同時，它們的熱紅外輻射強度是不同的，在熱紅外影像中，油膜卻比海水“冷”。因此，油膜的灰度比周圍海水大，呈灰黑色。利用工作於該波段的感測器如紅外輻射計、紅外掃瞄器、熱像儀等均可測定海水和油膜的不同輻射能量而獲得海面油膜的影像。實驗證明，在8～14μm的熱紅外波段中，能夠最清晰的探測出海面的石油污染。衛星上的熱紅外感測器能判別出海面大面積的溢油範圍，航空熱紅外感測器能可靠的辨明海面油膜覆蓋區及其飄移於擴散的變化情況。對於厚度小於1mm的油膜，其比輻射率隨厚度的增加而增加，所以海面油膜的影像也能反映灰度層次隨厚度的變化情況，由此可以確定油膜厚度和分布，推算總溢油量。

4.雷射螢光探測海面油膜與油種：雷射螢光遙感技術能探明海面污油油種種類，接近實用。雷射束在照射海面污油時，將同時產生雷射螢光和雷射拉曼效應。雷射遙感鑑別油種，是以多環芳烴為指標的。雷射遙感不僅能迅速描述海面石油污染的分布，而且具有二維繪製能力。不管在白天黑夜或惡劣氣候條件下，都能有效地監測海面油污，數據準確可靠。由於雷射螢光和拉曼遙感技術在石油污染監測等諸方面具有巨大的實用性和發展前景。受到了世界許多國家的重視。國家海洋局第一海洋研究所於“六五”期間在海面污油雷射螢光光譜學特徵及雷射掃描成像技術的研究方面也取得了可喜的進展。他們用氮分子雷射器作為激勵光源。由於該類型雷射器發出的紫外光易於被污油吸收，且雷射的單色性、準直性好及亮度高，所以測量的靈敏度和解析度大大提高。

5.海面污油的其他遙感監測技術：可利用微波遙感進行海面油膜監測，比如被動方式的微波輻射計、主動反方式的雷達遙感等，這些感測器可以穿透雲、雨、霧，具有全天候監測海油膜及其漂移擴散情況的能力；雷射掃描成像，利用向海面發射雷射束，根據接收到的海面信號反射掃描成像，也可以用來判別海面油膜的範圍、面積和厚度，這種方法的優點是能在低光照條件下，實現實時的高解析度觀測，具有影像再現特點，所獲資料直觀易懂，便於分析。為了探索雷射掃描成像在海面溢油監測中套用的可行性和效果，國家海洋局第一海洋研究所在“六五”期間，也進行了這項實驗工作。實驗中，以He-He雷射器作為光源(波長632．8nm，功率10mW)的掃描成像裝置進行了實驗模擬和現場(船載)原理性實驗。結果表明，無論在實驗室內還是在海上，該裝置均能把水面油膜影像清晰記錄下來，油膜影像呈亮白色，邊緣清晰，成像距離海面3m；濕度測定法，由於海面大面積油膜的存在破壞了海水正常的蒸發速率，相應地使油膜上空的濕度也大為降低，運用海洋近水面空氣層濕度的變化模式，可以顯示石油和石油產品污染的海域；聲學遙感技術利用水和油膜對聲脈衝反射的差異來判別油污，也被用來進行海面油膜的監測。

廢水污染的遙感監測

目前，我國許多地區都面臨著嚴重的廢水污染，尤其是生活廢水及工業廢水，嚴重地影響了當地的水環境質量及生態環境，就此問題，國家與地區都已經採取了許多措施來監督與制止廢水的排出。常規的監測手段有時並不能及時的發現廢水污染現象，遙感技術已經被成功地用於廢水污染的監測與治理當中。因為廢水成分的特殊性，具有與正常水體不同的光譜特性，使其在遙感影像中總是表現出一定的特徵。在目前的套用中，主要通過水體在遙感圖像上的特殊色調來判斷是否是廢水污染，對廢水的流動與擴散進行動態監測，而對廢水的具體成分及其含量的定量監測還難以做到或很難達到理想的結果。

從廢水成分來看，城市生活廢水和各種混合型工業污水，往往都含有硫化物，混合後發生化學作用，常使水體呈黑褐色，這種水體的光譜反射曲線上，沒有明顯的波峰和波谷，形狀平直，反射率低，是消色體，在彩色紅外相片上呈黑色。成分比較單一的工業污水在圖像上有不同的顯示。無色透明的工業污水，不管其濃度如何，基本上與純水的反射特性一致，在圖像上與純水沒有差別；有色透明的工業污水，其光譜曲線有與各自水色相對應的特徵反射峰，污水色度越高，特徵反射峰值越大，圖像上表現為深淺不同的顏色；無色渾濁的工業污水的反射率較純水高，但沒有明顯的特徵反射峰，在圖像上色調較純水淺；有色渾濁工業污水的反射率較純水高，還存在與水色相對應的反射峰及與水中懸浮物質散射的某部分入射光相對應的特徵峰區。由於水色與懸浮物性狀千差萬別，特徵反射峰的位置和強度大不一樣，故在影像上可能呈現出多種色調。含有廢油的水體，能顯示油膜的光譜特性，在紫外或藍波段圖像上色調較淺。污水不僅在色彩上與純水存在差異，而且，污水排放的控制點、擴散方式、稀釋混合等特徵也是識別污水的重要標誌。污水的排放口一般與污染源(如工廠等)相距不遠，或與渠道相通，且其周圍污染水體的濃度相對較低。污水擴散特點有幾種情形：在靜止水體中，影像上顯示的淺色污染區以排放口為中心，呈半圓形或喇叭形向外逐漸變暗，逐漸與周圍水色一致；在流動的水體中，圖像上顯示的污染區位於排污口的下游，且面積不大，這是因為污水在流水作用下迅速擴散的緣故；在河口地區，由於潮水的周期性漲落，污水的展布形態也會發生變化，特別是當潮水上溯時，排污口的污水連成一片，一旦退潮，就會形成與排污口失去聯繫的離源濁流。

水體熱污染的遙感監測

因能源的消費而引起環境增溫效應的污染稱為熱污染。熱污染的水體主要來源於工礦企業向江河排出的冷卻水，尤其是電力工業與冶金工業以及化工、石油、造紙、建樹、機械等工業，如熱電廠和核電廠、煉鋼廠、軋鋼廠等排出的冷卻水導致大量熱廢水連續不斷地排出，致使沿海近岸港灣水體以及湖、河水體溫度上升，使自然界水質生態環境發生很大的變化。水體溫度的上升，有時超過魚、貝類等經濟生物的忍耐程度。水溫超過其產卵和孵化的適宜溫度，龜、貝類繁殖率降低。對此類熱污染造成的危害，國內外常有報導。水體溫度的提高還會使水體中有毒物質對生物的毒性提高，也很大程度上加速了水中有機物的氧化分解速率，大大消耗了水中的溶解氧，使水中許多生物難於生存。水溫的增高還往往促使一些藻類大量繁殖，加速水體的“富營養化”過程，使水體大量產生“水華”，在某些海域甚至可能誘發赤潮，使水體的生態環境受到很大的破壞。