基于遙感高分數據的赤峰老哈河水系水環境監測應用

其力格爾

（赤峰水文水資源分中心，內蒙古 赤峰 024000）

水環境屬于水文循環的重要組成部分，是評價區域生態環境及生態系統功能的關鍵依據，能夠為水資源的高效管理提供有力支持[1]。在人類活動與氣候條件等多重因素影響下，水系水環境受到較為明顯的擾動，不同水系的水環境特征及變化規律都存在一定差異[2]。要采取科學的監測方法，對水系水環境的物質組分、污染物濃度以及時空差異等做出合理監測，了解該區域水環境的狀況和評價水系水質情況，進而獲取水環境所在區域的生態環境變化規律[3]。根據水環境各項指標的動態變化確定水體污染情況，制定與水環境實際情況契合度較高的治理方案，優化水資源，促進生態系統的可持續發展[4]。

現階段，傳統的水系水環境監測方法仍然不夠成熟完善，主要問題在于整體監測周期較長，流程復雜，需要消耗大量的人力與物力資源，整體成本較高，且監測范圍有限，不能較好地實現水環境全覆蓋、連續監測的目標。遙感高分數據能夠解決上述問題，包含的內容較多，例如高空間、高光譜以及高時間分辨率等各項遙感數據，對數據分析處理的能力較強，能夠為水環境監測提供相對精確的數據支持?；诖?，本文在傳統監測方法的基礎上，以赤峰老哈河為例，引入遙感高分數據理念，提出了一種全新的水環境監測方法，并對其應用效果做出了全面分析。

1 水環境監測方法設計

1.1 設計水環境監測指標

在水環境監測中，合理的監測指標設計至關重要，對整體監測結果具有直接影響，因此，本文首先按照水環境質量標準與不同水體的特征，對水環境監測指標進行設計。在設計水環境監測指標之前，需要明確設計原則，包括科學性、代表性、全面性與可操作性4 個設計原則[5]。

1）科學性原則。在設計監測指標中，賦予指標科學內涵，使其能夠以客觀的角度，準確反映真實的水環境狀況。

2）代表性原則。設計的監測指標必須具備代表性，通過少量指標，全方位、多維度反映水環境狀況，減少監測中消耗的時間與成本，簡化監測流程。

3）全面性原則。設計的指標能夠全面地反映水環境的狀況，擴大指標監測覆蓋范圍[6]。

4）可操作性原則。按照水系所在地區現有的條件配置，設計客觀的監測指標，在此基礎上，設計與水系匹配度較高的、且具有全面覆蓋性的監測指標，如表1所示。

表1 水環境監測指標

如表1 所示，為本文設計的水環境監測指標，包括5 種不同的類型指標，各種類型指標之間存在較大差異，能夠綜合描述反映水環境現狀及動態變化，為后續高精度監測提供基礎保障[7]。

1.2 建立水環境懸浮泥沙遙感監測模型

基于上述水環境監測指標設計完畢后，全面反映了水環境的現狀。在此基礎上，建立水環境懸浮泥沙遙感監測模型，直接反映水環境當前質量及質量的動態變化[8]。懸浮泥沙含量屬于水環境監測中的重要參數，本文建立的遙感監測模型中，需要綜合考慮水系的水文環境條件，結合表1 中多種不同類型監測指標，避免對監測模型的運行產生干擾影響。對遙感器接收到的水環境總輻射亮度進行計算，得出懸浮泥沙物質在反射與散射作用下的變化情況，計算公式為：

式中 L（l）——水環境總輻射亮度；

l——水環境輻射波長；

d——水環境大氣透過率；

Lα——水體表面散射光；

Lr——大氣散射光；

Lc——水中光。

通過計算，得出懸浮泥沙物質在反射與散射作用下的變化，在此基礎上，建立懸浮泥沙遙感監測模型，監測模型表達式為：

式中 R——懸浮泥沙遙感監測模型；

n——監測模型中的線性待定系數；

p——懸浮泥沙干重；

G——水環境中懸浮泥沙濃度。

通過模型表達式，獲取水環境中懸浮泥沙濃度與遙感反射率之間存在的數學關聯，進而得出懸浮泥沙濃度對水體特性產生的影響，實現遙感監測水環境懸浮泥沙的目標。

1.3 基于遙感高分數據的水體遙感識別監測

在上述水環境懸浮泥沙遙感監測模型建立完畢后，根據懸浮泥沙的濃度變化，得出水環境的質量狀況。接下來，利用遙感高分數據，對水體進行遙感識別監測，實現水環境全面高精度監測的目標。

基于遙感高分數據的水體遙感識別監測流程見圖1。

圖1 基于遙感高分數據的水體遙感識別監測流程

如圖1 所示，提取水環境異常區域特征，利用遙感高分數據，對異常區域光譜等效進行分析處理，遙感高分數據處理表達式為：

式中 Rq——遙感高分數據衛星波段測定的水環境異常區域光譜等效反射率；

R（l）——實測水環境高光譜遙感反射率；

fw（l）——高分遙感數據衛星對應的光譜響應函數；

F0（l）——大氣層外太陽輻射度。

其中，fw（l）、F0（l）需要通過衛星應用中心網站下載。通過該表達式，完成水環境異常區域光譜等效處理。在此基礎上，基于DEM 數字高程模型，獲取水系周邊植被覆蓋度、坡度信息以及水體樣本輸入，建立水環境解譯標志，確定水體污染類型與水質污染等級[9]。結合水環境中水質參數反演結果、異常區域光譜等效結果，通過監督分類與人機交互修正方法，獲取水體識別結果并對識別結果作出分析，實現水環境監測的目標。

2 實例應用分析

2.1 研究區概況

赤峰市老哈河發源于河北省平泉市，是赤峰市與通遼市的界河，其河長約452 km，其中內蒙古境內388.3 km，河北省境內63.7 km。老哈河干流上建有紅山水庫，其總庫容為25.6 億m3，屬大型水庫。老哈河流域屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫（3.5～7）℃，流域地貌自上游而下依次為高山、中低山、丘陵和平原，河流兩岸地貌多為海拔（800～1 500）m 的山地，土壤呈輕度侵蝕狀態，其他相關概況說明見表2。

表2 赤峰老哈河水系概況說明

如表2 所示，為赤峰老哈河水系相關概況說明?；诔喾迨兴h境功能區劃分依據，將赤峰老哈河水環境功能區劃分為5 個部分。老哈河源頭至太平地河段長35 km，水質現屬于四級；太平地至蓮花山河段長20.4 km，水質現屬于三級；紅山水庫河段長20.5 km，水質屬于二級；水庫出口至巴新鐵路橋河段長17.7 km，水質屬于四級；巴新鐵路橋河段長38 km，水質屬于四級。在掌握研究區概況后，按照本文上述提出的水系水環境監測流程，對赤峰老哈河水系水環境進行全方位的監測，進而檢測該方法的可行性與監測效果。

2.2 應用效果分析

綜合考慮各項水系水環境監測指標后，本文選取赤峰老哈河水系總硬度監測準確率作為此次監測成果評價指標，水系總硬度計算公式為：

式中 Q——赤峰老哈河水系總硬度監測結果；

V1——滴定時消耗的乙二胺四乙酸標準溶液的毫升數；

N——鈣離子原子量濃度；

V——赤峰老哈河水系水環境水樣的體積毫升數。

通過計算，得出水系總硬度，進而推導出水系總硬度監測結果準確率。為了使監測效果更加直觀，將本文上述提出的監測方法設置為實驗組，將文獻[4]、文獻[5]提出的監測方法設置為對照組A 與對照組B，進行對比分析。利用MATLAB 模擬分析軟件[矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱]，分別測定不同渾濁模式下，赤峰老哈河水系總硬度，并計算監測結果準確率，繪制如圖2所示的評價指標對比圖。

圖2 水系總硬度監測準確率對比結果

圖2 中，01 表示水環境極渾濁模式；02 表示水環境高渾濁模式；03 表示水環境中渾濁模式；04 表示水環境低渾濁模式；05 表示水環境清澈模式；06 表示水環境海冰模式。通過圖2 的對比結果不難看出，三種方法獲取到的水系硬度監測準確率存在較大差異。其中，運用本文提出的基于遙感高分數據的監測方法后，在渾濁程度不同的模式下，其水系總硬度監測結果的準確率明顯高于另外兩種方法，均在97%以上，能夠更加精準地監測到赤峰老哈河水系水環境的指標變化，為后續開展水環境治理工作提供有力的數據支持。

3 結 語

綜上所述，為了彌補傳統水系水環境監測方法流程復雜、監測結果精度較低、監測范圍有限的缺陷，本文引入遙感高分數據，以赤峰老哈河為例，提出了一種全新的水系水環境監測方法。該監測方法有效地提高了水系水環境監測的精度，充分發揮了遙感高分數據的效用，獲取到老哈河水環境特征的動態變化規律與水體特征。此監測方法打破了傳統監測方法的局限性，擴大了監測范圍，覆蓋性較強，具有較為重要的研究價值。