張鳳麗¹，楊鋒杰²，萬余慶³
(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所，上海200083；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)系，山東泰安 271019；
3.中煤航測(cè)遙感局遙感應(yīng)用研究院，陜西西安 710054)

　　摘　要： 通過對(duì)西安市護(hù)城河及興慶公園污水的監(jiān)測(cè)，定量分析了水體中COD、BOD₅與水體波譜之間的關(guān)系，為水體污染的遙感分析與監(jiān)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)和方法依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：水體污染；波譜分析；遙感監(jiān)測(cè)
　　中圖分類號(hào)：X832；X87
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)08-0081-03

　　水體中的污染物質(zhì)(包括懸浮物、可溶性有機(jī)物及浮游植物等)會(huì)極大地影響水體的反射波譜特征^［1］，一些研究者嘗試著用輻射傳輸模型來預(yù)測(cè)這些物質(zhì)的濃度，但這需要了解各種污染物質(zhì)的光學(xué)特性(如對(duì)電磁波的吸收和散射等)，但隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同各水體污染性質(zhì)和污染物質(zhì)含量可能相差很遠(yuǎn)，因此這種要求是難以滿足的?；貧w預(yù)測(cè)是環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中最常用的方法，藉此通過分析水體波譜特征建立水體反射波譜與BOD₅、COD之間的相關(guān)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的遙感監(jiān)測(cè)。

1 波譜理論

　　 典型水體的反射波譜特征曲線如圖1所示。?
　　 由圖1可見，水體在400～500nm范圍內(nèi)的反射波譜較低，這是由葉綠素-a和黃色 物質(zhì)的吸收所引起的；在560～590 nm附近的反射曲線增長(zhǎng)則是由藻類的低吸收所致；在624nm附近的傾斜則要?dú)w因于藻青蛋白的吸收；在675nm處因葉綠素-a的強(qiáng)烈吸收而導(dǎo)致反射波譜降至最低(只有當(dāng)葉綠素-a濃度較低時(shí)，才會(huì)在624、675nm處出現(xiàn)側(cè)翼)；而700nm附近的顯著反射峰的成因目前還不是很清楚，可能是由浮游植物體內(nèi)色素的熒光反應(yīng)以及藻類的散射和吸收而引起的，但這個(gè)峰常被作為葉綠素-a的特征波譜。

　　 國內(nèi)外利用遙感信息反演水色因子而進(jìn)行水體監(jiān)測(cè)的方法很多，大部分集中在單因子水色信息的反演上，常用的方法為藍(lán)綠波段比值法，即利用水體反射率光譜峰隨著葉綠素濃度的增大從藍(lán)波段向綠波段偏移的機(jī)理而采用光譜在藍(lán)綠波段的比值進(jìn)行相關(guān)分析。

2　試驗(yàn)部分

2.1　試驗(yàn)方法
　　分別于2001年6月5日和13日對(duì)西安市護(hù)城河及興慶公園內(nèi)的污水進(jìn)行了波譜測(cè)試，測(cè)試儀器采用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec FR便攜式分光輻射光譜儀，該儀器波長(zhǎng)范圍是0.35～2.5μm。?
　　數(shù)據(jù)獲取時(shí)間控制在11:00～13:00，在測(cè)量時(shí)應(yīng)避免鏡面反射的發(fā)生。此次試驗(yàn)共分8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，在進(jìn)行波譜數(shù)據(jù)測(cè)試的同時(shí)于水面以下0～0.5m處取樣進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)水質(zhì)分析，主要是進(jìn)行BOD₅和COD的測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)室對(duì)BOD₅及COD的測(cè)定結(jié)果　　mg/L?

取樣時(shí)間 BOD₅ COD 2001-06-05 9.15 31.88 2001-06-05 11.63 42.30 2001-06-05 21.20 70.50 2001-06-13 25.30 91.38 2001-06-13 18.99 75.10 2001-06-13 16.68 84.15 2001-06-13 18.77 97.72 2001-06-13 23.88 106.77

2?2　數(shù)據(jù)分析?
　 選用400～750 nm波段范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化變換，N(R)=(nr₁／∑ri，nr₂／∑ri，Λ，nrn／∑ri)(這里使用了各波段光譜之平均值，以免變換后的值太小)。?
　　A.Gitelson曾經(jīng)用R(700)/R(675)的波譜反射比來估算水體內(nèi)葉綠素-a的含量^［2］，但后來發(fā)現(xiàn)該比值可能還會(huì)受到懸浮物和黃色物質(zhì)的散射和吸收的影響，因此SHU Xiaozhou等又利用624nm處的波譜數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了修正，取得了較為理想的結(jié)果^{［3、 4］}，修正后的相關(guān)系數(shù)可以高達(dá)0.98。?
　　 在分析中采用了水體反射波譜在不同波段的比值進(jìn)行相關(guān)分析。

3　結(jié)果與討論

3.1　對(duì)BOD₅的分析?
　　 回歸分析模型見圖2，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性見圖3。?

　　 由圖2所得的回歸模型為：y=exp(2.00634x+1.63144)。其中y為BOD₅，x為R737/R528。?
　　 由圖3所得的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.826539。?
3.2　對(duì)COD的分析?
　　回歸分析模型見圖4，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性見圖5。?

　　 由圖4所得的回歸模型為：y=exp(2.61779x+2.31871)。其中y為COD，x為R₇₂₈/R₅₂₃。?
　　 由圖5所得的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.939580。?

4　結(jié)論

　?、偎w中的污染物質(zhì)含量常與某些波段處的反射波譜比值有較好的相關(guān)性，而與某一波長(zhǎng)原始反射波譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差。?
　?、谖廴疚镔|(zhì)含量與波譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性與污染水體的污染性質(zhì)和污染程度有關(guān)。?
　?、劾霉庾V遙感數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染物濃度的定量分析和監(jiān)測(cè)，從而為水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)提供了借鑒方法。

參考文獻(xiàn)：

　　 ［1］趙冬至.海洋環(huán)境污染與災(zāi)害衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.遙感信息，1999，(2)：22-24.
［2］Gitelson A,Garbuzov G,Szilagyi F,et al?.Quantitative remote sensing methods f or real-time monitoring of inland water quality［J］.Int J Remoter Sensing,1993，14(7)：1269-1295.
［3］SHU Xiaozhou，KUANG Dingbo.A new algorithm to estimate chlorophy11-a concentrati on from the spectral reflectrance of inland water［J］.Proceedings of SPIE,1998,3502:254-257.
［4］疏小舟，汪駿發(fā)，沈鳴明，等.航空成像光譜水質(zhì)遙感研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào),2000，(4):273-275.

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　　電　　話：(021)65420850×22217?
　　收稿日期：2001-12-25